近邻地铁车站深基坑施工对车站结构影响分析

胡 军

(中铁十四局集团隧道工程有限公司 山东济南 250013)

1 引言

轨道交通保护红线内的施工项目不断增多带来的轨道交通安全运营风险问题日渐突出，近邻轨道交通的任何施工必将对轨道交通的安全运营造成不同程度的影响。苏洪斌[1]以北村枢纽互通立交主线特大桥跨越广州地铁3号线为例，针对桥梁桩基距隧道外边线最小净距约2.2 m，采取了隧道内及地面联合测量监测、复合式防护技术、钢筋笼加强筋精度控制等方法，实现了邻近地铁桩基施工零预警、桩基质量全部合格的目标。周丁恒等[2]以杭州地区某邻近地铁车站和区间隧道深基坑为对象，在分区施工方案的基础上，将近地铁区域内分区与分层施工顺序优化结合，同时提出加强垫层、增设型钢支撑、隔离桩及加固、施工荷载控制等保护措施，取得了良好的效果。文献[3－8]研究了地铁保护区内深基坑、桩基施工技术，探析了不同工况对轨道交通设施的保护措施。高玄涛[9]采用有限元方法分析地铁深基坑开挖全过程对邻近建筑物的影响，重点研究基坑围护结构对基坑自身及邻近建筑物变形的影响，并对基坑开挖全过程进行监测。文献[10－12]研究了邻近地铁深基坑施工过程中相关监测技术，为控制运营轨道交通设施的变形提供了有力的技术支持。

本文以济南某近邻地铁换乘车站施工高层建筑基坑开挖为例，研究近邻地铁车站高层建筑桩基施工、基坑开挖对地铁车站的影响。

2 工程概况与水文地质

2.1 工程概况

复地济南中央商务区A1地块项目位于济南中央商务区核心位置，A1地块项目规划用地面积为28 196 m2，包括一栋260 m高超高层塔楼(53层)、一栋79 m高塔楼及办公商业裙房(最高处3层)，地上总建筑面积为175 097 m2。地下部分为两层56 114 m2的地下室，地下室基坑挖深达13.1～15.3 m，开挖面积25 000 m2。项目基坑与地铁车站位置关系如图1所示。基坑外墙线距离6号线车站外墙线约2.6 m，距离换乘节点最近距离约33.4 m。

图1 项目基坑与地铁车站位置关系

已建成绸带公园地铁站为十字换乘车站，基坑采用分级放坡支护形式，东西向为地铁6号线，南北向为地铁7号线。项目塔楼基坑近邻6号线车站结构，车站净长353.5 m，标准段内净宽度为24.7 m，车站基坑深度25.24 m，覆土厚约2.9 m。7号线车站为地下二层岛式站，车站净长278 m，标准段内净宽度为24.70 m，车站基坑深度约17.55 m，覆土厚约2.9 m。

2.2 水文地质

塔楼基坑开挖深度范围内主要存在的土体为素填土、黄土状粉质黏土、粉质黏土、黏土及强风化、中风化石灰岩等。勘察期间钻孔深度范围内未揭露地下水，场地地下水为深层基岩(岩溶)裂隙水，综合周边项目及地势等因素，不考虑地下水对车站的抗浮影响。

3 基坑支护设计与研究方法

3.1 基坑支护

A1地块项目2号塔楼紧贴已建成的绸带公园站6号线主体结构，为减小基坑开挖对车站结构的影响，采用围护桩进行隔离，同时西北角处基坑采用内支撑方案；东侧邻近南北向地下车站，围护结构采用单排ø800 mm钻孔灌注桩，桩间距1 600 mm，设置三道锚杆；南侧围护结构采用双排ø800 mm＠1600灌注桩＋ø1000 mm＠1600灌注桩方案。

3.2 研究方法

根据1号、2号塔楼及裙楼施工工艺，基坑开挖前先期施工桩基围护结构，分层开挖基坑至设计标高后施工塔楼、裙楼底板及地下结构。根据桩基施工设计方案，地下结构完成期间需回填结构与围护桩间的肥槽。因此，基坑开挖、回筑及工后沉降会对车站主体造成一定影响。

采用MIDAS/GTS软件进行三维数值仿真计算，按施工工艺要求分步模拟基坑开挖卸载及回筑对已建成车站的影响情况。基于模拟计算及分析结果，综合考虑各种因素影响下的塔楼及裙楼基坑开挖施工对已建成车站主体结构的内力、变形情况，确定各种加载和卸载的最终水平位移量及竖向位移量需小于10 mm，并针对性提出相应的保护措施及施工对策。

4 模拟计算及分析

4.1 基坑开挖及施工方法分析

(1)基坑开挖方式

基坑近邻地铁6号线车站结构范围较大，基坑分段分层放坡开挖，采用限制卸载规模实现控制近邻地铁车站结构变形的目的，以规避大面积开挖产生集中卸载引起的车站主体结构整体变形。

(2)施工方法分析

基坑施工对轨道交通车站的影响包括围护结构施工、基坑开挖、结构回筑三个阶段，其中基坑开挖对车站的影响最大。

基坑开挖对开挖面以下土体具有明显的竖向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体回弹，并且基坑围护结构在土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构向坑内位移，挤压坑内土体，加大了坑底土体的水平方向应力，导致坑底土体向上隆起。基坑不同开挖方式引起的卸荷规模、方式不同，但同一地点开挖卸荷对地铁车站产生的附加应力和自身变形起主要作用。

结构回筑时，应严格执行施工工序要求，混凝土强度应达到设计强度后方能进行围护桩(墙)破除等施工，基坑土体及结构参数见表1、表2。

表1 基坑土体参数

表2 结构参数

4.2 模拟计算

4.2.1 模拟计算范围

根据工程概况，结合周边类似工程经验，基坑北侧段与地铁车站近邻处挖通；其他区域采用灌注桩支护，局部采用桩锚支护方式。模拟分析项目基坑工程实施全过程对近邻既有地铁车站主体工程的影响，分析车站变形以及围护结构内力的控制性参数是否在结构安全承载范围之内，确定施工全过程是否满足轨道交通安全保护的相关要求。

4.2.2 模拟过程

(1)土体采用实体单元建模，采用修正摩尔—库伦本构模型。根据地质勘察报告提供的地下水位及其相应参数模拟真实施工情况。

(2)采用等效刚度原则建立地铁车站实体单元模型，钻孔灌注桩、地连墙及各层楼板等采用板单元建模，桩基采用线单元建模，并设置剪切弹簧模拟板单元、线单元在网格节点位置发生剪切方向的摩擦交互作用。

(3)建模过程中，结构单元的几何模型参数均参考基坑平、剖面图，标高原位相同。模型x方向总长490 m，y方向总长350 m，z方向总长60 m(基岩层)。模型边界分别与x、y轴平行，因此直接设置为Midas默认的地基支承边界条件。

(4)基坑围护结构为 ϕ800 mm＠1600和ϕ1 000 mm＠1600灌注桩，利用等刚度原理转换为厚500 mm、622 mm的地下连续墙，如图2所示。

图2 地下车站及深基坑模型

(5)工况分析

工况1:为初始工况，即自重平衡下的初始状态；工况1结束后保留土体平衡应力，初始位移归零。

工况2:项目基坑围护结构施工，并架设钢筋砼冠梁。

工况3:基坑第一步开挖，并架设第一道预应力锚杆和内支撑。

工况4:基坑第二步开挖，并架设第二道预应力锚杆和内支撑。

工况5:项目基坑第三步开挖(挖至基坑底)，并架设第三、四道预应力锚杆。

4.2.3 基坑围护结构及地下车站结构受力变形分析

(1)基坑竖向位移

按工况2～工况5模拟计算施工过程中的位移变化显示:基坑底最大隆起量为25.2 mm，周边最大沉降为20.1 mm。

(2)围护结构水平位移

按工况2～工况5模拟计算施工过程中基坑围护桩的水平位移，结果如图3显示。基坑围护桩的最大水平位移为9.56 mm。

图3 基坑第三步开挖位移

(3)地铁车站结构位移

根据模拟计算，地铁车站结构最大位移发生在基坑第三步开挖(工况5)，X向水平位移为1.88 mm，Y向水平位移为3.3 mm，Z竖直向下位移为2.36 mm，高层建筑施工及工后沉降引起轨道交通车站的沉降为5.19 mm，如图4所示。

图4 工况5车站竖向位移

5 施工监测

5.1 监测要求

工程建设期间，做好施工监测及第三方监测，包括基坑、塔楼及地铁车站结构的监控量测。建立有效的信息化监控量测体系，根据监测资料及时控制和调整施工进度及施工方法，对施工全过程进行动态控制。做好监测点的保护工作，及时修复损坏的监测点；应保证监测数据及时、准确和完整，发现异常现象，及时预警处理。

5.2 监测项目

(1)基坑围护结构变形监测，在基坑围护桩(墙)钢筋笼中绑扎测斜管。

(2)地表沉降监测网应涵盖本工程的整个建设期，包含基坑开挖及主体建设阶段。应布置平行于轨道交通结构的轴线沉降监测点和垂直于轨道交通结构轴线的沉降监测点，本工程主体结构布设沉降监测点。

(3)基坑隆起、立柱隆沉监测。

5.3 监测指标

轨道交通结构各项控制值应满足«城市轨道交通结构安全保护技术规范»(CJJ/T 202—2013)相关规定[13]。

5.4 工程施工过程控制要求

邻近轨道交通结构侧基坑开挖对轨道交通影响风险较大，应制定详尽应急预案，严格施工管理；严格控制开挖步序、开挖时间及开挖方量，及时架设支撑，严格控制基坑周边堆载。基坑施工过程应做好信息化施工监测，及时准确地对监测数据进行处理并根据监测结果及时调整开挖施工参数，有效控制施工风险。

6 结论

计算结果分析表明:车站结构最大水平位移为(指向基坑内侧)3.3 mm，竖向位移为2.3 mm，基坑支护桩最大水平位移为9.56 mm，坑底最大隆起量25.2 mm。

基坑及上部结构施工全过程对地铁车站的影响可控，能够满足轨道交通结构水平及竖向位移量不大于10 mm的要求。项目实施过程中应进行严格的施工控制，避免发生车站结构的变形量大于理论分析值的情况。