地铁车站基坑开挖对邻近铁路路基段的影响分析

方 眠

（中铁上海设计院集团有限公司,上海 200070）

0 引言

随着我国城市轨道交通建设的快速发展，大量地铁建设的出现使得基坑工程设计显得越来越重要。由于地铁大部分都在市区施工，常常在城市中心地段，周边管线、建筑物、交通路网等密集交错，环境复杂，因此在进行基坑设计时，新建基坑施工必须考虑对周边建构筑物的影响[1]，防止因基坑土体开挖卸荷导致基坑变形过大，周边土体沉降，进而影响周边环境安全[2]。尤其是在邻近既有铁路进行深基坑开挖的时候，由于铁路列车动载大，运行速度快，基坑周边土体沉降使钢轨之间可能产生差异沉降，列车对沉降、水平变形等十分敏感，当差异沉降过大时，可能对列车的安全运营造成影响，造成严重的经济损失和不良的社会影响。因此对邻近铁路的深基坑施工变形控制要求较高，此类地铁车站基坑施工对邻近铁路的影响研究就显得尤为重要[3]。

该文以南昌市轨道交通3号线上沙沟站作为研究对象，通过有限元软件Midas/GTS建立模型，对地铁车站深基坑开挖全过程进行模拟，计算出周边土体、基坑、铁路路基变形，并提出相应控制变形的保护措施和建议，对类似邻近铁路项目提供一定的参考。

1 工程概况

拟建项目上沙沟站是江西省南昌市轨道交通3号线的一个中间换乘车站，位于二七北路北侧，沿东西向并行地下埋设，采用明挖顺筑法施工，为二层双柱三跨岛式车站，车站全长511.6 m，平均基坑深度约为16.8 m。基坑北侧为既有住宅，南侧为江边客车存放场走行线。铁路中心线距离车站西端头井基坑外皮最近6.75 m，距离标准段基坑外皮最近6.92 m，距离东端头井基坑外皮最近6.42 m，位于铁路安全保护区范围内，是车站基坑施工过程中的主要风险源。江边客车存放场走行线为单线铁路，道床结构为碎石道床，木制轨枕。

车站主体围护结构采用800 mm厚地下连续墙和三道内支撑支护结构。地下连续墙深度约24 m，进入中风化不透水岩层不少于1 m。三道内支撑由上至下依次为：第一道钢筋混凝土支撑（800 mm×1 000 mm）、两道钢支撑（609，壁厚t=16 mm），在东西端头井处增加一道换撑（609，壁厚t=16 mm）。同时，为了有效控制既有铁路轨枕变形和沉降，在地下连续墙与铁路之间设置一排隔离桩进行铁路隔离加固，隔离桩采用800 mm钻孔灌注桩，紧贴着基坑地下连续墙敷设。既有铁路与地铁车站位置关系详见图1。

图1 位置关系平面图

根据现场勘查，现场地面标高介于15.28～20.41 m之间，大多在20.0 m左右，现场地势局部稍有起伏，土层自上而下依次为杂填土、粉质黏土、中砂、砾砂、圆砾、泥质粉砂岩及钙质泥岩。其参数详见表1。

表1 数值模拟计算岩土力学参数

2 施工过程数值模拟分析

2.1 模型建立

根据该项目实际情况和现场实际地质条件，将土层简化为水平层状分布的连续材料，采用有限元软件Midas/GTS对该工程进行数值模拟分析。土层采用修正莫尔－库仑弹塑性模型，用实体单元模拟土体，基坑围护结构、车站楼板采用板单元模拟，基坑支护的内支撑、冠梁采用弹性模型[4]。模型的边界条件为前后左右面均施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面自由[5]。铁路列车荷载按照《铁路路基设计规范》选取，该工程施加荷载60.1 kPa。根据上沙沟站主体围护结构与邻近铁路的平面位置关系，以及现场实际距离和结构尺寸，建立一个180 m×100 m×40 m（X×Y×Z）的几何模型，在该范围内通过激活和钝化基坑内的土层单元模拟施工工况，并计算各工况下土层位移和周边变形。三维计算模型见图2。新建地铁车站与既有铁路的计算模型详见图3。

图2 三维计算模型

图3 围护结构计算模型图

根据地铁基坑开挖的施工步序，对模型进行了简化拆分，划分为9个计算工况，重点分析邻近铁路路基变形，经简化后列举如表2所示。

表2 输入施工工况

2.2 计算结果分析

当基坑开挖至底层时，周边土体和铁路位移变形计算结果详见图4～6。

图4 竖向位移云图

从实施过程角度分析，随着车站基坑开挖过程中，各结构变形如下：

（1）基坑南北两侧地下连续墙变形呈不对称趋势。南侧地连墙变形计算值为4.48 mm，北侧约为4 mm。

（2）坑底隆起最大值发生于架设第二道支撑之前，计算值约为9 mm。

（3）隔离桩对隔离地面沉降及侧向变形有一定的效果。

（4）轨面最大水平位移1.55 mm，最大沉降量为1.08 mm，呈均匀化趋势。最大轨向位移0.211 mm位于隔离桩边缘。在隔离桩的保护下轨道沉降及变形基本可控。

3 结论及建议

该文根据设计加固方案和基础资料对南昌轨道交通3号线邻近江边货场走行线路基段展开了安全影响评估，计算得到铁路出入线产生的绝对沉降约为2.5 mm，表明经过钻孔桩加固隔离后，基坑在可控的动态施工保护下基本可以保障铁路运营安全，加固设计方案基本可行，在施工工艺满足设计及规范要求的前提下基本可保证铁路在限速状态下的运营安全。由此提出如下细化建议：

图5 水平向位移云图

图6 端头井端墙位移云图

（1）线路轨道静态几何尺寸容许偏差管理值采用υmax≤120 km/h正线及到发线相关标准，具体数值参见相关附表。

（2）设计方案选用的加固工法为钻孔灌注桩，考虑到成桩需穿透地表一定厚度的填土层，建议适当考虑填土层加固以降低填土层钻孔塌槽的可能性。另外，由于钻孔桩桩架高度大于铁路净距，建议在施工前编制完善的桩架防倒方案，避免倒塌对铁路的影响。

（3）建议选取沉降控制指标的40%和70%作为预警值和报警值，达到预警值后即可着手对道床实施扳道垫渣；达到报警值后应立即进行地层跟踪注浆补偿沉降。

（4）为了预防部分区域突发性不均匀沉降的情况，地面可适当考虑线上加固的可能性。线上加固启动标准可根据铁路产权方的相关要求及监测数据决定。线上加固主要分为轨束梁扣轨加固、横挑纵抬梁加固、组合钢便梁加固这三类，后续阶段可根据实际现场的可实施性及整体造价等因素综合选择。

（5）由于车站大里程端部分区间隧道在铁路安全影响范围内，建议车站隔离加固措施按照隧道结构外边线净距8 m为针对区间隧道的保护范围并进行隔离（即隔离桩过车站端头墙后继续向两边延伸20 m左右的距离），同时车站与区间的隔离桩一并设计、施工，以保障铁路安全。