深基坑开挖对临近市域铁路高架桥梁影响的研究

陈聪

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

1 引言

深基坑开挖易影响周边临近市域铁路线路的正常运营，不仅会导致其处于受力失衡的局面，还会造成地应力分布状态重组，且易发生土体变形现象，不利于既有高架桥梁的正常使用，同时还会对深基坑施工质量造成不良影响。为确保既有铁路高架桥的稳定性，必须做好深基坑开挖优化设计工作，采取有效的方式避免土体及高架桥结构出现变形等问题。

2 工程概况

2.1 建设情况

大剧院站为4号线工程第12座车站，设计为地下2层11 m岛式车站，站后设置双停车线。车站主体跨大剧院路布置，配线区跨金石路沿万顺道布置；大剧院路规划道路红线宽24 m，金石路规划道路红线宽30 m，万顺道规划道路红线宽33 m。车站周边建筑环境良好，东南象限为太湖国际社区，东北象限为万象城，西北象限为无锡大剧院，西南象限为规划金融用地及太湖国际社区。

万象城下沉广场保护项目在建设期间的深基坑开挖作业，存在较明显的扰动，易对周边铁路S1线工程造成影响，从而发生变形等质量问题。基于此，工程在实践中，通过数值模拟的方式展开分析，实现对既有设计方案的优化，以期在最大程度上减少高架桥周围土体的变形。

2.2 深基坑施工现场的地质土层分布

本工程拟建场位处于冲海积平原地带，地形基本平坦开阔，主要为荒地、中部为堆砖场、东侧为待拆迁厂房，且大部已回填。根据现场勘察结果得知，车站深基坑开挖区域内的土层主要包含杂填土、粉质黏土、含砂淤泥、淤泥质粉质黏土、粉砂等，且土层表现出流塑状特点，不具备足够的稳定性，无法作为天然地基持力层，会导致地基局部失稳，不利于深基坑施工。

3 深基坑开挖优化设计方案

此次改造工程中，涉及的深基坑开挖深度为9.75 m，安全等级为一级，并通数值模拟和计算的方式对深基坑开挖设计方案进行优化，以保证铁路S1线高架桥的正常运营。

3.1 开挖数值计算和分析

在本项目前期的评估作业中，运用了深基坑支挡结构分析计算软件（FRWS），对临近S1线侧深基坑支护的3个结构面进行开挖数值计算和分析。该计算软件可与深基坑内支撑结构分析计算软件BSC接口，是根据现行国家及各省市、地区发布的深基坑支护设计规范编制的最新深基坑验算软件，可对现今出现的多种挡土结构（排桩、双排桩、土钉墙、搅拌桩、坑中坑等）进行位移预测、内力及稳定性等分析，为深基坑设计、施工、监测提供科学合理的依据，在工程实践中得到了广泛的应用，而使用FRWS软件不仅大大减轻了计算工作量，还能促进最新科技成果的应用，提高设计工作效率。

根据验算结果可知，沿S1线线路纵向深基坑开挖断面的防护等级满足国家一级深基坑安全等级标准。

3.2 优化方案

3.2.1 具体计算数值

本工程深基坑采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注桩围护结构，嵌入深基坑底以下25 m。混凝土结构底板及地下1层板做换撑，共计2道换撑，计算时考虑地面超载20 kPa。混凝土结构底板及地下1层板做换撑，共计2道换撑，计算时需考虑地面超载数值20 kPa。计算结果见表1。

表1 计算结果

经断面计算，各项安全系数不满足国家一级深基坑安全等级标准，且本项目深基坑施工风险大，结合已有类似评估项目经验，此次深基坑施工引起市域铁路S1线高架桥墩的水平位移很难控制在5 mm以内，需优化改进深基坑方案以保证S1线的正常运营。

3.2.2 设计原则

此次深基坑设计遵循化整为零、先远后近的保护设计原则，将原方案中大深基坑划分成西侧3个小深基坑和东侧1个大深基坑。即原西侧深基坑边线整体向东退让，退让距离根据后浇带、主楼位置综合考虑，退让空间内新增3个宽度40～50 m，长度70～80 m的小深基坑，其中小深基坑A为71 m×47 m(长×宽），小深基坑B为71 m×50 m(长×宽），小深基坑C为84 m×39 m(长×宽），深基坑围护结构采用钻孔灌注桩+止水帷幕，对深基坑内土体采用3轴水泥搅拌桩进行基底加固。

在具体的围护结构设计刚度方面，支撑选型及布置形式等根据计算分析结果确定，要求优化后小深基坑临S1线侧围护结构最大水平位移值需小于深基坑开挖深度的0.14%，退让后的大深基坑临S1线侧围护结构最大水平位移值需小于深基坑开挖深度的0.2%。

4 深基坑开挖期间土体及周边结构变形影响

4.1 对周边建筑物的环境影响

本次深基坑开挖的关键是分析其对周边建筑物的环境影响。就市域铁路S1线高架而言，如果变形过大或相邻两墩台沉降差、倾斜率等变形过大，可能影响铁路的行车舒适度、耐久性，更严重者可能发生安全事故。因此，控制深基坑开挖对周边建筑物的影响，是避免周边建筑物或构筑物变形过大造成安全问题的主要手段，这就要运用到有限元软件对其进行详细的分析作业[1]。

项目采用的MIDAS GTS-NX有限元软件，能够迅速完成对岩土及隧道结构的分析与设计，是岩土隧道结构专用有限元分析软件，能提供应力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、边坡稳定分析、衬砌分析和设计功能，并生成处理结果，广泛应用于地下结构、岩土、水工、地质、矿山、隧道等方面的分析及科研。

4.2 有限元分析模型及模拟工况分析

本评估报告根据委托方提供的地下室范围线、深基坑围护方案设计图纸、施工条件等相关资料简化计算模型。由于市域铁路S1线已经运营，假定S1线高架桥梁结构的沉降完全是由于深基坑开挖土体扰动引起的，选取深基坑的最不利开挖进行分析。而根据工程经验和理论分析，所取土体范围345 m×200 m×70 m（长×宽×高)，在此区域模拟土层。S1线高架桥梁与施工地块关系见图1，S1线高架桥梁与围护结构关系如

图1 S1线高架桥梁与施工地块关系

图2 S1线高架桥梁与围护结构关系

目前，需模拟11-E-01地块基坑开挖、支撑施工、结构回筑，总共34个计算工况。其中围护结构以及地基加固施工（工况2）、A#基坑开挖到底（工况6）、B#与C#基坑开挖到底（工况17）、D#基坑开挖到底（工况28）及浅基础承台施工完成（工况34）为控制性工况。

4.3 计算结果

以工况2为例，对围护结构、工程桩及地基加固施工做分析，具体可从水平位移和垂直位移两方面进行分析。S1线桥墩Y方向水平位移见图3，最大水平位移0.4 mm，位于18#、19#桥墩的墩顶。S1线桥桩Y方向水平位移见图4，最大水平位移0.3 mm，位于18#桥桩。

图3 S1线桥墩Y方向水平位移

图4 S1线桥桩Y方向水平位移

从图3和图4可知，围护结构、工程桩及地基加固施工完成后，18#、19#墩发生最大水平变形，桥墩最大水平位移0.4 mm，桥桩最大水平位移0.3 mm。垂直位移方面，围护结构、工程桩及地基加固施工完成后，考虑到S1线高架桥梁采用桩基础，围护结构及地基加固施工对桥梁结构的影响较为有限，S1线桥墩的最大沉降约0.08 mm，最大沉降位于18#桥墩。

由此可知，项目在瑶溪北单元11-E-01地块施工期间，A#基坑开挖至坑底后，18#、19#桥墩出现最大沉降0.60 mm，满足沉降控制值5 mm的要求；相邻墩台最大沉降差出现在21#与22#桥墩之间，为0.17 mm，满足沉降差控制5 mm的要求，对S1线高架的影响满足市域铁路S1线高架桥梁的变形控制标准，同时S1线高架桥梁的变形安全也是可控的。

5 结语

考虑到实际工程中深基坑的开挖深度、周边环境及地质条件，就靠近市域铁路S1线深基坑设计遵循化整为零、先远后近的保护设计原则，将整个大深基坑划分成1个东侧大深基坑和临近S1线高架桥的3个西侧小深基坑，并对其地下结构及岩土力学等进行评估验算，最终评估得出桥墩附加位移满足结构安全性要求的结论，为深基坑施工提供了可靠的参考。