基坑开挖对邻近市域铁路高架桥及车站影响的分析

王增吉，齐成成

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300000）

1 引言

随着都市圈的快速发展，许多城市的市域铁路建设已初具规模，邻近市域铁路的地块建设如火如荼，基坑开挖必然会对邻近市域铁路高架桥及车站产生一定影响，特别是超近距离的基坑开挖。基于此，本文通过对实际案例工程的三维有限元分析，结合DB33/T 1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》（以下简称“规程”）提出相关优化措施以减小地块施工对邻近市域铁路的影响，为今后类似工程提供一定的借鉴意义。

2 工程概况

2.1 市域铁路S1 线简介

温州市域铁路S1 线是温州市第一条建成运营的城市轨道交通线路，西起桐岭站，东至双瓯大道站，途经瓯海区、鹿城区、龙湾区和洞头区，贯穿瓯海高铁新城、中央绿轴片区、浙南科技城、龙湾中心区和瓯江口新区，线路大致呈东西走向，全长53.507 km，于2019 年9 月28 日全线正式贯通运营。

2.2 地块工程概述

温州龙湾瑶溪北单元11-A-15 地块位于温州市瑶溪，西侧为南北向瑶溪河，东侧为站东路，南侧为水埠路，北侧为温州大道及轨道S1 线科技城站，此处为高架站台，并行段高架桥墩标号为16 号～21 号桥。S1 线科技城站为高架3 层侧式站台车站，为路侧桥建分离形式，基础采用钻孔灌注桩。

本工程共2 层地下室，东西向基坑约158 m 长，南北向基坑约267 m 长，面积约为39 528 m2，北侧邻市域铁路S1 线区域基坑宽度为158 m，开挖深度9.23 m，基坑距离科技城站最近距离为11.1 m，距离S1 线高架桥最近距离为22.5 m。

场区范围内上部土层均为典型的温州地区软土：①0 杂填土、①黏土、②1 淤泥、②2 淤泥、③1 淤泥质黏土、③2 黏土、④1 粉质黏土。

2.3 温州市域铁路变形控制标准

根据规程，同时考虑到S1 线高架桥墩及车站变形控制值,应在调查分析高架桥规模、结构形式、基础类型、建筑材料、所处地质条件等现状基础上，结合其与本工程的空间位置关系、已有沉降（差异沉降）和倾斜以及当地工程经验综合确定。本工程施工对温州市域铁路S1 线结构变形控制标准如下：（1）S1 线桥墩水平位移、沉降量及差异沉降＜5 mm；（2）S1线高架车站水平位移、竖向沉降＜5 mm，相邻柱基的沉降差＜0.0015 L（L 为框架柱中心距，mm）。

2.4 市域铁路保护措施

为进一步保护市域铁路，本工程采取的措施有：

1）基坑设计遵循化整为零、先远后近保护设计原则，同时，根据规程中关于旁侧单体基坑平面尺寸控制值，基坑北侧边线整体向南退让约22 m，退让空间内新增3 个宽度21 m，长度50 m 的小基坑（B#、C#、D#），南侧剩余部分为A#大基坑。各基坑的围护结构及地基加固同期施工，基坑施工顺序为A#基坑→B#、C#基坑→D#基坑，待前一工序的基坑地下室封顶后方可进行下一工序的基坑开挖。

2）临S1 线侧A#大基坑第二道混凝土支撑以下15 m 宽度范围内留置被动区土方，待南侧底板施工完成并架设临时钢支撑斜撑后，采用分区跳仓开挖、底板施工。

3）回筑阶段临S1 线侧肥槽区采用泡沫混凝土回填。

2.5 基坑支护方案

以基坑围护结构设计图为依据，需将B#、C#、D#小基坑开挖至9.23 m 深度，北侧紧邻市域铁路S1 线区域围护结构采用φ1000 mm@1 200 mm 钻孔灌注桩+双排φ650 mm@450 mm 三轴搅拌桩止水帷幕，钻孔灌注桩嵌固深度20.02 m，止水帷幕嵌固深度5.77 m。在竖向，基坑设置了3 道支撑，除第一道为钢筋混凝土支撑800 mm×750 mm 外，其余两道均为φ800 mm（壁厚t=16 mm）钢支撑。

A#基坑临S1 线侧开挖深度9.23 m，围护结构采用φ1 000 mm@1 250 mm 钻孔灌注桩+φ650 mm@450 mm 三轴搅拌桩止水帷幕，钻孔灌注桩嵌固深度19.02 m，止水帷幕嵌固深度2.77 m；此外，基坑在竖向设置了2 道钢筋混凝土支撑，其中，第一道截面尺寸为800 mm×750 mm，第二道截面尺寸为1 000 mm×900 mm。

3 基坑开挖对S1 线市域铁路影响的三维数值分析

3.1 有限元分析软件选取及模型工况

岩土隧道结构专用有限元分析软件（MIDAS GTS NX）是MIDAS 旗下的一款岩土仿真产品，其设计开发目的是迅速完成关于岩土及隧道结构的分析，本工程三维计算分析[1]采用MIDAS GTS NX 有限元软件。

在计算本构模型上，本工程选了修正的莫尔-库仑本构模型这一理想的弹塑性模型。其中，土体、桥梁承台、地基加固采用三维实体单元模拟，钻孔灌注桩围护结构、地块基坑地下室各层板、高架车站各层板均采用2D 结构单元模拟，工程桩、框架柱、支撑、冠梁等均采用1D 结构单元模拟。模型顶面不施加位移约束，底部施加竖向位移约束，四周边界分别施加水平位移约束。按照A#大基坑→B#、C#基坑→D#基坑开挖及结构回筑的施工步骤进行模拟。基坑有限元分析模型如图1所示。

图1 基坑有限元分析模型

3.2 计算结果统计及分析

根据有限元分析软件Midas GTS NX 建立整体三维有限元模型，分析11-A-15 地块施工各工况对S1 线高架桥及站房的影响，计算结果见表1。

表1 计算结果表

对各工况的计算结果进行统计，得出市域铁路结构随着基坑施工的变形趋势，各施工工况下市域铁路位移变化时程图如图2、图3 所示。

图2 各工况下S1 线桥墩Y 向累计水平位移变化时程

图3 各工况下S1 线车站Y 向累计水平位移变化时程

由计算结果可知：

1）瑶溪北单元11-A-15 地块施工期间，A#基坑开挖时对市域铁路S1 线影响最大，其中，19#桥墩发生最大的阶段水平位移为3 mm，约占其最终位移的68%。

2）11-A-15 地块基坑开挖对温州市域铁路的影响主要体现在其结构沉降量和水平位移量，其中S1 线桥墩沉降最大值和水平位移最大值分别为0.40 mm 和4.4 mm，满足5 mm 控制值的要求；桥墩最大水平倾斜率为0.02‰，满足4.3‰控制值的要求；桥墩间差异沉降最大值为0.10 mm，满足允许最大沉降差5 mm 的控制要求。由此所知，瑶溪北单元11-A-15 地块基坑开挖对S1 线高架和车站的影响满足温州市域铁路S1线高架桥和车站结构的变形控制标准，S1 线高架和车站的变形安全可控。

与目前地块实际施工监测情况比较，理论计算结果与实际变形比较接近。

4 结语

针对本次分析研究，主要得出了以下6 点结论与建议：

1）由于瑶溪北单元11-A-15 地块基坑与温州市域铁路S1 线桥梁和车站结构距离较近，因此，基坑开挖后对S1 线桥梁和车站结构的变形产生了一定影响，但各项变形指标数值均在变形控制标准之内，符合相应的安全标准，结构安全，项目可行。

2）由于瑶溪北单元11-A-15 地块工程基坑的开挖深度较大、周边环境复杂、地质条件差、基坑体量大，借鉴类似的工程经验并结合规程，靠近市域铁路S1 线基坑设计遵循化整为零、先远后近保护设计原则，将整个大基坑划分成一个大基坑（A#）和3 个小基坑（B#、C#、D#）；北侧为3 个宽度约22 m、长度约50 m 的小基坑，其中小基坑B#为55 m×20 m(长×宽）,小基坑C#为58 m×22 m (长×宽），小基坑D#为50 m×20 m (长×宽）。南侧为大基坑A#，基坑临S1 线宽度为158 m，整个项目的围护桩、止水帷幕及坑内加固施工完成且达到设计强度后再进行A#大基坑的开挖，可以起到一定的隔离效果，减小基坑施工的空间效应。

3）A#基坑临S1 线侧第二道混凝土支撑以下15 m 宽度范围内留置被动区土体，待南侧底板施工完成并架设临时钢支撑斜撑后，采用分区跳仓法开挖、底板施工。同时，结构回筑阶段临S1 线侧肥槽区采用泡沫混凝土回填。该措施能够有效控制基坑围护结构变形，从而减小施工对S1 线高架桥及车站影响。

4）软土地区基坑变形大部分由围护被动区踢脚变形产生，因此，应重点控制被动区加固深度、宽度及加固质量，同时提出了严格的检测要求。

5）基坑应分层、分段、对称、限时开挖，遵循先撑后挖、限时支撑、分层开挖、严禁超挖的原则，尽量减小基坑无支撑暴露时间和空间。挖土流程、顺序及方式应严格按施工组织设计进行，不得超挖，施工顺序应由远到近，分段施工结构底板。

6）靠近S1 线的钻孔灌注桩施工过程中应做好泥浆护壁，严禁采用冲击、振动机械设备成桩、拆除混凝土支撑。