地铁深基坑下穿高速铁路桥墩位移控制技术

肖旺

[摘  要]：针对深圳某地铁车站深基坑下穿穗莞深城际铁路的影响分析为背景，文章采用弹塑性有限差分方法，建立三维有限元模型，模拟基坑开挖对邻近30#、31#高架桥墩的影响，基于该数值模型，研究深基坑开挖对邻近桥桩的作用机制，通过增设隔离桩、对基坑支撑施加预应力等影响因素模拟基坑开挖引起的高架桥承台桩的变形进行计算分析。结果表明，隔离桩、支撑预应力的施加有利于控制高架桩体的侧移，与实际监测结果一致。

[关键词]：基坑开挖; 铁路桥墩; 下穿高速公路; 荷载工况; 数值分析

TU94+2A

随着我国城市轨道交通建设事业的蓬勃发展，新建地铁线路与既有市政道路、桥梁及既有铁路立体交叉时有发生。随着城市生活节奏的加快，人们对出行换乘的要求也越来越高，地铁与高速（城际）铁路车站的无缝换乘应运而生。当地铁车站下穿既有高速铁路桥梁时，必定会产生深、宽基坑工程[1-2]。受既有高速铁路桥梁孔跨布置的限制，地铁车站基坑工程距既有铁路桥墩一般较近，深基坑的开挖、卸载及降水破坏原有土体应力平衡，引起周边土体应力场与位移场发生变化，将对既有高速铁路桥梁产生附加应力及附加变形。尤其地层为软土地基时，高速铁路桥梁对周边环境的变化尤为敏感，若沉降或水平位移超过限值将会影响高速铁路的安全[1-3]。

当地铁车站下穿高速铁路大跨度连续梁时，因基坑开挖其体量大且桥梁结构为超静定结构，桩基础托换、加固及对高架桥进行预支顶技术就不再适用。此外，高速铁路变形允许值比城市桥梁的变形允许值更严格，尤其是超静定结构，因此，对于地铁车站下穿高速铁路，如何确保铁路桥梁的安全尤为重要。

在减小基坑及周围土体位移方面，传统常用的方式主要有增加基坑内支撑的刚度、提高围护结构刚度和增强土体强度[3]。但增加内支撑刚度会导致支撑尺寸过大或者间距过密，一方面不利于基坑开挖土体施工，另一方面也使工程造价显著提高。增强土体强度常采用高压旋喷桩注浆方式，但是单纯的高压旋喷桩注浆压力不利于控制，容易冒浆甚至铁路承台桩基产生变形位移。

因此本文结合深圳某地铁车站深基坑下穿穗莞深城际铁路的案例，运用弹塑性有限差分方法，研究深基坑开挖对邻近桥桩的作用机制，通过增设隔离桩、对基坑支撑施加预应力等方法模拟基坑开挖引起的高架桥承台桩的变形进行计算分析[1-5]，以期得到一些有益的结论，可为日后类似工程的设计、施工及研究提供借鉴与参考。

1 工程概况

深圳某地铁车站基坑长230.5 m，标准段宽度为21.1 m，底板埋深16.8～18.7 m，顶板覆土约3 m。沿桥和路下方呈东西向敷设，途经密集建筑，与正在施工的穗莞深城际铁路和平站换乘。地铁为东西走向，与穗莞深城际铁路方向相互垂直。此处穗莞深城际铁路上部结构为2联（40+60+35） m连续梁，墩号为29#～32#墩。地铁站在穗莞深和平站特大桥30#～31#墩之间明挖下穿通过。其平面相对位置如图1所示。

穗莞深城际铁路和平站特大桥（40+60+35） m连续梁为4线桥，下部结构桥墩均为拱型门架墩，墩高均为14 m，承台尺寸为10.5 m×18.5 m×3 m，加台尺寸为5 m×15.6 m×1 m，30#墩桩基为14～1.5 m的摩擦桩，梅花式布置，桩长为60 m，31#墩桩基为14～1.5 m的嵌岩桩，梅花式布置，桩长为40.5 m。

地铁车站主体结构距离30#及31#墩承台最近距离分别为7.75 m和19.6 m。

和平站地鐵站主体结构基坑底标高为-13.38 m，顶面标高为3.5 m，开挖深度16.88 m，其主体结构宽为21.1 m，车站为地下2层岛式站台，地下1层为站厅层，地下2层为站台层，车站顶板覆土厚度约3.05 m。穗莞深城际铁路和平站特大桥30#（31#）墩承台底标高均为-2.041 m，30#墩桩底标高为-62.041 m，31#墩桩底标高为-42.541 m。和平地铁站与穗莞深城际铁路相对位置立面如图2所示。

2.1 地层岩性及土层物理力学参数

各土层弹性模量的取值如表1所示。基坑施工过程中，由于产生的附加应力可能超过岩土材料的比例极限（线弹性）而达到塑性状态，所以对于岩土材料本报告采用MIDAS/GTS NX提供的Mohr-Coulomb修正弹塑性本构模型[6～8]。

2.2 基坑支护设计及支护结构本构及其参数取值

车站采用明挖法施工，基坑深度17.7～19.2 m，下穿穗莞深段围护结构采用1 200 mm地下连续墙，设置5道支撑和一道换撑，围护结构与高架桥墩之间设置隔离桩，隔离桩桩径800 mm，桩间距1 000 mm。支护结构参数及本构关系如表2所示。

3 有限元数值建模

有限元软件Midas/GTS是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性要求有机地结合而开发的岩土与隧道结构有限元分析软件[6]。计算分析主要采用Midas/GTS中的应力分析模块，主要分析基坑开挖对高架承台桩受力和变形的影响。计算模型按实际施工工况分析基坑开挖过程中对轻轨高架承台桩的影响，分析过程中考虑了桩土接触摩擦，采用接触摩擦单元进行模拟[2]，选取合适的计算参数。

3.1 模型建立

本模型主要分析基坑开挖对高架桥桩基承台的影响。总体模型计算区域的选取应充分考虑基坑开挖引起的边界效应。计算长度X方向（沿线路车站方向）为90 m，计算宽度Y方向（垂直线路车站方向）为120 m，考虑到铁路高架承台桩的边界效应，30#高架承台桩桩长为60 m，考虑到桩基的影响范围，模型在Z方向（计算深度）取100 m，计算结果能满足精度要求。

（1）竖向自重荷载。竖直方向上本项目考虑自重荷载的影响。

（2）桥梁荷载。依据穗莞深城际铁路的相关设计资料，将 30#和 31#上桥墩桥梁主力分别为 138 371 kN 和 134 521 kN。将桥梁荷载换算成均布荷载，作用于桥梁桥墩承台承台上，因桥梁承台与桥墩接触面长为0.4 m，宽为 0.3 m，30#桥梁承台和 31#桥梁承台荷载强度为 138.37 kPa 和 134.52 kPa。

本地层从上至下分别为：填土、淤泥质土、粉质黏土、砂质粉质黏土、花岗岩全风化、花岗岩强风化、花岗岩中风化。计算模型如图3～图7所示。

预加力按第一道撑0 kN，第二道撑2 000 kN，第三道撑2 000 kN，第四道撑3 000 kN，换撑2 000 kN，第五道撑2 000 kN。

3.2 分析工况

分析工况按2种计算模型分别如表3所示。

4 计算结果

在地铁基坑开挖及隔离桩施工前，对模型场地进行地应力平衡和初始位移清零[1-2]，仅考虑高架承台桩已建成情况下应力、不考虑其应变。以分析地铁基坑开挖施工对高速公路桥梁墩台及桩基的影响[6-8]。

土层参数采用勘察报告提供的土层参数进行计算。该计算模型的施工工况中，经过计算分析，较不利工况为第六次开挖开挖至坑底及回填覆土这2个工况，因此只列出这2个工况的计算结果。

在计算模型中考虑基坑边附加超载，附加荷载为20 kPa均布荷载，以模拟坑边临时荷载及车辆、行人荷载，高架承台桩范围计算结果如图8～图10所示。

开挖至坑底工况30#高架桥墩承台中心水平位移0.90 mm，竖向位移0.30 mm;31#高架桥墩承台中心平位移0.74 mm，竖向位移0.11 mm。围护结构地连墙水平侧向最大位移45.5 mm（图11～图13）。

开挖至坑底工况30#高架桥墩承台中心水平位移0.58 mm，竖向位移0.32 mm;31#高架桥墩承台中心平位移0.43 mm，竖向位移0.11 mm。围护结构地连墙水平侧向最大位移38.1 mm（表4）。

将承台顶位移作为荷载，通过建立桥梁结构MIDAS三维模型进行模拟，计算墩顶位移值（图14）。

通过计算，可得主体结构基坑开挖影响下的墩顶位移值，如下表所示。

5 结束语

随着相互交叉的工程建设日益增多，本文深圳某地铁车站深基坑下穿穗莞深城际铁路为背景，结合地质资料及基坑支护方案，基于有限元软件Midas/GTS建立分析模型，研讨了隔离桩及支撑预应力等因素对邻近高速公路承台桩的变形影响进行了分析计算，得到结论与建议：

（1）按最不利工况地铁和平站主体结构基坑开挖至基坑底时，基坑围护结构侧向位移为4.5 mm，满足一级基坑的要求。

（2）地铁车站主体结构基坑开挖至基坑底工况下，30#高架桥墩承台中心水平位移（Y方向）0.9 mm，31#高架橋墩承台中心水平位移（Y方向）0.74 mm。

（3）受深圳某地铁车站基坑开挖的影响，铁路桥30#墩墩顶顺桥向水平位移（Y方向）为1.946 mm，竖向位移（Z方向）为0.32 mm，31#墩墩顶顺桥向水平位移（Y方向）为-1.293 mm，竖向位移（Z方向）0.11 mm，墩顶的位移均满足TB 10182-2017《公路与市政工程下穿高速铁路技术规程》[3]第3.0.3条不大于2 mm的规定。

（4）加强监测，实现信息化施工。基坑开挖过程中应加强城际铁路高架承台桩及轨道监测，对靠近城际铁路侧基坑支护结构、地面的水平位移、沉降、地下水位进行监测，发现险情，及时处理。

参考文献

[1] 李辉， 杨罗沙， 李征，等. 基于MIDAS/GTS对地铁站超深基坑空间效应的研究[J]. 铁道建筑， 2011（4）：83-85.

[2] 郭全元.基坑开挖对临近城际铁路高架桥墩的影响分析[J].铁道建筑技术，2017（10）：1-6+37.

[3] 公路与市政工程下穿高速铁路技术规程： TB 10182-2017[S].

[4] 王军. 深基坑开挖对邻近高铁桥墩的影响分析[J]. 铁道勘察， 2010， 36（4）：81-83.

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[6] 陈孝义.铁路路基下穿高速公路时支挡结构施工对邻近桥墩的影响分析[J].四川建筑，2020，40（2）：109-111.

[7] 杨飞，刘舒斌.桥墩桩基施工过程对地层影响的数值分析[J]. 西部交通科技， 2014（10）.

[8] 陈向浩. 铁路路基下穿高速公路对既有桥墩影响数值分析[J]. 四川建筑， 2017（3）.