地铁近距离下穿运营国铁扩底桩基础站房技术研究

严启

中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055

引言

随着我国城市经济的快速持续发展，各城市地铁建设越来越完善，地铁也成为人们出行的重要交通工具。

通常，各城市地铁均与铁路交通枢纽进行衔接甚至合建形成综合交通枢纽，地铁工程的修建避免不了与既有国铁站房产生近距离下穿施工。下穿施工对既有国铁站房变形安全控制标准高，而下穿工程的施工必将扰动站房基础的持力土层，引起土层应力调整和沉降变形，威胁铁路的运营安全。目前，我国已陆续出现了一些下穿高速铁路的工程，在杭州已有成功下穿案例，房倩等人[1]采用高斯方程拟合了地层、结构变形与盾构参数的关系，并给出了影响沉降槽宽度的因素；洪开荣[2]在不采取地层和轨道加固的情况下，通过对盾构参数的分析和论述，实现了安全下穿的结果；雷崇等人[3]在既有站房有沉降且无加固措施的情况下分析了下穿对站房变形和内力变化的影响，并给出加固方案；刘志涛等人[4]采用数值模拟方法验证了采用优化盾构露空长度对减小下穿火车站工程沉降有较好的效果；李围、何川[5]采用三维有限元分析和室内相似试验互相验证的方式研究了盾构隧道下穿大型结构近接施工的影响，并对盾构掘进参数给出了建议值；陶连金[6]等人采用三维有限差分程序模型盾构隧道施工，就结构间相互作用及变形缝对结构差异变形的影响做出了分析。

本文以太原某区间隧道正下穿既有运营中国铁高架候车楼为例，对盾构隧道近距离下穿扩底桩基础站房进行安全性分析，并给出了相应的预加固方案。

1 工程概况

1.1 区间下穿国铁站房概况

区间自建设北路南站引出，依次下穿太原火车站主站房、高架候车厅、股道、旅客地道后接入太原站东广场站区间总长477m，下穿国铁站房范围约188m，线间距17.2m，轨面埋深约23.4～27.1m。下穿范围为太原站运营及控制的核心部位。

图1 盾构区间下穿高架候车楼纵剖面图

1.2 国铁站房概况

高架候车楼基础为人工挖孔扩底桩基础，桩基上部直径1.3～2.2m，扩底直径2～3.4m，下穿范围桩间距分别为14.8m、6.6m、9.5m。

区间主要穿越粉质黏土（可塑至硬塑）、黏质粉土及部分粉细砂层。区间内地下水类型主要为第四系孔隙潜水，水位埋深约10m，受近年来太原地下水水位回升影响，人工挖孔扩底桩桩底位于水位以下。

2 下穿高架候车楼数值分析

2.1 有限元模型建立

通过建立有限元模型，对地铁盾构隧道下穿国铁高架候车楼施工过程经行模拟分析，太原站内建构筑较多，本次重点分析高架候车楼桩基的变形。

根据盾构隧道与高架候车楼位置关系，并考虑模型边界约束对计算结果的影响，采用Midas GTS建立模型，尺寸为305m（沿隧道方向）×242m（垂直隧道方向）×80m（土层厚），隧道中心埋深约23m，土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型，地层及站房上部结构采用3D实体单元进行模拟，站房桩基础采用1D桩单元进行模拟，盾构管片采用板单元进行模拟。盾构开挖模拟采用冻结（杀死）土体单元参数的方式进行。

图2 有限元分析模型

2.2 分析结果

模型计算后提取桩基础的竖向变形值，分析其变形趋势。

2.2.1 垂直区间方向桩基变形趋势。提取垂直于盾构隧道方向的一排桩基础沉降值，进行变形趋势分析，绘成散点图如图3。

图3 盾构隧道下穿高架候车楼后桩基变形

通过图3可以看出，在盾构通过候车楼之后桩基础整体沉降为盾构隧道部位沉降最大，两侧逐渐减小，变形趋势与“peck曲线”吻合较好，从变形云图中可以读出影响范围沿垂直盾构隧道方向总计约65m。桩基础最大沉降约5.5mm，差异沉降2.2，按照此处桩间距9m计算，差异沉降率0.00024。

3 防护措施研究

根据相关规范规定，并结合站房的结构鉴定和安全评估结果，站房桩基础沉降最大值不得超过6mm。通过上述计算分析表明，最大变形值5.5mm小于变形限值，但已接近安全限值。

虽然盾构下穿高架候车楼施工，通过做好盾构自身措施即可安全通过，桩基及上部结构变形均小于限值。但考虑到国铁站房的重要程度，从增加站房安全冗余的角度考虑，需对站房进行额外的安全加固，提高站房桩基础的抗变形能力。

站房加固措施主要从变形的源头进行考虑，即加固桩基础。考虑到桩顶位于既有站台面下方，且站台在改造时进行加高，站台面至上方楼板的净空仅4m左右，大型施工机械无法进入，常规采取补打加强桩的方式难以实现，且在既有扩底桩附近钻孔对桩基础扰动较大，并考虑站台运营的需要以及站内施工的可实施性，采取对桩基础顶部进行加强。加固方案在既有桩顶连系梁的基础上进行增大，并将连系梁中间范围浇筑混凝土筏板，形成加强梁+筏板的方式连接桩顶，提高桩基的整体性；并在筏板和加强梁下方采取注浆的方式加固地基土，提高地基承载力及弹性模量，从而协调整体变形，降低差异沉降[7]。

加固范围在垂直盾构隧道方向（横向）两侧各1柱跨，沿盾构方向为站房4个站台所对应的全部桩基础。横向加固的柱跨范围确定采用按盾构隧道两侧45°线延伸至地面后的影响范围确定。

为了确定加强联系梁+筏板体系对变形的控制效果，针对盾构下穿桩基础加固进行局部单独建模计算，采用荷载代替上部结构进行计算。计算参数同上文模型中参数，其中注浆采用改变土体单元的参数来进行模拟。

模型计算分为两个工况：工况一为不施加任何加固措施，即与上文中模型计算工况一致；工况二为施加加强梁+筏板加固后再进行盾构穿越施工[8]。

根据计算结果，提取沿垂直盾构隧道方向桩底沉降值，将上述两个工况的计算结果绘制到一张表格中，形成图4。

图4 加固前后沉降对比表

通过图4的对比可以看出，加固前后变形趋势基本一致，加固后变形影响范围有所缩小，相对加固前更为集中，但11、12、13轴桩基础沉降有较为明显的降低，最大值由加固前5.5mm降低至3.3mm，差异沉降由0.000318降低至0.000131。

4 结论及建议

盾构隧道在做好自身施工措施的情况下，可近距离下穿候车楼的扩底桩基础，基础沉降可控制在规范及安全的范围内。

下穿施工对桩基础的影响主要表现为临近时抬升、下穿后沉降；横向影响范围及趋势与“peck曲线”吻合较好，呈现隧道中间较大，两侧逐渐减小的趋势，且主要沉降位于两条隧道中间范围内，最大沉降值约5.5mm，差异沉降率为0.000318。

采取在桩顶施工加强连系梁和加强筏板的加固措施，并在加强梁和筏板下方采取注浆加固地基的方式，增加了桩顶处的整体性，可有效地降低桩基础的最大沉降值以及差异沉降，可作为增加候车楼安全冗余度的措施。