新建下沉广场对邻近既有轨道交通结构的变形控制研究

鄢玉鑫,韦良文,2,黄翰霄

(1.重庆交通大学 土木工程学院,重庆 400074;2.重庆交通大学 省部共建山区桥梁及隧道工程国家重点实验室,重庆 400074)

21世纪以来,随着经济的快速发展和城市化进程的加快,产生了人口膨胀、交通堵塞、城市用地改造困难等一系列的城市综合征。为了保证国家和城市的可持续发展,解决出行问题、用地问题,合理的开发与利用城市地下空间成为城市持续稳定发展的必经途径[1]。然而随着城市轨道交通网络的不断完善,许多市政工程的建设必然对邻近交通结构的安全及稳定造成影响[2]。

国内外学者围绕邻近地下结构物的相互影响做了许多工作。周智海[3]对拟建市政道路对既有城市轨道交通的影响进行研究,借助有限元软件分别在建设和运营这两个时期的工况下对既有区间隧道典型断面做了分析计算。宋晓凤等[4]以基坑侧土体与隧道水平净距、基坑支护方式等因素的改变为着力点进行探究,研究深基坑开挖对近距离既有地铁隧道及轨道结构的影响规律。范燕波等[5]通过开展三维有限元数值分析,研究深基坑开挖范围和接头处管片刚度等因素下卧隧道变形的影响,最后以土工离心模型试验来论证模型和结果的合理性。黄河[6]等通过二维及三维空间有限元模型进行应力变形分析来评估邻近基坑侧区间隧道结构影响,并通过结构抗裂验算结果对比验证。林平等[7]发现宁波地铁线路某盾构区间受邻近基坑开挖影响产生整体沉降接近40 mm,水平位移超过30 mm,超过规定±10 mm的控制标准。Chang等[8]发现隧道混凝土衬砌在相邻基坑开挖时产生较多裂缝,且隧道底部的混凝土板有错位现象。针对以上问题,以重庆市中央公园下沉广场的修建作为工程背景,运用有限元软件Midas GTS对邻近既有轨道10号线的交通结构影响进行分析研究。

1 工程概况

1.1 地质情况

新建下沉广场地处城市地域,人类工程活动频繁,高挖低填,原地形地貌已基本改变。场地土层有第四系全新统人工填土(Q4ml)及残坡积粉质黏土(Q4el+dl),下伏基岩为侏罗系中统新田沟组地层。场地基岩层为砂岩、泥岩、泥质砂岩及砂质泥岩,其中砂岩、泥岩为主要岩层,局部泥岩含砂质较重或砂岩含泥质较重。区域地下水主要为大气降水和地下管网渗漏补给,水量较为适宜。参照地质勘察结果,岩土物理力学参数取值如表1所示。

表1 岩土物理力学参数

1.2 工程概况

既有轨道交通10号线隧道位于项目拟建场北侧,隧道呈东西走向,水平距离为28.10～34.04 m,可能受拟建项目影响的隧道里程号:ZK40+059.637～ZK40+151.327,总长约 91.69 m。轨道10号线中央公园西站为地下明挖车站,车站结构为地下2～3层两柱三跨矩形框架结构。

新建中央公园下沉广场与既有地铁线路毗邻,且部分位于既有轨道保护线范围内。下沉广场采用的基础形式为嵌岩桩,基坑开挖深度为9～14.4 m,开挖采用放坡开挖+桩前旋喷注浆支护相结合。基坑放坡坡率采用1：1.4～1：1.25放坡，坡面采用80 mm厚C20素喷砼。

图1 重庆轨道10号线中央公园西站及其附属结构断面形式图注：本图采用黄海高程系，图中高程单位为米(m)。

下沉广场结构外边线距既有轨道车站主体结构边线最小水平距离30.6 m，人工挖孔桩桩基距离主体结构最小净距为28.1 m，结构外边线距轨道10号线出站口结构边线最小水平距离5.0 m，人工挖孔桩桩基距离出站口结构最小净距为2.5 m。结构外边线距隧道主体结构边线最小水平距离54.2 m，结构外边线距既有轨道出站口结构边线最小水平距离5 m，旋喷地基处理距隧道结构外边线为30.9 m，为典型基坑邻近既有轨道区间结构施工的情况。新建中央公园下沉广场与既有轨道10号线平面位置关系及两处典型断面位置关系如图2所示。

(a)ZK40+140.334断面位置关系

2 有限元模型建立

2.1 模型材料力学参数

根据工程地质勘察报告及中央公园下沉广场边坡支护工程施工图设计说明等资料，部分参数取不利值，模型材料力学参数如表2所示。

表2 模型材料力学参数

2.2 有限元模型建立

为分析新建下沉广场项目施工及运营对车站及其附属结构的影响，保证其处于结构变形可控范围内，对模型范围作出了一定的限定。考虑10号线与拟建项目三维空间效应，建立三维模型的尺寸为100 m×99 m×80 m，以确保模型有足够的计算精度并尽量减少收敛时间。有限元模型见图3、图4。

图3 三维网格模型

图4 三维实体模型

工况模拟时因本次仅考虑拟建下沉广场建设对10号线车站及附属结构变形影响，所以将下沉广场上部结构按均布荷载施加于坑底处，此简化不影响分析10号线车站结构变形，计算时将第三步进行清零。具体各施工阶段顺序如表3所示。

表3 工况

表4 受影响区间隧道变形数值

3 有限元结果分析

参照《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)[9]，对轨道结构变形采用的评估指标如下：①结构水平位移及竖向位移≤10 mm；②轨道横向高差≤±4 mm；③隧道径向收敛≤10 mm。本次数值模拟过程着重于下沉广场施工过程对邻近既有轨道交通结构的变形控制研究[10]。

3.1 车站及附属设施结构变形

3.1.1 邻近断面分析

(1)ZK40+140.334断面。基坑开挖过程中，车站及其附属结构最大横向变形为4.64 mm，位于1号出入口靠近拟建项目侧基础桩右侧；最大竖向变形为3.77 mm，位于1号出入口结构右上部。基础施作时车站及其附属结构最大横向变形为4.67 mm，位于1号出入口结构右侧；最大竖向变形为3.74 mm，位于1号出入口结构右上部。施加上部结构荷载后车站及其附属结构最大横向变形为4.71 mm，位于1号出入口结构桩基右侧中部；最大竖向变形为3.36 mm，位于1号出入口结构右上部。

(2)ZK40+122.212断面。基坑开挖过程中，隧道衬砌及附属结构最大横向变形为3.54 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩中部；最大竖向变形为1.55 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩顶部。基础施作时隧道衬砌及附属结构最大横向变形为3.54 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩中部；最大竖向变形为1.55 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩顶部。施加上部结构荷载后隧道衬砌及附属结构最大横向变形为3.45 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩中部；最大竖向变形为1.56 mm，位于出入口靠近拟建项目侧基础桩顶部。

从横向变形和竖向变形累计的量值来看，下沉广场修建对邻近车站及其附属结构产生的变形影响稍多于邻近区间隧道结构；从区间隧道结构轨道横向高差及径向收敛值来看，轨道横向高差左线受影响较大，而径向收敛值左线受影响较大。整体来说，结构的位移处于安全范围之内。

3.1.2 三维模型分析

下沉广场基坑开挖、基础施作及施加上部结构荷载后对车站及附属结构位移影响计算结果见表5。

表5 下沉广场修建对既有轨道结构位移影响计算结果

总体来说，如图5所示，车站及附属结构经过下沉广场基坑开挖、基础施作及施加上部结构荷载工况后，其最大横向变形和最大竖向变形均有所增加，但增加的趋势较为平缓。1号出入口与下沉广场基坑相距最近影响最大，最大横向变形5.46 mm，最大竖向变形5.45 mm。车站主体与基坑相距最远，影响最小，最大横向变形2.33 mm，最大竖向变形0.19 mm。从不同工况车站及附属结构变形情况分析知，基坑开挖土体卸载的过程会引起邻近的车站主体结构及区间结构产生竖向上浮、水平朝向基坑开挖侧的变形，而其位移峰值也基本发生在这一开挖土体卸载量最大的工序上。

(a)最大横向变形

通过模型计算发现，下沉广场的修建会引起既有隧道、车站及附属结构的位移，但由于基坑处放坡开挖、旋喷注浆加固及悬臂桩支护等措施的施作，结构整体变形情况偏于稳定。相距最近处1号出入口的最大横向变形与竖向变形相差不大，然而相距最远处车站主体最大横向变形与竖向变形有一定差距，说明既有结构变形对水平净距较为敏感[4]。

3.1.3 小结

由上述分析可知：通过二维及三维数值计算，中央公园下沉广场地块项目建设及建成使用，引起已建轨道10号线中央公园车站及其附属结构最大竖向及最大横向变形均小于10 mm；仰拱竖向变形最大值为0.412 mm；且区间左线两轨道横向高差为0.041 mm，区间右线两轨道横向高差为0.020 mm，均小于2 mm。如表6所示，项目建设及建成使用对轨道结构造成的变形影响在变形可控范围之内。

3.2 基坑与轨道结构水平净距影响分析

进一步研究基坑开挖过程中既有结构变形对水平净距敏感性及影响规律，选取不同工况分别进行数值模拟计算。

在隧道区间走向、车站及附属结构形式、埋深、围岩环境等均不改变的前提下，仅对轨道结构右侧基坑水平净距L进行调整，选取不同水平净距5 m、10.94 m(工程原型)、16 m、22 m、28 m，计算断面ZK40+140.334上隧道及轨道结构位移变化情况。

从图6、图7、图8可看出，基坑与既有地铁车站及附属结构的水平净距L逐渐增大时，车站及附属结构的水平及竖向位移逐渐减小。并由计算结果可知，当基坑与车站结构水平净距L取0.5～1H时，车站及附属结构变形处于快速变化阶段；当基坑与车站结构水平净距L取H时，车站水平位移约为4.5 mm，竖向位移<3.5 mm，整体变形才处于偏于安全状态；当基坑与车站结构水平净距L取2H时，车站及附属结构的水平变形和竖向变形趋于稳定[11]。

图6 不同净距条件下车站及附属结构的水平位移

图7 不同净距条件下车站及附属结构的竖向位移

图8 不同净距条件下车站及附属结构的整体变形

因此，L=2H可视为基坑施工对邻近轨道结构变形控制的临界值，若水平净距小于此临界值，则工程建设过程中应做好监测量控，加强基坑周围支护。

4 结论

以重庆市中央公园下沉广场的修建作为工程背景，对邻近既有轨道10号线的交通结构影响进行分析研究，得出以下结论：①基坑开挖土体卸载的过程会引起基底以下土体产生上浮的趋势、基坑侧方土体产生朝向基坑内侧变形的趋势，进而导致邻近的车站主体结构及区间结构产生竖向上浮、水平朝向基坑开挖侧的位移，其主要变形量值发生在这一阶段。②既有地铁的隧道区间、车站主体结构位移因新建结构施工而引起变化，经过数值模拟计算结果，下沉广场建造全过程，其位移量较小且均处于变形可控范围之内，既有地铁结构呈现稳定安全状态。③对轨道结构与右侧基坑的水平净距作为变量进行研究，发现当基坑与车站结构水平净距L取2H时，车站及附属结构的水平变形和竖向变形趋于稳定。L=2H可视为基坑施工对邻近轨道结构变形控制的临界值。