紧邻既有地铁高架桥梁深基坑施工开挖方案研究

唐鹏

(中国铁路设计集团有限公司 华南公司,广东 深圳 518052)

随着城市地下空间资源的大量开发利用,建设工程逐步向深基坑、大规模、复杂化趋势发展。复杂环境下深大基坑工程施工中,邻近深大基坑工程的周边建(构)筑物安全是一个研究热点,深大基坑自身变形控制、地层预加固措施等是重要研究方向,选用新型机械设备、优化支护体系是控制基坑及周边地层变形的重要手段。该文采用MIDAS/GTS有限元软件,针对深圳地铁大运枢纽站基坑工程建立三维数值模型,分析比较整体开挖和分部开挖工况下深大基坑施工对既有高架桥梁结构变形的影响,并选用合理可靠的机械设备及支护体系提高施工质量,减小对既有桥梁结构变形的影响。

1 工程概况

深圳市大运城市综合交通枢纽地处龙岗区大运新城片区,车站位于龙岗大道与龙飞大道交叉口西南侧,沿龙岗大道西侧呈南北向布置。该站为14、16号线同台同向换乘、地下3层双岛四线车站,全长372 m；车站基坑标准段宽62.1 m,深25.5 m；基坑东侧紧邻既有地铁3号线高架车站及区间承台桩基,车站主体结构外轮廓与承台桩基水平净距为3.6～5.6 m。为完善大运新城片区路网结构,缝合城市空间,优化龙岗大道两侧慢行系统,将大运枢纽片区范围内的龙岗大道下沉,以分离过境交通。龙岗大道下沉隧道为单向三车道,宽15 m,内部净高5 m；西侧下沉隧道与14、16号线车站平面共通道,位于车站负二层标高,该部分下沉隧道与车站主体结构合建,剩余部分独立建设(见图1、图2)。

图1 大运枢纽站、西侧下沉隧道与高架桥梁横剖面(单位：m)

图2 大运枢纽站与龙岗大道下沉工程平面布置(单位：m)

受车站周边建(构)筑物征拆制约,车站仅小里程盾构始发段(67 m)可先期施工。为预留后期龙岗大道下沉道路实施条件,车站需同期施作75 m长龙岗大道下沉隧道(近车站端),确保后建工程施工期间对14号线荷坳—大运高架区间结构的干扰在可控范围内,满足工程安全性要求(见图3)。

图3 基坑工程平面示意图(单位：m)

车站小里程端基坑地层条件较差,从上至下依次为素填土、粉质黏土、粉细砂层(厚4.0～6.0 m),基底为粉质黏土或全～强风化砂岩。既有3号线荷坳—大运高架区间承台桩基为端承摩擦桩,桩径1.5或1.2 m,桩长32.8～45.0 m,地层从上到下依次为素填土、粉质黏土、全～强风化泥质砂岩。

综合考虑明挖基坑规模、周边环境、地质及水文条件、施工安全、投资、工期等因素,明挖基坑东侧围护结构采用直径1.5 m、间距1.15 m全荤咬合桩,基坑南侧、西侧围护结构采用直径1.2 m、间距0.9 m荤素咬合桩,北侧围护结构采用直径1.2 m、间距1.5 m钻孔灌注桩,桩间采用直径0.8 m、间距1.5 m旋喷桩止水；桩长32.5～34.5 m,嵌入底板以下7.0～9.0 m。

2 基坑开挖工况

大运枢纽站小里程端与16号线折返线区间、14号线坳背—大运区间、龙岗大道下沉隧道相接,结合线路中心间距、埋深及周边环境等因素,16号线折返线区间采用明挖法施工,14号线坳背—大运区间采用盾构法施工,同期建设的龙岗大道下沉隧道采用明挖法施工。按照轨道交通14号线全线工筹安排,大运枢纽站为坳背—大运区间盾构始发站,提供盾构双始发条件,故车站小里程端基坑与龙岗大道下沉隧道同期建设段明挖基坑同步实施。根据《地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中运营安全保护区和建设规划控制区范围,大运枢纽站主体基坑位于既有地铁3号线及两侧高架区间安全保护范围,基坑开挖的重点和难点是控制变形。选取以下两种基坑开挖工况,分析基坑开挖过程中围护结构、既有高架桥梁的变形特性：

(1)整体开挖工况。车站小里程端盾构始发段(负三层)与16号线折返线区间(负三层)、龙岗大道下沉隧道同期建设段(负二层)并为一个基坑进行整体施工。车站基坑竖向设置4道钢筋砼桁架支撑,支撑水平间距6.0 m,车站基坑中间设置3根临时钢立柱；区间基坑竖向设置2道钢筋砼桁架支撑,折返线区间局部增设第3道钢支撑,砼支撑水平间距6.0 m,钢支撑水平间距3.0 m,区间基坑中间设置2根临时钢立柱(见图4)。

图4 基坑整体开挖范围示意图

(2)分部开挖工况。车站小里程端盾构始发段(负三层)与龙岗大道下沉隧道同期建设段(负二层)并为一个基坑进行整体施工,随后施作16号线折返线区间(负三层)。车站基坑竖向设置4道钢筋砼桁架支撑,支撑水平间距6.0 m,车站基坑中间设置3根临时钢立柱；下沉隧道基坑竖向设置2道钢筋砼桁架支撑,砼支撑水平间距6.0 m；折返线区间基坑竖向设置2道钢筋砼桁架支撑＋1道钢支撑,砼支撑水平间距6.0 m,钢支撑水平间距3.0 m(见图5)。

图5 基坑分部开挖范围示意图

3 有限元数值分析

对车站盾构始发段、下沉隧道、折返线区间基坑采用MIDAS GTS有限元软件建立三维模型,对两种开挖工况下基坑围护结构及高架桥梁结构变形进行分析。

3.1 有限元数值模型

基坑全长142 m,形状异形,基坑四周围护结构刚度不一致,需按照整体空间问题进行考虑。为考虑三维空间中结构和土体之间的相互作用,基坑横向、纵向均取2.5倍基坑深度,模型宽度取400 m,长度取850 m,深度取80 m(见图6)。土层本构采用修正摩尔－库伦模型,结构采用弹性模型,模型侧面施加法向约束,底部设置为固结。

图6 基坑施工数值分析计算本构模型

模型中土体采用实体单元；围护结构咬合桩等效成墙厚,采用板单元模拟；桥桩、墩柱、轨道结构及基坑支撑、冠梁、腰梁采用梁单元模拟；桥梁承台结构采用实体单元模拟。支护体系及桥梁结构有限元模拟见图7。

图7 基坑与高架桥梁数值分析计算本构模型

3.2 模型地质参数

根据中国铁路设计集团有限公司发布的《深圳市城市轨道交通14号线工程详细勘察阶段岩土工程勘察报告》提供的岩土体及结构物理力学指标建议值,结合工程实际情况并进行其他工程类比,对计算中涉及的岩土体与结构物理力学参数进行取值(见表1、表2)。

表1 岩土体物理力学参数

表2 支护结构物理力学参数

4 计算结果分析

4.1 基坑周边土层位移

如图8所示,整体开挖、分部开挖工况下,近高架桥梁侧土层最大沉降分别为5.54、7.44 mm。土层沉降最大值均出现在高架桥梁承台四周,呈口字形分布。由于分部开挖对土层的二次扰动,土层位移在叠加效应作用下普遍较大。但两种工况下土层沉降值均在变形控制范围内。

4.2 基坑围护结构变形

如图9所示,整体开挖、分部开挖工况下,近高架桥梁侧围护结构最大水平位移分别为5.76、7.04 mm。围护结构最大变形出现在第三道支撑(0.5H～0.7H)上下,围护结构变形整体呈现“中凸”趋势。两种工况下围护结构变形均较小,在《深圳市基坑支护技术规范》允许范围内。

图8 基坑施工引起的地层沉降位移云图(单位：m)

图9 基坑施工引起的围护结构水平位移云图(单位：m)

4.3 高架桥梁桩基及轨面变形

如图10～12所示,整体开挖工况下,高架桥梁承台最大沉降为3.5 mm、最大水平位移为1.5 mm,桩基最大沉降为4.3 mm、最大水平位移为3.2 mm,3号线轨面最大沉降为1.3 mm；分部开挖工况下,高架桥梁承台最大沉降为4.3 mm、最大水平位移为2.8 mm,桩基最大沉降为5.8 mm、最大水平位移为4.1 mm,3号线轨面最大沉降为2.3 mm。根据《地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》中地铁设施安全控制指标要求,桥面、桥墩结构水平、竖向位移控制值为5 mm,纵向每10 m轨道高低、轨向变形控制值为4 mm,两种开挖工况下既有结构变形均在规范允许范围内。但分部开挖工况下结构变形较大,不利于既有3号线运营安全。

图10 基坑施工引起的桥梁承台及桩基竖向位移云图(单位：m)

图11 基坑施工引起的桥梁承台及桩基水平位移云图(单位：m)

图12 基坑施工引起的桥梁轨道竖向位移云图(单位：m)

两种开挖工况下基坑周边土层、围护结构及既有结构变形见表3。

表3 基坑两种开挖工况优缺点对比

综合考虑场地条件、道路交通疏解、管线迁改、工程投资等因素,基坑整体开挖工况更合理,有利于既有地铁线路的运营安全。

5 主要控制措施

(1)施工设备选型。根据深圳地铁安全运营相关办法和规定,邻近地铁线路的工程项目,施工设备起降高度均不能高于桥面,以免影响列车行车视线造成紧急停车,引发乘客及行车安全；同时既有高架桥梁基础为端承摩擦桩,对地层较敏感。为减小近高架桥梁侧围护结构成桩对周边地层的扰动,并满足低净空成桩场地条件,选用施工噪音小、无震动、安全性高、垂直度易保证、施工工效高的全套管全回旋钻机,其高度仅2.8 m。

(2)加强支护设计。深大基坑开挖引起的自身变形是工程控制重点和难点。为控制基坑开挖过程中周边土层变形,近高架桥梁侧围护结构采用直径1.5 m、间距1.15 m全荤咬合桩(硬咬合),基坑内支撑均采用砼支撑,提高围护结构及支护体系的刚度。

(3)预处理及信息化施工。1)在既有高架桥梁承台四周埋设袖筏管,对承台周边土体进行挤密注浆,水泥浆压力控制在H/(100 MPa)；预留袖阀管进行跟踪补偿注浆,水泥浆压力控制在(1～4)H/(100 MPa)。2)进行信息化施工,加强施工期间主体基坑支护结构及周边环境的施工监测,同时在既有地铁3号线结构上布置沉降、位移及倾斜监测点对轨面、轨距进行监测(见图13、图14)。

图13 既有高架桥梁自动化监测点布置(高架车站)

图14 既有高架桥梁自动化监测点布置(高架区间)

6 结语

邻近地铁线路的基坑工程施工的重点和难点在于控制基坑围护结构施工及开挖过程中的变形。在地铁保护范围内的相邻基坑工程,二次开挖扰动引起的累积叠加变形大于整体开挖变形,不利于既有高架桥梁的运营安全。可在既有高架桥梁下方采用全套管全回旋工艺施工围护桩,满足低净空场地条件,同时应用全套管设备降低对周边地层的扰动。