深大基坑施工对紧邻轨道高架区间的影响分析

范卫琴 ，张红章，谢昭宇, ，胡先耀 ，彭 向

（1. 武昌理工学院，武汉 430074；2. 湖北道泽勘测设计院有限公司，武汉 430074；3. 武汉丰达地质工程有限公司，武汉 430074； 4. 中国地质大学（武汉），武汉 430074）

深大基坑工程在开挖及施工过程中，会引起临近轨道交通高架区间的变形[1-3]，为保证城市轻轨高架运行的安全性，《城市轨道交通结构安全保护技术规范》对深大基坑施工过程中对轻轨高架的影响提出了严格的变形控制指标[4]。深基坑施工前采用数值模拟等有效手段分析和研究深基坑施工过程中对轨道交通高架区间的影响，能够有效进行风险预控，评估支护及施工方案的合理性，避免工程事故的发生[5-7]。MIDAS/GTS NX 有限元差分软件可以模拟深基坑施工全过程对临近轨道交通高架区间的影响，为工程技术人员事前分析和评价轻轨高架的安全性能提供理论依据，同时可为选择合理的基坑支护形式和施工方案提供技术支持[8-10]。

以武汉某紧邻轨道交通高架区间、开挖深度约10 m 的深基坑为例，采用MIDAS/GTS NX 有限元差分软件对该基坑开挖及地下水渗流下高架区间结构位移进行了数值模拟分析。

1 工程概况

拟建项目位于武汉市硚口区，京汉大道和利济路交叉路口，基坑围护结构边线距离轻轨线路桥面结构外边线34.70 m，距离轨道交通安全保护线最近为4.70 m。轨道交通桥梁基础采用直径为0.8 m 的钻孔桩，桩长40.5 m，上部设置1.5 m 厚承台，桩基穿越的土层主要为黏土层、中砂层，桩底进入中砂层。拟建项目靠近1 号线崇～利高架区间侧地下室基坑深9.80 m，采用“钻孔灌注桩＋一道钢筋混凝土内支撑＋侧向帷幕”的支护结构形式，钻孔灌注桩采用Φ1 100 @1 400 mm，有效桩长19.30 m。平冠梁标高设一道混凝土内支撑，主撑截面尺寸0.8 m×0.8 m，辅撑截面尺寸0.6 m×0.8 m。桩外侧止水帷幕采用700 mm 厚TRD 或CSM 水泥土墙，有效长度为54.0 m，且进入6-1 强风化泥岩层≥1.0 m，基坑支护结构典型剖面图如图1所示。

2 模型及材料属性

2.1 计算模型

采用岩土专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 进行计算，施工阶段分析采用的是累加模型，即上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响后续阶段的分析结果。

土体材料本构模型取用修正莫尔－库伦模型(Modified Mohr-Coulomb)，支护材料按线弹性考虑。由于本基坑为长方形，邻近高架区间长度较横断面尺寸长，可以用平面模型来模拟，在MIDAS 平面有限元模型中，采用平面应变单元模拟地层，采用梁单元模拟围护结构、主体结构及高架区间桩基，采用界面单元和桩端单元模拟桩-土之间的接触。计算模型范围以基坑外轮廓为基准，外扩一定距离后而建立[11-14]。根据以上经验，本例取5 倍基坑深度。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移。

2.2 计算参数及工况

2.2.1 土层材料属性

拟建项目位于长江北岸，距离长江约2.5 km，距离汉江1.6 km，相当于长江I 级阶地，地层由新近填土，全新统黏性土、砂性土及砂卵石层、基岩构成。场地所分布的地层除表层分布有人工回填的新近素填土(Qml) 外，下部地层主要为第四系全新统冲积成因的黏性土层、砂土层(Q4al)，砂土层呈现粒径由细到粗的沉积韵律，下伏志留系（S2f）泥岩。工程场地按地层成因、岩性及力学性质划分为6 大层11个亚层，图1 中各土层基本物理力学性质指标见表1。

表1 土层材料属性表

2.2.2 结构材料属性

选取靠近轨道高架区间一侧的断面进行有限元计算分析，轨道交通高架区间结构和本项目地下室结构、基坑支护结构材料及计算中所需单数见表2。

表2 结构特性（平面二维计算）表

2.2.3 计算工况

根据基坑拟定的施工方案，分析共分为6 个工况，具体如下：

工况1：初始地应力形成；工况2：高架桥桩基及结构完成；工况3：施工支护桩、立柱桩及止水帷幕；工况4：开挖一并施工第一道内支撑；工况5：基坑开挖至坑底；工况6：地下室结构施工至内支撑底部，拆除内支撑，并在地下室负一层楼板处进行换撑。

3 基坑开挖对高架结构的影响分析

通过数值计算，得出各工况下整体模型及高架桥桩基的横向、竖向位移。最不利工况下，整体模型基坑施工的横向位移云图详见图2，整体模型的竖向位移云图详见图3，高架桥桩基的横向位移云图详见图4，高架桥桩基的竖向位移云图详见图5。

图2 工况6 时整体模型横向位移云图

图3 工况6 时整体模型竖向位移云图

图4 工况6 时高架桥桩基横向位移云图

图5 工况6 时高架桥桩基竖向位移云图

由图2、图3 整体模型位移云图可知，随着基坑土方的开挖及地下室的施工，逐步对周边环境产生影响，影响范围和位移值逐步增大。水平位移影响范围及同一位置处水平位移均随基坑开挖深度增加而增大，位移最大位置发生在基坑围护结构上，支护结构水平向位移值最大由4.321 mm 逐渐增大至14.55 mm，竖向位移最大由8.34 mm 逐渐增大至13.3 mm。

由图4、图5 轻轨高架桥位移云图可知，基坑开挖对轻轨高架变形产生影响，轻轨高架桥桩基承台处的位移值随基坑开挖逐渐增大，最大水平变形为3.64 mm（向基坑方向），最大竖向变形为1.17 mm（沉降）。

4 基坑降水对临近地铁结构的影响分析

4.1 场地水文地质条件

场区地下水类型主要为填土层中的上层滞水及砂层中的承压水。上层滞水主要赋存于场地上部人工填土中，水位不连续，无统一自由水面，主要接受大气降水，生活用水及给排水管涵的渗透入渗补给，水量有限，静止地下水位埋深为1.30～2.50 m。

场地承压水主要赋存于（4-1）～（5）层中，含水层顶板为（2-1）、（2-2）、（3-1）、（3-2）层，底板为下部基岩。承压含水层与长江水力联系紧密。承压水测压水位标高为18.33～20.74 m。根据沿线收集的现场水文地质资料，结合武汉地区工程经验，模型分析时承压水测压水位标高按21.0 m 计算。场地承压含水层渗透系数14.21 m/d，影响半径R 为231.1 m，工程采用中深井降水处理，基坑共设置35 口深井降水井、5 口观测井。降水井管井井径为500 mm，管径为250 mm，井深35 m。基坑开挖时将降水至水位标高9.80 m，水位降至坑底以下0.5 m。

基坑靠近地铁止水帷幕采用700 mm（TRD或CSM）厚落底式等厚水泥土搅拌墙桩，长度为54.0 m，且进入强风化岩不小于1.0 m。

4.2 计算工况

计算模型分析具体分为4 个工况：（1）工况1，施加初始水头，计算初始渗流场；（2）工况2，施加重力场，计算地基初始应力；（3）工况3，地铁结构施工完成，位移场清零，保留应力场；（4）工况4，计算降水及地铁结构位移。

4.3 降水对周边环境的影响分析

最不利工况下，整体模型基坑施工的横向位移云图详见图6，整体模型的竖向位移云图详见图7，高架桥桩基的横向位移云图详见图8，高架桥桩基的竖向位移云图详见图9。

图6 降水后整体模型横向位移云图

图7 降水后整体模型竖向位移云图

图8 降水后地铁结构横向位移云图

图9 降水后地铁结构竖向位移云图

由计算结果可知：当完成基坑降水后，地铁区间结构的最大水平变形为5.4 mm（向基坑方向），最大竖向变形为1.1 mm（沉降）。

叠加基坑开挖和降水引起的位移量，得地铁高架区间结构向基坑相反发生的最大水平位移为9.09 mm，最大沉降2.27 mm。因此，其结果能够满足相关规定（水平、竖向位移值不大于10 mm）要求。

5 监测结果

图10、图11 为基坑实际施工过程中对桥梁桩基墩台处的水平位移及竖向沉降监测结果，由监测结果可知，桩基承台处水平位移最大值为4.1 mm，沉降最大值为1.5 mm，基坑施工完工后，桩基承台位移趋于稳定。从实际监测结果可知，监测值比数值分析结果稍小，监测结果满足相关规定要求。水平位移偏差率为55%，竖向位移偏差率为34%，但变化趋势基本一致。偏差率较大主要原因为本项目在枯水季节施工，且数值分析考虑最不利工况，实际降水对基坑的影响比数值分析结果要小一些。

图10 高架桥承台顶水平位移监测结果

图11 高架桥承台顶沉降监测结果

6 结论及建议

拟建项目地下室基坑开挖深度为9.8 m，基坑支护采用“钻孔灌注桩＋一道钢筋混凝土内支撑＋侧向帷幕”型式，支护结构距离既有轨道交通高架区间最近为34.7 m。采用MIDAS/GTS NX 对基坑开挖及降水进行了数值模拟计算。主要结论如下：

（1）基坑施工时，地铁结构最大水平位移为9.09 mm，最大沉降2.274 mm。实际现场监测最大水平位移为4.1 mm，沉降量为1.5 mm。数值分析及监测结果均为超出预警值，数值计算结果可靠。

（2）本例计算结果与监测数据相差较大，水平位移偏差率为55%，竖向位移偏差率为34%。主要原因是：为增加结构安全储备，数值计算时将地下水初始水头高度取值偏大，实际施工条件较计算假定更有利，实际基坑降水引起的结构位移比数值分析影响要小一些。

（3）本例中高架区间结构位移接近预警值，为减小基坑开挖对高架结构桩基的影响，基坑应采用全落底式帷幕，止水帷幕进入中风化岩不小于1.0 m，隔断基坑内外的水力联系，从而减小基坑降水对高架结构桩基的影响。

（4）基坑施工前，通过合理的数值分析，能有效模拟深基坑支护设计及施工对轻轨高架变形的影响，分析其水平位移和竖向位移影响范围的变化趋势，以此评估设计及施工方案的合理性，达到事前预控的目的。