周边地块工程施工对铁路高架桥及站房的安全影响分析.docx

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周边地块工程施工对铁路高架桥及站房的安全影响分析

周边地块工程施工对铁路高架桥及站房的安全影响分析

近些年来，我国城镇化速度不断加快，邻近高架桥梁、轨交隧道或既有保护建筑等变形敏感建（构）筑物的深基坑项目不断出现[1-2]，特别是在软土地区，基坑支护设计不当时，极易对周边敏感建（构）筑物造成非常严重的影响甚至安全事故。

因此，在深基坑项目基坑开挖前，分析评估基坑施工对周边建（构）筑物的安全影响情况，是确保施工安全的必要步骤。

本文以温州龙湾瑶溪北单元11-A-15地块项目基坑施工为依托，通过三维有限元模拟分析，综合评估其对邻近高架桥梁及站房的安全影响情况，并针对基坑设计的不足，提出了相应的优化方案。

1工程概况

温州龙湾瑶溪北单元11-A-15地块位于温州市瑶溪，西侧为南北向瑶溪河，东侧为站东路，南侧为水埠路，北侧为温州大道及轨道S1线科技城站。

工程规划用地面积136472.00m2，总建筑面积601776.40m2，其中地下室建筑面积67597m2。

主要由8幢28F住宅楼、1幢大型商业综合体及多层建筑（配套用房）组成。

全场大部分设有2层地下室（仅南侧局部为1层地下室），采用框剪结构，多层采用框架，设计均采用桩基承台＋地下室底板基础形式，桩型均采用钻孔灌注桩基础，且均为抗拔桩兼作抗压桩。

钻孔灌注桩桩径750mm，有效桩长73m，单桩承载力特征值为3050kN。

温州市域铁路S1线一期工程线路全长53.507km，其中科技城站（图2）为高架3层侧式站台车站，并行段高架桥墩编号为16#～21#（桥墩桩基均按摩擦桩设计）。

新建项目基坑东西向长度约158m，南北向长度约267m，面积约39528m2，商业部分及住宅部分（－2F）基坑开挖深度8.25～10.33m，住宅部分（－1F）基坑开挖深度约5.15m，商业部分北侧紧邻市域铁路S1线区域基坑开挖深度9.23m，邻S1线侧基坑宽度为158m，开挖边缘距离科技城站最近距离为11.1m，距离S1线高架桥最近距离为22.5m。

地块工程基坑与S1线相对位置关系情况如图1所示。

图111-A-15地块与S1线相对位置关系

2原基坑设计方案的安全分析

2.1原基坑设计概况

原方案基坑北侧紧邻S1线围护结构采用双排门架式钻孔灌注桩排桩＋2道钢筋混凝土水平内支撑，双排钻孔灌注桩间主动区采用水泥搅拌桩满布土体加固，其余部分采用钻孔灌注桩排桩＋2道钢筋混凝土水平内支撑，钻孔灌注桩外布置1排水泥搅拌桩止水帷幕，被动区采用三轴水泥搅拌桩进行加固，坑中坑采用三轴水泥搅拌桩进行二次支护（图2）。

图2基坑邻S1线剖面示意（原设计）

2.2三维模型建立

根据地下室范围线、基坑围护方案设计图纸、施工条件等相关资料，建模所取土体范围为290m×190m×70m（长×宽×高），在此区域模拟土层。

通过分步钝化、激活单元来模拟土体的开挖、支撑的架设及结构的回筑，从而模拟出整个施工过程。

整个三维有限元计算模型共198326个单元，1015356个结构节点。

所建立的三维模型如图3所示。

图3S1线高架、科技城站与围护结构关系（原设计）

2.3计算结果分析

温州市域铁路S1线已运营，仅需模拟11-A-15基坑开挖、支撑施工工况。

模拟主要分为10个工序：

第1工况为模型的初始状态，第2工况为基坑开挖及第1道支撑施作，第3工况为基坑进一步开挖到第2道支撑，第4工况为施工第2道混凝土支撑，第5工况为基坑完全开挖，第6工况为主体结构底板及底板换撑，第7工况为拆除第2道混凝土支撑，第8工况为施工中板，第9工况为拆除第1道混凝土支撑，第10工况为施工顶板。

经计算，当基坑开挖至基底时，分析结果如下：

1）水平位移分析。

基坑开挖至基底时，S1线桥墩、桥桩以及科技城站站房、站房桩的水平位移情况如下：

桥桩最大水平变形位于19#桥墩，桩基最大的水平位移为16.2mm，桥墩最大的水平位移为15.1mm，桥墩最大水平倾斜率为0.02%。

科技城站站房结构最大水平位移为16.5mm（最大变形点位于顶板伸缩缝处），车站桩基最大水平变形为20.8mm。

2）垂直位移分析。

基坑开挖至基底时，S1线桥墩、桥桩以及科技城站站房、站房桩的垂直位移情况如下：

S1线高架桥墩沉降最大为1.4mm，桥桩的沉降最大为1.5mm，最大不均匀沉降为0.5mm；受站房群桩效应影响，站房下土体平均竖向刚度得到提升，位于站房范围内的桥墩沉降略小于站房外，最大沉降位于毗邻站房之外的21#桥墩。

站房沉降最大为1.3mm。

3）原设计方案的变形控制效果。

11-A-15基坑开挖对温州市域铁路S1线的影响较大，主要体现在桥梁结构水平变形较大，桥墩最大水平变形值发生在19#墩处，为15.2mm，不满足最小水平控制值5mm的要求；最大沉降变形发生在21#墩处，为1.4mm，满足最小沉降控制值5mm的要求；相邻桥墩沉降差为0.5mm，满足相邻桥墩最小沉降差5mm的要求；桥墩水平倾斜率0.02%，满足桥墩水平倾斜率小于0.43%的要求。

由此可知，原方案在不采取任何保护措施的情况下，温州市域铁路S1线高架桥的变形超出了市域铁路高架桥的变形控制标准，需要优化改进基坑方案以保证S1线的正常运营。

3基坑设计优化及调整策略分析

本工程原基坑设计方案不满足变形控制要求，故需进一步优化基坑方案，以减小施工对S1线的影响。

经综合考虑，提出2种调整方案。

1）方案一，优化基坑设计方案。

遵循“化整为零、先远后近”的保护设计原则[3]，同时根据浙江省DB33/T1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》4.2.1条关于旁侧单体基坑平面尺寸控制值，将原方案中南侧2层地下室大基坑划分成1个大基坑（下称A#基坑）和3个小基坑（小基坑1～3分别称为C#基坑、D#基坑、B#基坑），如图4所示，即原北侧基坑边线整体向南退让约21m（退出保护区范围），退让空间内新增3个宽度约21m、长度约50m的小基坑，基坑围护结构采用钻孔灌注桩＋止水帷幕，对基坑内土体采用三轴水泥搅拌桩进行基底加固，加固方式为裙边＋抽条。

具体围护结构设计刚度、地基加固裙边宽度、抽条间距及加固深度、支撑选型及布置形式等根据计算分析结果确定，要求优化后小基坑邻S1线侧围护结构最大水平位移≤0.14%H（H为基坑开挖深度），退让后的大基坑邻S1线侧围护结构最大水平位移≤0.2%H，并要求大基坑开挖前要完成3个小基坑的围护桩、止水帷幕、坑内外加固且达到设计强度。

图4基坑分坑平面示意

2）方案二，优化调整建筑、结构方案，使邻S1线侧基坑由地下2层调整为地下1层，地下室范围外的承台标高调整到±0m附近，重新设计基坑。

对比以上2种方案，考虑到调整建筑方案对结构、风水电等相关专业影响大，且目前土建施工图已完成审查工作，重新调整对本工程的总体进度影响较大，因此最终选择方案一，仅调整基坑支护方案。

据此，进一步调整基坑方案如下：

1）将B#、C#、D#基坑邻S1线侧围护结构由双排钻孔灌注桩调整为单排桩。

2）明确邻S1线侧第2道混凝土支撑以下15m宽度范围内留置被动区土方，待南侧底板施工完成并架设临时钢支撑斜撑后，采用分区跳仓开挖底板。

3）B#基坑与C#基坑同时施工，以加快工程总体进度。

4）为加快施工进度，以有效控制基坑变形，B#、C#、D#小基坑第2、3道支撑由混凝土腰梁调整为钢腰梁。

5）肥槽区采用泡沫混凝土回填。

4基坑设计优化后的安全分析

4.1模型建立

本工程在基坑支护方案调整后，为验证其施工对周边的安全影响情况，采用MidasGTSNX有限元软件进行模拟分析，并假定S1线桥梁及站房结构的沉降完全是由于基坑开挖土体扰动引起的，从而选取基坑的最不利开挖工况进行分析。

1）将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料。

本构模型采用修正的莫尔-库仑弹塑性模型[4]。

修正的莫尔-库仑模型在数值计算中效果较好，并且该准则能较好地描述岩土材料的破坏行为，在岩土领域内得到了广泛的应用。

2）土体、桥承台、地基加固区采用三维实体单元模拟分析，基坑支撑、钻孔桩、钻孔灌注桩围护结构均采用1D2D结构单元模拟。

3）模型的前后左右边界分别施加水平位移约束，底部施加竖向位移约束，顶面不施加约束。

4）在进行S1线桥梁结构计算时，桥面直接搁置在桥墩上（即忽略桥面对桥墩的水平约束），桥墩上部作用节点荷载，荷载大小按照S1线桥墩设计荷载取值。

根据工程经验和理论分析，所取土体范围为290m×190m×70m（长×宽×高），在此区域模拟土层。

通过分步钝化、激活单元来模拟土体的开挖以及支撑的架设，从而模拟出整个施工过程。

整个三维有限元计算模型共179963个单元，908938个结构节点。

建立的三维模型如图5所示。

图5S1线桥梁、科技城站与11-A-15地块关系

4.2工况设置

模型左右、前后边界固定水平位移，底部边界固定竖向位移，上部边界为地表自由面；自重荷载取重力加速度。

在基坑开挖过程中，施工工况是逐渐演化的，因此需通过有限元工况模拟这一渐变的过程。

分析11-A-15地块施工方案对市域铁路S1线影响的工程施工顺序，主要分为以下步骤进行模拟：

步骤1，初始化地应力→步骤2，激活S1线高架桥以及科技城站站房→步骤3，进行围护结构、工程桩以及地基加固施工→步骤4，A#基坑开挖并施工第1道混凝土支撑→步骤5，A#基坑开挖至第2道混凝土支撑高度→步骤6，A#基坑施工第2道混凝土支撑→步骤7，A#基坑开挖至坑底→步骤8，A#基坑施工地下室底板→步骤9，A#基坑拆除第2道支撑→步骤10，A#基坑施工地下室中板→步骤11，A#基坑拆除第1道支撑→步骤12，A#基坑施工地下室顶板→步骤13，B#、C#基坑施工第1道支撑→步骤14，B#、C#基坑开挖至第2道支撑→步骤15，B#、C#基坑施工第2道支撑→步骤16，B#、C#基坑开挖至第3道支撑→步骤17，B#、C#基坑施工第3道支撑→步骤18，B#、C#基坑开挖至坑底→步骤19，B#、C#基坑施工地下室底板→步骤20，B#、C#基坑拆除第3道支撑→步骤21，B#、C#基坑施工地下室中板→步骤22，B#、C#基坑拆除第1、2道支撑→步骤23，B#、C#基坑施工地下室顶板→步骤24～34，D#基坑开挖及地下室施工（重复步骤13～23）。

根据委托方提供的资料，结合相关工程经验，软弱地层分块分层开挖，每次分层厚度不大于1.0m[5-6]。

温州市域铁路S1线已运营，仅需模拟11-A-15地块基坑开挖、支撑施工、结构回筑，即步骤1、2可合并为第1工况，即模型初始状态，位移清零[7]。

其余计算工况均与上述施工步骤一一对应，总共33个计算工况。

其中，围护结构以及地基加固施工（工况2），A#基坑开挖到底（工况6），B#、C#基坑开挖到底（工况17），D#基坑开挖到底（工况28）及D#基坑施工地下室顶板（工况33）为控制性工况。

限于篇幅，本文仅以工况33（D#基坑地下室顶板施工完毕）为例进行模拟分析。

其中，站房由于节点较多，为便于统计，以伸缩缝为分界点，沿站房长边方向南北侧各选取4个节点作为数据提取对象，分别命名为节点1～8，如图6所示。

图6科技城站节点布置

4.3工况33分析

4.3.1水平位移分析

在工况33下，即D#基坑地下室顶板施工完毕时，S1线桥墩、桥桩以及科技城站站房、站房桩的水平位移情况如图7～图10所示。

图7S1线桥墩Y方向水平位移云图（最大水平位移4.3mm）

图8S1线桥桩Y方向水平位移云图（最大水平位移4.3mm）

图9科技城站站房Y方向水平位移云图（最大水平位移5.2mm）

图10科技城站站房桩Y方向水平位移云图（最大水平位移5.2mm）

从图7～图10可知：

D#基坑地下室顶板施工完毕，19#墩发生最大水平位移，桥墩最大的水平位移为4.3mm，桩基最大的水平位移为4.3mm。

科技城站站房结构最大水平位移为5.2mm（最大变形位于顶板伸缩缝位置），车站桩基最大水平变形为5.2mm（最大变形位于靠近D#基坑位置），即从基坑开挖到坑底至顶板施工完毕，基坑对周边的扰动变化较小。

4.3.2垂直位移分析

在工况33下，即D#基坑地下室顶板施工完毕时，S1线桥墩、桥桩以及科技城站站房、站房桩的垂直位移情况如图11～图14所示。

图11S1线桥墩垂直位移云图（最大沉降0.46mm）

图12S1线桥桩垂直位移云图（最大沉降0.54mm）

图13科技城站站房垂直位移云图（最大沉降0.90mm）

图14科技城站站房桩垂直位移云图（最大沉降1mm）

从图11～图14可知，D#基坑地下室顶板施工完毕，最大竖向变形桥墩为19#墩，桥墩最大沉降为0.46mm，桩基最大沉降为0.54mm。

科技城站站房结构最大沉降为0.90mm，即从基坑开挖到坑底至顶板施工完毕，基坑对周边的扰动变化较小。

4.4计算分析结果

地下室结构施工完毕后，S1线高架最大水平位移位于19#墩，其中墩顶最大水平位移为4.4mm，墩底最大水平位移为4.2mm，满足水平位移控制值5mm的要求；墩顶、底水平位移差0.2mm，墩台水平倾斜率0.02%（墩高取9m），满足墩台水平倾斜率0.43%的要求；最大沉降位于18#、19#墩，最大沉降为0.40mm，满足沉降控制值5mm的要求；相邻墩台最大沉降差出现在17#、18#桥墩之间，最大沉降差为0.1mm，满足沉降差控制值5mm的要求。

站房出现最大沉降1.0mm，满足温州市域铁路S1线站房最大沉降10mm的控制要求；站房出现的最大水平位移为5.2mm，满足温州市域铁路S1线站房最大沉降10mm的控制要求；站房出现最大差异沉降位于节点2与节点3之间，最大差异沉降为0.48mm，节点2与节点3之间间距约30m，满足相邻柱基差异沉降控制值0.0015L（L为节点间距）的要求。

由此可知，在瑶溪北单元11-A-15地块基坑开挖过程中，S1线高架和科技城站站房的变形安全可控。

5结语

本文根据邻近市域铁路高架桥及站房的深基坑工程项目，对基坑设计的安全性进行了较为全面的剖析。

通过总结，得出以下结论：

1）在邻近敏感建（构）筑物的基坑支护设计时，考虑“化整为零”，将敏感侧的大块基坑分成长条形的小块基坑切实可行，可以有效减小坑外变形量，保证安全。

2）在类似项目施工前，应对铁路轨道的现状进行实测，如铁路轨道的平顺性现状较差，考虑附加变化值后已不满足轨道平顺度的相关要求，则需要优化铁路轨道线形后再进行施工。

3）本文分析结果均为由于地块工程施工引起的S1线桥梁及S1线站房的附加变化值。

为能准确地反馈变形情况，建议在工程实施期间有计划地进行现场监测工作。