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

1、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

2、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136 472.00 m2，总建筑面积601 776.40 m2，其中地下室建筑面积67 597 m2。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750 mm，有效桩长73 m，单桩承载力特征值为3 050 kN。温州市域铁路S1线

3、一期工程线路全长53.507 km，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158 m，南北向长度约267 m，面积约39 528 m2，商业部分及住宅部分（2F）基坑开挖深度8.2510.33 m，住宅部分（1F）基坑开挖深度约5.15 m，商业部分北侧紧邻市域铁路S1线区域基坑开挖深度9.23 m，邻S1线侧基坑宽度为158 m，开挖边缘距离科技城站最近距离为11.1 m，距离S1线高架桥最近距离为22.5 m。地块工程基坑与S1线相对位置关系情况如图1所示。图1 11-A-15地块与S1线相对位置关系

4、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290 m190 m70 m（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

5、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198 326个单元，1 015 356个结构节点。所建立的三维模型如图3所示。图3 S1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

6、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16.2 mm，桥墩最大的水平位移为15.1 mm，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16.5 mm（最大变形点位于顶板伸缩缝处），车站桩基最大水平变形为20.8 mm。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1.4 mm，桥桩的沉降最大为1.5 mm，最大不均匀沉降为0.5 mm；受站房群桩效应

7、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1.3 mm。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15.2 mm，不满足最小水平控制值5 mm的要求；最大沉降变形发生在21#墩处，为1.4 mm，满足最小沉降控制值5 mm的要求；相邻桥墩沉降差为0.5 mm，满足相邻桥墩最小沉降差5 mm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

8、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/T 11392017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13分别称为C#基坑、D#基坑、B#基坑），如图4所示，

9、即原北侧基坑边线整体向南退让约21 m（退出保护区范围），退让空间内新增3个宽度约21 m、长度约50 m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

10、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0 m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15 m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#

11、、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Midas GTS NX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

12、，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290 m190 m70 m（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179 963个单元，908 938个结构节点。建立的三维模型如图5所示。图5 S1线桥梁、科技城站与11-A-

13、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

14、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2434，D#基坑开挖及地下室施工（重复步骤1323）。根据委托方提供

15、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1.0 m5-6。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

16、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18，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7 S1线桥墩Y方向水平位移云图（最大水平位移4.3 mm）图8 S1线桥桩Y方向水平位移云图（最大水平位移4.3 mm）图9 科技城站站房Y方向水平位移云图（最大水平位移5.2 mm）图10 科技城站站房桩Y方向水平位移云图（最大水平位移5.2 mm）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

17、水平位移为4.3 mm，桩基最大的水平位移为4.3 mm。科技城站站房结构最大水平位移为5.2 mm（最大变形位于顶板伸缩缝位置），车站桩基最大水平变形为5.2 mm（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11 S1线桥墩垂直位移云图（最大沉降0.46 mm）图12 S1线桥桩垂直位移云图（最大沉降0.54 mm）图13 科技城站站房垂直位移云图（最大沉降0.90 mm）图14 科技城站站房桩垂直

18、位移云图（最大沉降1 mm）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0.46 mm，桩基最大沉降为0.54 mm。科技城站站房结构最大沉降为0.90 mm，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4.4 mm，墩底最大水平位移为4.2 mm，满足水平位移控制值5 mm的要求；墩顶、底水平位移差0.2 mm，墩台水平倾斜率0.02%（墩高取9 m），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.

19、40 mm，满足沉降控制值5 mm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0.1 mm，满足沉降差控制值5 mm的要求。站房出现最大沉降1.0 mm，满足温州市域铁路S1线站房最大沉降10 mm的控制要求；站房出现的最大水平位移为5.2 mm，满足温州市域铁路S1线站房最大沉降10 mm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0.48 mm，节点2与节点3之间间距约30 m，满足相邻柱基差异沉降控制值0.001 5L（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。