緊鄰既有地鐵高架橋梁深基坑施工開(kāi)挖方案研究

唐鵬

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 華南公司,廣東 深圳 518052)

隨著城市地下空間資源的大量開(kāi)發(fā)利用,建設(shè)工程逐步向深基坑、大規(guī)模、復(fù)雜化趨勢(shì)發(fā)展。復(fù)雜環(huán)境下深大基坑工程施工中,鄰近深大基坑工程的周邊建(構(gòu))筑物安全是一個(gè)研究熱點(diǎn),深大基坑自身變形控制、地層預(yù)加固措施等是重要研究方向,選用新型機(jī)械設(shè)備、優(yōu)化支護(hù)體系是控制基坑及周邊地層變形的重要手段。該文采用MIDAS/GTS有限元軟件,針對(duì)深圳地鐵大運(yùn)樞紐站基坑工程建立三維數(shù)值模型,分析比較整體開(kāi)挖和分部開(kāi)挖工況下深大基坑施工對(duì)既有高架橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響,并選用合理可靠的機(jī)械設(shè)備及支護(hù)體系提高施工質(zhì)量,減小對(duì)既有橋梁結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

深圳市大運(yùn)城市綜合交通樞紐地處龍崗區(qū)大運(yùn)新城片區(qū),車站位于龍崗大道與龍飛大道交叉口西南側(cè),沿龍崗大道西側(cè)呈南北向布置。該站為14、16號(hào)線同臺(tái)同向換乘、地下3層雙島四線車站,全長(zhǎng)372 m；車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬62.1 m,深25.5 m；基坑?xùn)|側(cè)緊鄰既有地鐵3號(hào)線高架車站及區(qū)間承臺(tái)樁基,車站主體結(jié)構(gòu)外輪廓與承臺(tái)樁基水平凈距為3.6～5.6 m。為完善大運(yùn)新城片區(qū)路網(wǎng)結(jié)構(gòu),縫合城市空間,優(yōu)化龍崗大道兩側(cè)慢行系統(tǒng),將大運(yùn)樞紐片區(qū)范圍內(nèi)的龍崗大道下沉,以分離過(guò)境交通。龍崗大道下沉隧道為單向三車道,寬15 m,內(nèi)部?jī)舾? m；西側(cè)下沉隧道與14、16號(hào)線車站平面共通道,位于車站負(fù)二層標(biāo)高,該部分下沉隧道與車站主體結(jié)構(gòu)合建,剩余部分獨(dú)立建設(shè)(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 大運(yùn)樞紐站、西側(cè)下沉隧道與高架橋梁橫剖面(單位：m)

圖2 大運(yùn)樞紐站與龍崗大道下沉工程平面布置(單位：m)

受車站周邊建(構(gòu))筑物征拆制約,車站僅小里程盾構(gòu)始發(fā)段(67 m)可先期施工。為預(yù)留后期龍崗大道下沉道路實(shí)施條件,車站需同期施作75 m長(zhǎng)龍崗大道下沉隧道(近車站端),確保后建工程施工期間對(duì)14號(hào)線荷坳—大運(yùn)高架區(qū)間結(jié)構(gòu)的干擾在可控范圍內(nèi),滿足工程安全性要求(見(jiàn)圖3)。

圖3 基坑工程平面示意圖(單位：m)

車站小里程端基坑地層條件較差,從上至下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層(厚4.0～6.0 m),基底為粉質(zhì)黏土或全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖。既有3號(hào)線荷坳—大運(yùn)高架區(qū)間承臺(tái)樁基為端承摩擦樁,樁徑1.5或1.2 m,樁長(zhǎng)32.8～45.0 m,地層從上到下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、全～強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

綜合考慮明挖基坑規(guī)模、周邊環(huán)境、地質(zhì)及水文條件、施工安全、投資、工期等因素,明挖基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.5 m、間距1.15 m全葷咬合樁,基坑南側(cè)、西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.2 m、間距0.9 m葷素咬合樁,北側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.2 m、間距1.5 m鉆孔灌注樁,樁間采用直徑0.8 m、間距1.5 m旋噴樁止水；樁長(zhǎng)32.5～34.5 m,嵌入底板以下7.0～9.0 m。

2 基坑開(kāi)挖工況

大運(yùn)樞紐站小里程端與16號(hào)線折返線區(qū)間、14號(hào)線坳背—大運(yùn)區(qū)間、龍崗大道下沉隧道相接,結(jié)合線路中心間距、埋深及周邊環(huán)境等因素,16號(hào)線折返線區(qū)間采用明挖法施工,14號(hào)線坳背—大運(yùn)區(qū)間采用盾構(gòu)法施工,同期建設(shè)的龍崗大道下沉隧道采用明挖法施工。按照軌道交通14號(hào)線全線工籌安排,大運(yùn)樞紐站為坳背—大運(yùn)區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)站,提供盾構(gòu)雙始發(fā)條件,故車站小里程端基坑與龍崗大道下沉隧道同期建設(shè)段明挖基坑同步實(shí)施。根據(jù)《地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》中運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)范圍,大運(yùn)樞紐站主體基坑位于既有地鐵3號(hào)線及兩側(cè)高架區(qū)間安全保護(hù)范圍,基坑開(kāi)挖的重點(diǎn)和難點(diǎn)是控制變形。選取以下兩種基坑開(kāi)挖工況,分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)、既有高架橋梁的變形特性：

(1)整體開(kāi)挖工況。車站小里程端盾構(gòu)始發(fā)段(負(fù)三層)與16號(hào)線折返線區(qū)間(負(fù)三層)、龍崗大道下沉隧道同期建設(shè)段(負(fù)二層)并為一個(gè)基坑進(jìn)行整體施工。車站基坑豎向設(shè)置4道鋼筋砼桁架支撐,支撐水平間距6.0 m,車站基坑中間設(shè)置3根臨時(shí)鋼立柱；區(qū)間基坑豎向設(shè)置2道鋼筋砼桁架支撐,折返線區(qū)間局部增設(shè)第3道鋼支撐,砼支撐水平間距6.0 m,鋼支撐水平間距3.0 m,區(qū)間基坑中間設(shè)置2根臨時(shí)鋼立柱(見(jiàn)圖4)。

圖4 基坑整體開(kāi)挖范圍示意圖

(2)分部開(kāi)挖工況。車站小里程端盾構(gòu)始發(fā)段(負(fù)三層)與龍崗大道下沉隧道同期建設(shè)段(負(fù)二層)并為一個(gè)基坑進(jìn)行整體施工,隨后施作16號(hào)線折返線區(qū)間(負(fù)三層)。車站基坑豎向設(shè)置4道鋼筋砼桁架支撐,支撐水平間距6.0 m,車站基坑中間設(shè)置3根臨時(shí)鋼立柱；下沉隧道基坑豎向設(shè)置2道鋼筋砼桁架支撐,砼支撐水平間距6.0 m；折返線區(qū)間基坑豎向設(shè)置2道鋼筋砼桁架支撐＋1道鋼支撐,砼支撐水平間距6.0 m,鋼支撐水平間距3.0 m(見(jiàn)圖5)。

圖5 基坑分部開(kāi)挖范圍示意圖

3 有限元數(shù)值分析

對(duì)車站盾構(gòu)始發(fā)段、下沉隧道、折返線區(qū)間基坑采用MIDAS GTS有限元軟件建立三維模型,對(duì)兩種開(kāi)挖工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及高架橋梁結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析。

3.1 有限元數(shù)值模型

基坑全長(zhǎng)142 m,形狀異形,基坑四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度不一致,需按照整體空間問(wèn)題進(jìn)行考慮。為考慮三維空間中結(jié)構(gòu)和土體之間的相互作用,基坑橫向、縱向均取2.5倍基坑深度,模型寬度取400 m,長(zhǎng)度取850 m,深度取80 m(見(jiàn)圖6)。土層本構(gòu)采用修正摩爾－庫(kù)倫模型,結(jié)構(gòu)采用彈性模型,模型側(cè)面施加法向約束,底部設(shè)置為固結(jié)。

圖6 基坑施工數(shù)值分析計(jì)算本構(gòu)模型

模型中土體采用實(shí)體單元；圍護(hù)結(jié)構(gòu)咬合樁等效成墻厚,采用板單元模擬；橋樁、墩柱、軌道結(jié)構(gòu)及基坑支撐、冠梁、腰梁采用梁?jiǎn)卧M；橋梁承臺(tái)結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元模擬。支護(hù)體系及橋梁結(jié)構(gòu)有限元模擬見(jiàn)圖7。

圖7 基坑與高架橋梁數(shù)值分析計(jì)算本構(gòu)模型

3.2 模型地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司發(fā)布的《深圳市城市軌道交通14號(hào)線工程詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告》提供的巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學(xué)指標(biāo)建議值,結(jié)合工程實(shí)際情況并進(jìn)行其他工程類比,對(duì)計(jì)算中涉及的巖土體與結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行取值(見(jiàn)表1、表2)。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 基坑周邊土層位移

如圖8所示,整體開(kāi)挖、分部開(kāi)挖工況下,近高架橋梁側(cè)土層最大沉降分別為5.54、7.44 mm。土層沉降最大值均出現(xiàn)在高架橋梁承臺(tái)四周,呈口字形分布。由于分部開(kāi)挖對(duì)土層的二次擾動(dòng),土層位移在疊加效應(yīng)作用下普遍較大。但兩種工況下土層沉降值均在變形控制范圍內(nèi)。

4.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

如圖9所示,整體開(kāi)挖、分部開(kāi)挖工況下,近高架橋梁側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為5.76、7.04 mm。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形出現(xiàn)在第三道支撐(0.5H～0.7H)上下,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形整體呈現(xiàn)“中凸”趨勢(shì)。兩種工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均較小,在《深圳市基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》允許范圍內(nèi)。

圖8 基坑施工引起的地層沉降位移云圖(單位：m)

圖9 基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖(單位：m)

4.3 高架橋梁樁基及軌面變形

如圖10～12所示,整體開(kāi)挖工況下,高架橋梁承臺(tái)最大沉降為3.5 mm、最大水平位移為1.5 mm,樁基最大沉降為4.3 mm、最大水平位移為3.2 mm,3號(hào)線軌面最大沉降為1.3 mm；分部開(kāi)挖工況下,高架橋梁承臺(tái)最大沉降為4.3 mm、最大水平位移為2.8 mm,樁基最大沉降為5.8 mm、最大水平位移為4.1 mm,3號(hào)線軌面最大沉降為2.3 mm。根據(jù)《地鐵運(yùn)營(yíng)安全保護(hù)區(qū)和建設(shè)規(guī)劃控制區(qū)工程管理辦法》中地鐵設(shè)施安全控制指標(biāo)要求,橋面、橋墩結(jié)構(gòu)水平、豎向位移控制值為5 mm,縱向每10 m軌道高低、軌向變形控制值為4 mm,兩種開(kāi)挖工況下既有結(jié)構(gòu)變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。但分部開(kāi)挖工況下結(jié)構(gòu)變形較大,不利于既有3號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全。

圖10 基坑施工引起的橋梁承臺(tái)及樁基豎向位移云圖(單位：m)

圖11 基坑施工引起的橋梁承臺(tái)及樁基水平位移云圖(單位：m)

圖12 基坑施工引起的橋梁軌道豎向位移云圖(單位：m)

兩種開(kāi)挖工況下基坑周邊土層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及既有結(jié)構(gòu)變形見(jiàn)表3。

表3 基坑兩種開(kāi)挖工況優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

綜合考慮場(chǎng)地條件、道路交通疏解、管線遷改、工程投資等因素,基坑整體開(kāi)挖工況更合理,有利于既有地鐵線路的運(yùn)營(yíng)安全。

5 主要控制措施

(1)施工設(shè)備選型。根據(jù)深圳地鐵安全運(yùn)營(yíng)相關(guān)辦法和規(guī)定,鄰近地鐵線路的工程項(xiàng)目,施工設(shè)備起降高度均不能高于橋面,以免影響列車行車視線造成緊急停車,引發(fā)乘客及行車安全；同時(shí)既有高架橋梁基礎(chǔ)為端承摩擦樁,對(duì)地層較敏感。為減小近高架橋梁側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)成樁對(duì)周邊地層的擾動(dòng),并滿足低凈空成樁場(chǎng)地條件,選用施工噪音小、無(wú)震動(dòng)、安全性高、垂直度易保證、施工工效高的全套管全回旋鉆機(jī),其高度僅2.8 m。

(2)加強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)。深大基坑開(kāi)挖引起的自身變形是工程控制重點(diǎn)和難點(diǎn)。為控制基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊土層變形,近高架橋梁側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑1.5 m、間距1.15 m全葷咬合樁(硬咬合),基坑內(nèi)支撐均采用砼支撐,提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)體系的剛度。

(3)預(yù)處理及信息化施工。1)在既有高架橋梁承臺(tái)四周埋設(shè)袖筏管,對(duì)承臺(tái)周邊土體進(jìn)行擠密注漿,水泥漿壓力控制在H/(100 MPa)；預(yù)留袖閥管進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償注漿,水泥漿壓力控制在(1～4)H/(100 MPa)。2)進(jìn)行信息化施工,加強(qiáng)施工期間主體基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的施工監(jiān)測(cè),同時(shí)在既有地鐵3號(hào)線結(jié)構(gòu)上布置沉降、位移及傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)軌面、軌距進(jìn)行監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖13、圖14)。

圖13 既有高架橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(高架車站)

圖14 既有高架橋梁自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(高架區(qū)間)

6 結(jié)語(yǔ)

鄰近地鐵線路的基坑工程施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及開(kāi)挖過(guò)程中的變形。在地鐵保護(hù)范圍內(nèi)的相鄰基坑工程,二次開(kāi)挖擾動(dòng)引起的累積疊加變形大于整體開(kāi)挖變形,不利于既有高架橋梁的運(yùn)營(yíng)安全?？稍诩扔懈呒軜蛄合路讲捎萌坠苋匦に囀┕o(hù)樁,滿足低凈空?qǐng)龅貤l件,同時(shí)應(yīng)用全套管設(shè)備降低對(duì)周邊地層的擾動(dòng)。