長沙某商業開發基坑對緊鄰軌道交通高架車站影響研究

劉翔

長沙市軌道交通集團有限公司 湖南 長沙 410000

引言

據不完全統計分析（不含港澳臺）截止到2018年底，建設規劃起軌道交通線網絡的城市有63座。在建規劃線路長度，不包含處于運營階段的線路，總長為7611km。35個城市運營的軌道交通線路為185條，總長度為5761.4km，全年客運量約210.7億人次[2]。

隨著宏觀經濟進入新常態[3]，現代化建設已經從高速增長轉變為高質量發展階段，軌道交通發展也緊隨時代的步伐，各類TOD項目如雨后春筍，必然會有更多的臨近軌道交通的商業項目涌現。本文主要對長沙1號線高架站旁某商業項目開發基坑對既有運營高架站的影響進行了研究并評估。

1 項目概況

擬建某商業項目場地長364m，寬90m，場地分商業區和住宅區，商業區在場地北邊，兩層地下室，1棟超高層建筑，2棟高層建筑，2棟多層建筑。本工程緊鄰長沙軌道交通1號線某高架站及前后高架區間，其中主體部分的最大開挖深度約11m；與地鐵結構水平凈距最小處約8.7m。1號線于2016年6月開通運營。

緊鄰地鐵的支護結構采用雙排樁支護，樁頂設置冠梁及連梁，樁間土防護采用?8@200×200掛網，80mm厚C20噴射砼護面。雙排樁中間填土采用?50 PVC注漿管注漿加固，注漿管間距500×600，底部進入粉質黏土不小于500mm。

2 研究的目的和意義

長沙軌道交通1號線，作為該城市建成運營的第2條地鐵線路。起點為開福區政府站，大約以南北走向，途經長沙市開福區、芙蓉區、天心區和雨花區，終點為尚雙塘站。2019年，1號線全年客運量11763.3萬人次，最高單日線路客運量為2019年5月1日的43.64萬人次。自2016年開通以來，整體運營安全情況良好，維護好1號線的結構和運營安全，是確保長沙幾十萬市民出行安全的重要保證。

復雜的周邊環境對該工程的基坑圍護設計和施工提出了很高的要求。再加上，工程開挖基坑深度與面積要求較大，需對基坑引發的土層位移、市政管線以及軌道交通設施影響進行嚴格控制。該工程建設緊鄰1號線高架站及前后區間，對1號線高架車站及橋梁結構和運營秩序會產生一定影響，因此有必要在施工前開展安全評價研究，慎重考慮施工的影響，以確保軌道交通1號線運營的安全。

3 影響評價研究

3.1 有限元模型簡介

分布開挖基坑作業，處于動態土體與支護結構相互作用的復雜交互狀態。采用常規豎向彈性地基梁法，無法對基坑變形問題進行預測控制。為此，工程建設者運用有限元與有限差分影響的數值分析法，對基坑支護結構與土體相互作用進行控制，以降低復雜施工因素所帶的負面影響。成功通過土體模擬與基坑支護結構的變形特性，來提高基坑工程建設運行的可靠性。

受工程基坑與車站結構復雜性的影響，增加了數值計算過程幾何模型構建的難度。經驗證，PLAXIS，作為地下工程專業有限元軟件，能夠有效提高建模便捷性同時，保證計算結果獲取準確性。故本文選擇采用PLAXIS來對基坑開挖進行模擬分析。模擬基坑開挖的工況步驟如下表所示，本構模型采用HS模型。

表1 PLAXIS模擬基坑開挖施工步驟

3.2 基坑斷面設計及模型建立

基坑斷面設計采用1000@2000雙排懸臂樁，雙排樁中心距為3m，基坑深約10.1m，排樁嵌固深度為6.5m?；舆吘嚯x地鐵1、2號出入口約8.7m，距離主體樁基約27.4m，高架車站及附屬均采用樁基礎。

對于基坑開挖范圍，應依次為素填土、粉質黏土、強風化粉質黏土、中分化粉質黏土。素填土主要成分系黏性土，局部夾雜碎巖塊、建筑垃圾等，尚未完成自重固結，工程力學性質差；粉質黏土可塑～硬塑，韌性中等，干強度中等；強風化泥質粉砂巖極軟巖，極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級；中風化泥質粉砂巖較完整，屬軟巖，巖體基本質量等級為Ⅳ級。各層巖土的參數如下表所示。

表2 巖土參數表

建立的有限元模型如下圖：

圖1 Plaxis有限元模型

3.3 計算結果及其影響分析

實際建設過程，基坑圍護結構會朝著坑內進行側向位移。經分析，與地應力釋放且重新分布有關，不僅會引發地鐵結構出現側移，還會在開挖基坑過程中對基坑周邊與坑底土體造成卸載影響。此問題狀態，基坑底部隆起且發生側向位移，就會導致地鐵車站結構的位移與內力變化。其位移變化如下圖所示：

圖2 模型側向位移DX（開挖到底）

圖3 模型豎向位移DY（開挖到底）

圖4 模型位移DXY（開挖到底）

根據計算結果，模型整體最大側向位移為8.2mm，最大豎向位移為8.3mm，總位移最大值為10.8mm，極值在基坑邊上。

基坑開挖對車站附屬樁基礎最大位移為2mm，對車站主體樁基礎最大位移影響值在2mm以內。

基坑開挖過程中，引起地鐵車站的結構變形量及其預警值、控制標準如下表所示：

表3 地鐵車站結構變形表（mm）

4 研究結論

根據上述研究結果，施工條件正常，只要按照設計要求的工況進行設計計算，就可對基坑自身變形與環境保護等級是否一致問題進行判斷。結果表明，即使同時基坑開挖導致的相鄰地鐵車站結構變形存在一定影響，結構安全與運行使用仍在既定要求范圍內。

本次評估研究表明，在長沙地區類似地層中，基坑開挖深度10m左右的臨近軌道交通的基坑采用雙排樁是可以滿足地鐵保護要求的。

此次評估研究得出以下結論：

1）基坑施工存在卸荷效應，即開挖使得基坑樁基周邊土體位移。再加上，土體變形傳遞效應影響，高架車站樁基存在沉降與水平位移問題。產生一定的沉降和水平位移。

2）有限元計算結果分析表明，本商業項目基坑開挖作業雖然對車站結構造成了沉降與位移影響，但指數數值均在變形控制規范標準以內，符合地鐵保護要求的標準。

3）本工程應重點控制圍護樁成孔及土方開挖施工過程，嚴格控制施工工藝及相關參數，不應采用沖孔工藝成樁。

4）施工做好地面超載與堆載控制，地面施工荷載宜小于20kPa。工程施工前，應制定好切實可行、可操作性強、可實施的應急預案，以防突發事故，相應的應急物資應切實到位。