新建下沉廣場對鄰近既有軌道交通結構的變形控制研究

鄢玉鑫,韋良文,2,黃翰霄

(1.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074;2.重慶交通大學 省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室,重慶 400074)

21世紀以來,隨著經濟的快速發展和城市化進程的加快,產生了人口膨脹、交通堵塞、城市用地改造困難等一系列的城市綜合征。為了保證國家和城市的可持續發展,解決出行問題、用地問題,合理的開發與利用城市地下空間成為城市持續穩定發展的必經途徑[1]。然而隨著城市軌道交通網絡的不斷完善,許多市政工程的建設必然對鄰近交通結構的安全及穩定造成影響[2]。

國內外學者圍繞鄰近地下結構物的相互影響做了許多工作。周智海[3]對擬建市政道路對既有城市軌道交通的影響進行研究,借助有限元軟件分別在建設和運營這兩個時期的工況下對既有區間隧道典型斷面做了分析計算。宋曉鳳等[4]以基坑側土體與隧道水平凈距、基坑支護方式等因素的改變為著力點進行探究,研究深基坑開挖對近距離既有地鐵隧道及軌道結構的影響規律。范燕波等[5]通過開展三維有限元數值分析,研究深基坑開挖范圍和接頭處管片剛度等因素下臥隧道變形的影響,最后以土工離心模型試驗來論證模型和結果的合理性。黃河[6]等通過二維及三維空間有限元模型進行應力變形分析來評估鄰近基坑側區間隧道結構影響,并通過結構抗裂驗算結果對比驗證。林平等[7]發現寧波地鐵線路某盾構區間受鄰近基坑開挖影響產生整體沉降接近40 mm,水平位移超過30 mm,超過規定±10 mm的控制標準。Chang等[8]發現隧道混凝土襯砌在相鄰基坑開挖時產生較多裂縫,且隧道底部的混凝土板有錯位現象。針對以上問題,以重慶市中央公園下沉廣場的修建作為工程背景,運用有限元軟件Midas GTS對鄰近既有軌道10號線的交通結構影響進行分析研究。

1 工程概況

1.1 地質情況

新建下沉廣場地處城市地域,人類工程活動頻繁,高挖低填,原地形地貌已基本改變。場地土層有第四系全新統人工填土(Q4ml)及殘坡積粉質黏土(Q4el+dl),下伏基巖為侏羅系中統新田溝組地層。場地基巖層為砂巖、泥巖、泥質砂巖及砂質泥巖,其中砂巖、泥巖為主要巖層,局部泥巖含砂質較重或砂巖含泥質較重。區域地下水主要為大氣降水和地下管網滲漏補給,水量較為適宜。參照地質勘察結果,巖土物理力學參數取值如表1所示。

表1 巖土物理力學參數

1.2 工程概況

既有軌道交通10號線隧道位于項目擬建場北側,隧道呈東西走向,水平距離為28.10～34.04 m,可能受擬建項目影響的隧道里程號:ZK40+059.637～ZK40+151.327,總長約 91.69 m。軌道10號線中央公園西站為地下明挖車站,車站結構為地下2～3層兩柱三跨矩形框架結構。

新建中央公園下沉廣場與既有地鐵線路毗鄰,且部分位于既有軌道保護線范圍內。下沉廣場采用的基礎形式為嵌巖樁,基坑開挖深度為9～14.4 m,開挖采用放坡開挖+樁前旋噴注漿支護相結合?；臃牌缕侣什捎?：1.4～1：1.25放坡，坡面采用80 mm厚C20素噴砼。

圖1 重慶軌道10號線中央公園西站及其附屬結構斷面形式圖注：本圖采用黃海高程系，圖中高程單位為米(m)。

下沉廣場結構外邊線距既有軌道車站主體結構邊線最小水平距離30.6 m，人工挖孔樁樁基距離主體結構最小凈距為28.1 m，結構外邊線距軌道10號線出站口結構邊線最小水平距離5.0 m，人工挖孔樁樁基距離出站口結構最小凈距為2.5 m。結構外邊線距隧道主體結構邊線最小水平距離54.2 m，結構外邊線距既有軌道出站口結構邊線最小水平距離5 m，旋噴地基處理距隧道結構外邊線為30.9 m，為典型基坑鄰近既有軌道區間結構施工的情況。新建中央公園下沉廣場與既有軌道10號線平面位置關系及兩處典型斷面位置關系如圖2所示。

(a)ZK40+140.334斷面位置關系

2 有限元模型建立

2.1 模型材料力學參數

根據工程地質勘察報告及中央公園下沉廣場邊坡支護工程施工圖設計說明等資料，部分參數取不利值，模型材料力學參數如表2所示。

表2 模型材料力學參數

2.2 有限元模型建立

為分析新建下沉廣場項目施工及運營對車站及其附屬結構的影響，保證其處于結構變形可控范圍內，對模型范圍作出了一定的限定?？紤]10號線與擬建項目三維空間效應，建立三維模型的尺寸為100 m×99 m×80 m，以確保模型有足夠的計算精度并盡量減少收斂時間。有限元模型見圖3、圖4。

圖3 三維網格模型

圖4 三維實體模型

工況模擬時因本次僅考慮擬建下沉廣場建設對10號線車站及附屬結構變形影響，所以將下沉廣場上部結構按均布荷載施加于坑底處，此簡化不影響分析10號線車站結構變形，計算時將第三步進行清零。具體各施工階段順序如表3所示。

表3 工況

表4 受影響區間隧道變形數值

3 有限元結果分析

參照《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB 50911—2013)[9]，對軌道結構變形采用的評估指標如下：①結構水平位移及豎向位移≤10 mm；②軌道橫向高差≤±4 mm；③隧道徑向收斂≤10 mm。本次數值模擬過程著重于下沉廣場施工過程對鄰近既有軌道交通結構的變形控制研究[10]。

3.1 車站及附屬設施結構變形

3.1.1 鄰近斷面分析

(1)ZK40+140.334斷面?；娱_挖過程中，車站及其附屬結構最大橫向變形為4.64 mm，位于1號出入口靠近擬建項目側基礎樁右側；最大豎向變形為3.77 mm，位于1號出入口結構右上部?；A施作時車站及其附屬結構最大橫向變形為4.67 mm，位于1號出入口結構右側；最大豎向變形為3.74 mm，位于1號出入口結構右上部。施加上部結構荷載后車站及其附屬結構最大橫向變形為4.71 mm，位于1號出入口結構樁基右側中部；最大豎向變形為3.36 mm，位于1號出入口結構右上部。

(2)ZK40+122.212斷面?；娱_挖過程中，隧道襯砌及附屬結構最大橫向變形為3.54 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁中部；最大豎向變形為1.55 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁頂部?；A施作時隧道襯砌及附屬結構最大橫向變形為3.54 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁中部；最大豎向變形為1.55 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁頂部。施加上部結構荷載后隧道襯砌及附屬結構最大橫向變形為3.45 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁中部；最大豎向變形為1.56 mm，位于出入口靠近擬建項目側基礎樁頂部。

從橫向變形和豎向變形累計的量值來看，下沉廣場修建對鄰近車站及其附屬結構產生的變形影響稍多于鄰近區間隧道結構；從區間隧道結構軌道橫向高差及徑向收斂值來看，軌道橫向高差左線受影響較大，而徑向收斂值左線受影響較大。整體來說，結構的位移處于安全范圍之內。

3.1.2 三維模型分析

下沉廣場基坑開挖、基礎施作及施加上部結構荷載后對車站及附屬結構位移影響計算結果見表5。

表5 下沉廣場修建對既有軌道結構位移影響計算結果

總體來說，如圖5所示，車站及附屬結構經過下沉廣場基坑開挖、基礎施作及施加上部結構荷載工況后，其最大橫向變形和最大豎向變形均有所增加，但增加的趨勢較為平緩。1號出入口與下沉廣場基坑相距最近影響最大，最大橫向變形5.46 mm，最大豎向變形5.45 mm。車站主體與基坑相距最遠，影響最小，最大橫向變形2.33 mm，最大豎向變形0.19 mm。從不同工況車站及附屬結構變形情況分析知，基坑開挖土體卸載的過程會引起鄰近的車站主體結構及區間結構產生豎向上浮、水平朝向基坑開挖側的變形，而其位移峰值也基本發生在這一開挖土體卸載量最大的工序上。

(a)最大橫向變形

通過模型計算發現，下沉廣場的修建會引起既有隧道、車站及附屬結構的位移，但由于基坑處放坡開挖、旋噴注漿加固及懸臂樁支護等措施的施作，結構整體變形情況偏于穩定。相距最近處1號出入口的最大橫向變形與豎向變形相差不大，然而相距最遠處車站主體最大橫向變形與豎向變形有一定差距，說明既有結構變形對水平凈距較為敏感[4]。

3.1.3 小結

由上述分析可知：通過二維及三維數值計算，中央公園下沉廣場地塊項目建設及建成使用，引起已建軌道10號線中央公園車站及其附屬結構最大豎向及最大橫向變形均小于10 mm；仰拱豎向變形最大值為0.412 mm；且區間左線兩軌道橫向高差為0.041 mm，區間右線兩軌道橫向高差為0.020 mm，均小于2 mm。如表6所示，項目建設及建成使用對軌道結構造成的變形影響在變形可控范圍之內。

3.2 基坑與軌道結構水平凈距影響分析

進一步研究基坑開挖過程中既有結構變形對水平凈距敏感性及影響規律，選取不同工況分別進行數值模擬計算。

在隧道區間走向、車站及附屬結構形式、埋深、圍巖環境等均不改變的前提下，僅對軌道結構右側基坑水平凈距L進行調整，選取不同水平凈距5 m、10.94 m(工程原型)、16 m、22 m、28 m，計算斷面ZK40+140.334上隧道及軌道結構位移變化情況。

從圖6、圖7、圖8可看出，基坑與既有地鐵車站及附屬結構的水平凈距L逐漸增大時，車站及附屬結構的水平及豎向位移逐漸減小。并由計算結果可知，當基坑與車站結構水平凈距L取0.5～1H時，車站及附屬結構變形處于快速變化階段；當基坑與車站結構水平凈距L取H時，車站水平位移約為4.5 mm，豎向位移<3.5 mm，整體變形才處于偏于安全狀態；當基坑與車站結構水平凈距L取2H時，車站及附屬結構的水平變形和豎向變形趨于穩定[11]。

圖6 不同凈距條件下車站及附屬結構的水平位移

圖7 不同凈距條件下車站及附屬結構的豎向位移

圖8 不同凈距條件下車站及附屬結構的整體變形

因此，L=2H可視為基坑施工對鄰近軌道結構變形控制的臨界值，若水平凈距小于此臨界值，則工程建設過程中應做好監測量控，加強基坑周圍支護。

4 結論

以重慶市中央公園下沉廣場的修建作為工程背景，對鄰近既有軌道10號線的交通結構影響進行分析研究，得出以下結論：①基坑開挖土體卸載的過程會引起基底以下土體產生上浮的趨勢、基坑側方土體產生朝向基坑內側變形的趨勢，進而導致鄰近的車站主體結構及區間結構產生豎向上浮、水平朝向基坑開挖側的位移，其主要變形量值發生在這一階段。②既有地鐵的隧道區間、車站主體結構位移因新建結構施工而引起變化，經過數值模擬計算結果，下沉廣場建造全過程，其位移量較小且均處于變形可控范圍之內，既有地鐵結構呈現穩定安全狀態。③對軌道結構與右側基坑的水平凈距作為變量進行研究，發現當基坑與車站結構水平凈距L取2H時，車站及附屬結構的水平變形和豎向變形趨于穩定。L=2H可視為基坑施工對鄰近軌道結構變形控制的臨界值。