地鐵車站基坑開挖對鄰近鐵路路基段的影響分析

方 眠

（中鐵上海設計院集團有限公司,上海 200070）

0 引言

隨著我國城市軌道交通建設的快速發展，大量地鐵建設的出現使得基坑工程設計顯得越來越重要。由于地鐵大部分都在市區施工，常常在城市中心地段，周邊管線、建筑物、交通路網等密集交錯，環境復雜，因此在進行基坑設計時，新建基坑施工必須考慮對周邊建構筑物的影響[1]，防止因基坑土體開挖卸荷導致基坑變形過大，周邊土體沉降，進而影響周邊環境安全[2]。尤其是在鄰近既有鐵路進行深基坑開挖的時候，由于鐵路列車動載大，運行速度快，基坑周邊土體沉降使鋼軌之間可能產生差異沉降，列車對沉降、水平變形等十分敏感，當差異沉降過大時，可能對列車的安全運營造成影響，造成嚴重的經濟損失和不良的社會影響。因此對鄰近鐵路的深基坑施工變形控制要求較高，此類地鐵車站基坑施工對鄰近鐵路的影響研究就顯得尤為重要[3]。

該文以南昌市軌道交通3號線上沙溝站作為研究對象，通過有限元軟件Midas/GTS建立模型，對地鐵車站深基坑開挖全過程進行模擬，計算出周邊土體、基坑、鐵路路基變形，并提出相應控制變形的保護措施和建議，對類似鄰近鐵路項目提供一定的參考。

1 工程概況

擬建項目上沙溝站是江西省南昌市軌道交通3號線的一個中間換乘車站，位于二七北路北側，沿東西向并行地下埋設，采用明挖順筑法施工，為二層雙柱三跨島式車站，車站全長511.6 m，平均基坑深度約為16.8 m?；颖眰葹榧扔凶≌?，南側為江邊客車存放場走行線。鐵路中心線距離車站西端頭井基坑外皮最近6.75 m，距離標準段基坑外皮最近6.92 m，距離東端頭井基坑外皮最近6.42 m，位于鐵路安全保護區范圍內，是車站基坑施工過程中的主要風險源。江邊客車存放場走行線為單線鐵路，道床結構為碎石道床，木制軌枕。

車站主體圍護結構采用800 mm厚地下連續墻和三道內支撐支護結構。地下連續墻深度約24 m，進入中風化不透水巖層不少于1 m。三道內支撐由上至下依次為：第一道鋼筋混凝土支撐（800 mm×1 000 mm）、兩道鋼支撐（609，壁厚t=16 mm），在東西端頭井處增加一道換撐（609，壁厚t=16 mm）。同時，為了有效控制既有鐵路軌枕變形和沉降，在地下連續墻與鐵路之間設置一排隔離樁進行鐵路隔離加固，隔離樁采用800 mm鉆孔灌注樁，緊貼著基坑地下連續墻敷設。既有鐵路與地鐵車站位置關系詳見圖1。

圖1 位置關系平面圖

根據現場勘查，現場地面標高介于15.28～20.41 m之間，大多在20.0 m左右，現場地勢局部稍有起伏，土層自上而下依次為雜填土、粉質黏土、中砂、礫砂、圓礫、泥質粉砂巖及鈣質泥巖。其參數詳見表1。

表1 數值模擬計算巖土力學參數

2 施工過程數值模擬分析

2.1 模型建立

根據該項目實際情況和現場實際地質條件，將土層簡化為水平層狀分布的連續材料，采用有限元軟件Midas/GTS對該工程進行數值模擬分析。土層采用修正莫爾－庫侖彈塑性模型，用實體單元模擬土體，基坑圍護結構、車站樓板采用板單元模擬，基坑支護的內支撐、冠梁采用彈性模型[4]。模型的邊界條件為前后左右面均施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由[5]。鐵路列車荷載按照《鐵路路基設計規范》選取，該工程施加荷載60.1 kPa。根據上沙溝站主體圍護結構與鄰近鐵路的平面位置關系，以及現場實際距離和結構尺寸，建立一個180 m×100 m×40 m（X×Y×Z）的幾何模型，在該范圍內通過激活和鈍化基坑內的土層單元模擬施工工況，并計算各工況下土層位移和周邊變形。三維計算模型見圖2。新建地鐵車站與既有鐵路的計算模型詳見圖3。

圖2 三維計算模型

圖3 圍護結構計算模型圖

根據地鐵基坑開挖的施工步序，對模型進行了簡化拆分，劃分為9個計算工況，重點分析鄰近鐵路路基變形，經簡化后列舉如表2所示。

表2 輸入施工工況

2.2 計算結果分析

當基坑開挖至底層時，周邊土體和鐵路位移變形計算結果詳見圖4～6。

圖4 豎向位移云圖

從實施過程角度分析，隨著車站基坑開挖過程中，各結構變形如下：

（1）基坑南北兩側地下連續墻變形呈不對稱趨勢。南側地連墻變形計算值為4.48 mm，北側約為4 mm。

（2）坑底隆起最大值發生于架設第二道支撐之前，計算值約為9 mm。

（3）隔離樁對隔離地面沉降及側向變形有一定的效果。

（4）軌面最大水平位移1.55 mm，最大沉降量為1.08 mm，呈均勻化趨勢。最大軌向位移0.211 mm位于隔離樁邊緣。在隔離樁的保護下軌道沉降及變形基本可控。

3 結論及建議

該文根據設計加固方案和基礎資料對南昌軌道交通3號線鄰近江邊貨場走行線路基段展開了安全影響評估，計算得到鐵路出入線產生的絕對沉降約為2.5 mm，表明經過鉆孔樁加固隔離后，基坑在可控的動態施工保護下基本可以保障鐵路運營安全，加固設計方案基本可行，在施工工藝滿足設計及規范要求的前提下基本可保證鐵路在限速狀態下的運營安全。由此提出如下細化建議：

圖5 水平向位移云圖

圖6 端頭井端墻位移云圖

（1）線路軌道靜態幾何尺寸容許偏差管理值采用υmax≤120 km/h正線及到發線相關標準，具體數值參見相關附表。

（2）設計方案選用的加固工法為鉆孔灌注樁，考慮到成樁需穿透地表一定厚度的填土層，建議適當考慮填土層加固以降低填土層鉆孔塌槽的可能性。另外，由于鉆孔樁樁架高度大于鐵路凈距，建議在施工前編制完善的樁架防倒方案，避免倒塌對鐵路的影響。

（3）建議選取沉降控制指標的40%和70%作為預警值和報警值，達到預警值后即可著手對道床實施扳道墊渣；達到報警值后應立即進行地層跟蹤注漿補償沉降。

（4）為了預防部分區域突發性不均勻沉降的情況，地面可適當考慮線上加固的可能性。線上加固啟動標準可根據鐵路產權方的相關要求及監測數據決定。線上加固主要分為軌束梁扣軌加固、橫挑縱抬梁加固、組合鋼便梁加固這三類，后續階段可根據實際現場的可實施性及整體造價等因素綜合選擇。

（5）由于車站大里程端部分區間隧道在鐵路安全影響范圍內，建議車站隔離加固措施按照隧道結構外邊線凈距8 m為針對區間隧道的保護范圍并進行隔離（即隔離樁過車站端頭墻后繼續向兩邊延伸20 m左右的距離），同時車站與區間的隔離樁一并設計、施工，以保障鐵路安全。