软土地区基坑施工对邻近地铁高架结构的影响分析

许 冠，安 然，成怡冲，吴才德，王洁栋

（浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315012）

0 引言

随着我国地下空间开发及城市轨道交通建设蓬勃发展，邻近轨道交通结构的基坑工程越来越多。轨道交通结构作为城市的生命线，由于其对土体变形十分敏感，因此基坑施工对邻近轨道交通结构的影响逐步引起重视，控制邻近地铁结构位移在合理范围内是基坑围护设计的重大难题。

学者对于基坑开挖对邻近地铁隧道影响的研究方法有解析法、半解析法及数值分析法等，由于边界条件、土体力学性质的复杂性，多采用数值分析法，目前对地铁隧道的研究已较深入。随着城市轨道交通向市郊不断扩展，地铁高架结构也越来越多，但基坑开挖对地铁高架结构的研究相对较少。

本文基于软土地区紧邻地铁高架结构的某基坑工程，利用有限元软件Midas/NX建立三维有限元数值模型，模拟基坑开挖对邻近地铁高架结构的影响，以评价基坑支护设计的合理性及地铁高架结构保护措施的有效性，并可为类似工程提供参考。

1 工程概况

宁波某下穿铁路通道工程起点位于五乡西街，终点位于规划一路。因自北向南下穿宁波港口铁路支线及轨道交通1号线，在K0+195—K0+345段设铁路框架和U形槽。U形槽宽17.5m，基坑开挖深度4.1～6.1m。U形槽南侧位置为现状河道，拟在南侧先进行箱涵开挖施工，箱涵施工完毕后河流改道，再回填现状河道。箱涵开挖面积478m2，基坑开挖深度为4.15m，箱涵基坑采用Ⅳ拉森钢板桩+型钢支撑的支护形式。

U形槽下穿宁波轨道交通1号线高架区间，该段高架区间为单柱下6桩承台基础，承台高2.5m，截面尺寸为1.15m×7.00m，桩基为1.5m钻孔灌注桩，桩长60m。U形槽结构外边线距离东侧承台为1.4～3.7m，距离西侧承台为2.0～3.9m。高架区间柱截面尺寸为2.8m×3.2m和3.0m×3.8m，区间梁为预应力混凝土简支双线箱梁，厚2m，截面宽度9.2m，跨度35m。

该段高架区间已通车运营，高架区间的变形关系到公共安全，因此该高架区间为本工程基坑施工阶段重点保护的对象。为控制高架区间变形，基坑围护结构采取以下加固措施。

1）U形槽基坑支护形式采用钻孔灌注桩结合1道混凝土支撑的形式，基坑平面支护体系采用对撑结合小角撑。

4）U形槽底采用水泥搅拌桩作为地基处理桩基，水泥搅拌桩桩径为500mm，桩顶标高为U形槽底板底标高，桩长10m，梅花形布置。U形槽段总平面如图1所示。

图1 U形槽段总平面

2 有限元模型

2.1 基本假定

借助Midas/NX有限元计算程序，对基坑开挖各施工工况进行模拟，以分析支护结构与土体在各工况下的变形情况。计算中进行如下假定：土层及围护体为连续、均质、各向同性材料；土体为弹塑性材料，采用HS模型模拟；支护结构及隧道衬砌均为线弹性材料；初始应力仅考虑土体自重，忽略构造应力。

2.2 建立模型

根据已有经验及相关研究成果，基坑分析范围边线距离基坑边的距离为3H～5H（H为基坑开挖深度）。在上述前提下，结合本项目基坑周边环境情况，确定三维数值模拟分析的对象尺寸。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边约束水平位移，顶部边界自由。有限元模型如图2所示，土层和支护结构参数如表1，2所示。

图2 基坑支护结构和轨道交通结构模型

表1 土层计算参数

表2 支护结构参数

2.3 模拟步骤

模拟步骤根据设计要求设置，步骤如下：初始应力场计算→形成河道（位移清零）→高架桩基础及高架结构施工（位移清零）→铁路框架施工（位移清零）→围护桩施工（位移清零）→箱涵第1次开挖→箱涵第2次开挖→箱涵拆除支撑→箱涵顶板施工→河道回填→U形槽第1次开挖→U形槽第2次开挖→U形槽拆除支撑→初始应力场计算→形成河道→高架桩基础及高架结构施工→铁路框架施工。

3 模拟分析结果

3.1 高架桩基础位移

各工况下高架桩基础位移变化趋势如图3所示。箱涵开挖期间，高架桩基产生整体向西侧和南侧的水平位移，东西向水平位移最大值为0.6mm，南北向为1.7mm；竖向位移以沉降为主，最大竖向位移为-1.7mm。

图3 高架桩基础位移最大值变化趋势

河道回填期间，西侧桩基东西向水平位移仍表现为向西侧位移，但东侧桩基表现为向东侧位移；南北向水平位移在桩顶和承台表现为向南侧位移，但桩基中部表现为向北侧位移，即桩顶和桩身位移反向；竖向位移以沉降为主，最大竖向位移为-1.7mm。

U形槽开挖期间，桩基表现为向基坑开挖方向位移，水平位移以东西向为主。东西向水平位移有较大增长，而南北向水平位移略有下降。桩基竖向位移在靠近基坑位置表现为隆起，隆起最大值为1.9mm；在远离基坑位置表现为沉降。

受基坑开挖及河道回填影响，高架桩基产生向西、向南侧的水平位移，东西向最大水平位移为3.4mm，南北向最大水平位移为3.0mm，分别发生在U形槽基坑开挖和河道回填期间。最大沉降为1.7mm，发生在箱涵基坑开挖期间；最大隆起为1.4mm，发生在U形槽基坑开挖期间。

3.2 高架结构位移

各工况下高架桩基础位移变化趋势如图4所示。箱涵开挖期间，高架结构产生整体向西侧和南侧的水平位移，东西向水平位移最大值为0.4mm，南北向为1.1mm；竖向位移以沉降为主，最大竖向位移为-0.2mm。

图4 高架结构位移最大值变化趋势

河道回填期间，高架结构仍表现为整体向西侧和南侧的水平位移，东西向水平位移最大值为0.8mm，南北向为3.6mm；竖向位移以沉降为主，最大竖向位移为-1.2mm。河道回填期间，高架结构无论是水平位移还是竖向位移仍产生了较大幅度的增长。

U形槽开挖期间，西侧高架结构柱下部表现为向东侧的位移，但其他部位结构整体仍表现为向西侧和南侧的水平位移，东西向水平位移最大值为1.4mm，南北向为3.8mm。结构竖向位移在靠近基坑位置表现为隆起，隆起最大值为1.1mm；在远离基坑位置表现为沉降。

受基坑开挖及河道回填影响，高架结构产生向西、向南侧的水平位移，东西向最大水平位移为1.4，南北向最大水平位移为3.8mm，均发生在U形槽基坑开挖期间。最大沉降为1.2mm，发生在河道回填期间；最大隆起为1.1mm，发生在U形槽基坑开挖期间。

高架结构最大水平及竖向位移均小于DB33/T 1139—2017《城市轨道交通结构安全保护技术规程》控制值。相邻柱基最大沉降差发生在河道回填期间，东侧两侧相邻柱基沉降差为3.1mm，西侧两个相邻柱基沉降差为1.9mm，均小于DB33/T 1139—2017控制值0.001L，即小于35mm。

4 结语

结合软土地区某邻近地铁高架结构的基坑工程，采用有限元方法评估基坑开挖对邻近地铁高架结构的影响。结果表明，随着基坑开挖的进行，地铁高架桩基础及高架结构水平位移逐渐增大，由于U形槽基坑距离高架结构很近，最终高架结构竖向位移表现为轻微隆起；通过适当增大支护桩桩径、增加支护桩桩长，可有效减小基坑施工对邻近高架结构的影响，最终地铁高架结构变形被控制在合理范围。