天津地铁某盖挖车站基坑邻近高架桥施工风险分析

天津地铁某盖挖车站基坑邻近高架桥施工风险分析

许芃

广州地铁设计研究院有限公司广东广州510030

摘要：本文利用MIDASGTS岩土分析有限元软件，建立了天津地铁某车站盖挖逆做法施工的换乘节点基坑邻近城市快速路高架桥桩的风险源分析模型，分析了车站施工过程中桥桩位移及周边地表沉降情况，并提出了风险控制措施。

1工程概况

该车站为地铁10号、8号线的换乘站，位于珠江道和解放南路交口西侧，沿珠江道东西向布置，为地下二层岛式站台车站。车站总长518m，标准段结构净宽21.3m，底板埋深约17.66m。同时，预留与8号线L形换乘的地下三层换乘节点。节点底板埋深24.236m。节点位于10号线车站东端头，沿解放南路南北向路西侧布置，路中为南珠桥。

换乘节点采用盖挖逆做法施工，其中顶板分南、北半幅施工。围护结构采用1.2m厚的地下连续墙，接头采用十字钢板。待负二层板施工结束下挖基坑过程中，需在负二层板至底板间架设一道混凝土支撑，保证负二层至底板间开挖过程的基坑安全。

2风险源描述

南珠桥为解放南路与珠江道节点的跨线桥，桥梁全长343.46m，结构形式为预应力混凝土连续箱梁桥，其中跨珠江道为一联三跨（30m+40m+30m），主线桥梁分上、下行双幅布置，两幅桥之间净距1.5m。

桥梁下部为桩基础，采用直径1m的钻孔灌注桩，桩长55m，上部承台为6桩承台，承台长边与换乘节点边墙夹0.62°。其中，换乘节点主要邻近5、6、7号墩及其承台。承台与地连墙间最小水平距离为8.34m（5号墩承台），桥桩与地连墙间最小水平距离为10.21m（5号墩左下角桩）。

车站施工过程中，土体的应力变化及变形将对桩基造成影响，使桩基产生空间位移变形，产生桩体附加弯矩及剪力，过大的内力及变形将影响桥梁的使用安全。因此，需对换乘节点实施方案进行安全性评估，并根据评估结果采取相应措施，以保证基坑施工过程中南珠桥的使用安全。

3工程地质概况

该车站围护结构穿越的土层主要是粉质粘土、粉土及粉砂层，表层为杂填土及淤泥质粉质粘土。对车站施工存在影响的地下水主要是潜水及第一、二层承压水层。其中，地下连续墙已隔断潜水层及第一、二层承压含水层。

4有限元模型介绍

4.1模型假设

本模型数值模拟是基于如下的假设和简化进行的：

（1）岩土单元本构模型采用修正莫尔•库仑模型，弹性模量可根据加载和卸载设置为不同的值。可以较好的模拟基坑开挖过程中的岩土变形问题；

（2）认为各土层呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性；

（3）顶板分幅开挖时的临时支挡结构—SMW桩，用同抗弯刚度的C35混凝土墙等效；

（4）盖挖车站的钢管混凝土柱用同抗压刚度的C35混凝土圆柱等效。

4.2单元选择

模型包含四部分：土体单元、车站围护结构单元、车站主体结构单元、桥桩单元。为消除模型边界效应，土体X轴方向边距取300m，Y方向边距取400m，Z方向边距取100m。

土体采用3D四面体单元。桥桩承台、主体结构板、墙及围护结构地连墙采用2D板单元，SMW桩等效为同抗弯刚度的混凝土墙，也采用2D板单元。钢筋混凝土冠梁、腰梁、混凝土支撑、车站各层梁采用1D梁单元。钢支撑采用1D桁架单元。车站钢管柱、钢管柱下桩、南珠桥桥桩采用1D植入式梁单元。

4.3边界条件及荷载

（1）边界条件

土顶面为自由面，不施加约束；土底面施加Z方向位移约束；剖到2层站断面的土体边界面施加横向位移约束（X向）以及另外两轴的转动约束（Y、Z轴）。

对车站桩及南珠桥桥桩的单元各节点施加绕Z轴转动约束。

（2）荷载条件

荷载包括土体及结构自重、南珠桥承台表面附加桥梁荷载（等效为均布压力，220kPa）及基坑周边土表面超载（20kPa）。计算中忽略构造应力，将初始应力场假定为自重应力场，同时将土体视为弹塑性连续体，施工中产生的变形连续。

4.4分析步

计算采用施工阶段分析模式，模拟该典型盖挖逆做法车站施工过程中的围护结构施作、土体开挖、车站结构施做流程。

4.5对周边土体影响

由土体沉降云图可知，车站施工期间，二层站周边土体沉降较小，三层换乘节点周边土体沉降较明显，但最大沉降量均在20mm以内，满足一级基坑沉降控制值要求（S<0.10%H=0.001×27800=27.8mm）且距基坑水平距离在1.5倍基坑深度范围外的土体，沉降趋于不明显。

换乘节点周边地面沉降云图

通过沉降观测点数据可知，顶板开挖时，地表已完成大部分的沉降。一方面，顶板开挖时上道支撑为钢支撑，而下部开挖时上道支撑是已成形的轴向刚度极大的楼板，支撑刚度相差悬殊；另一方面，随着开挖深度的增加，下部围护结构的变形导致土体移位引起的地表沉降趋于不明显。

4.6对邻近南珠桥桥桩影响

南珠桥西半幅与东半幅为独立结构，其中西半幅桥邻近本站换乘节点，受车站基坑施工影响较大。因此，选择西半幅5~7轴墩台下的桩基础及承台为对象，分别研究相邻承台间纵向不均匀沉降、桩基沉降及水平位移变化。

（1）相邻承台间纵向不均匀沉降

5、6号墩承台最大差异沉降为4.5mm，会导致上部结构附加倾斜率为△h/L（L为墩中心距）=4.5/40000=0.113‰，6、7号墩承台最大差异沉降为6.1mm，会导致上部结构附加倾斜率为△h/L（L为墩中心距）=6.1/30000=0.203‰。

（2）桩基沉降及水平位移

将6桩承台的各桩按从左上角至右下角顺时针方向规则命名为A~F桩。并将5、6、7号墩台对应各桩在基坑开挖时的桩顶竖向位移和X向（移向车站基坑方向）位移列表如下。

1）桩顶竖向位移

5号墩桩顶竖向位移最大为10.1mm，发生在E桩。相邻桩间最大差异沉降为5.0mm，发生于C、D桩间，差异沉降与相邻桩间水平距离比λ=5/2800=1.8‰<2‰。

6号墩桩顶竖向位移最大为14mm，发生在C桩。相邻桩间最大差异沉降为5.2mm，发生于C、D桩间，差异沉降与相邻桩间水平距离比λ=5.2/2800=1.9‰<2‰。

7号墩桩顶竖向位移最大为9mm，发生在A桩。相邻桩间最大差异沉降为1.2mm，发生于A、B桩间，差异沉降与相邻桩间水平距离比λ=1.2/2800=0.4‰<2‰。

综上，各相邻桩基间差异沉降与相邻桩间水平距离比均小于2‰，满足《建筑地基基础设计规范》中对桩基础沉降的限制要求。

2）桩顶X向水平位移

5号墩桩顶X向水平位移最大为1.6mm，发生在E桩。相邻桩间最大桩顶水平位移差为3.3mm，发生于C、D桩间，水平位移差与相邻桩间水平距离比β=3.3/2800=1.2‰<2‰。

6号墩桩顶X向水平位移最大为6.8mm，发生在C桩。相邻桩间最大桩顶水平位移差为3.8mm，发生于C、D桩间，水平位移差与相邻桩间水平距离比β=3.8/2800=1.4‰<2‰。

7号墩桩顶X向水平位移最大为2.2mm，发生在A桩。相邻桩间最大桩顶水平位移差为2.0mm，发生于C、D桩间，水平位移差与相邻桩间水平距离比β=2.0/2800=0.7‰<2‰。

综上，各相邻桩基间水平位移差与相邻桩间水平距离比均小于2‰，不会在桩基及承台中产生影响桩基础安全的附加应力。

5结论及建议

5.1结论

通过分析，可得到以下结论：

（1）盖挖段施工时，基坑周边土体沉降值小于20mm，小于一级基坑限值，不会对基坑周边影响范围内的建构筑物及管线造成明显的不利影响。

（2）顶板开挖对周边土体沉降的影响最为明显。应在施工过程中，注意支撑及时架设，并按照设计提出的预加轴力要求，及时准确施加支撑预加轴力，保证周边土体变形在可控范围内。

（3）盖挖段施工时，南珠桥的桩基和承台的沉降及水平位移能够满足桥梁正常使用需要，不会产生明显的不利影响，但应注意，由于桥桩离基坑较近，且基坑安全与桥桩安全密切相关，应确保基坑施工过程中的支护结构稳定性及基坑隔水效果。

5.2建议

（1）施工前，宜对南珠桥的服役状况进行全面调查。如桥梁已出现病害，宜提前进行加固处理。同时，应认真梳理基坑影响范围内的市政管线资料，特别是承插式的雨污水管的空间位置、使用年限及服役状况。

（2）对邻近南珠桥深基坑施工，施工单位应编制专项施工方案及应急预案、基坑防洪防汛预控方案、专项的降水设计方案。

（3）采取在车站换乘节点东侧地连墙外侧提前施工800厚双轮铣深层搅拌水泥土地下连续墙（CSM工法）的保护措施，隔离地连墙成槽施工时对临近南珠桥桩基的土体扰动。

（4）施工过程中，若地连墙出现渗漏水点，或抽水试验中地连墙隔水封闭效果不明显，应采取切实有效的施工措施进行补漏或隔水帷幕修补。可采用地连墙接缝加固，并采用补偿性注浆等措施进行漏空点填充。