托柱轉(zhuǎn)換抗浮體系在基坑開挖近接城市地鐵軌道交通中的應用

蘇 波， 張逍瀟， 歐陽釗

(中國水利水電第十工程局有限公司， 四川成都 610072)

1 工程概況

錦城廣場綜合換乘服務中心項目是包含P+R(停車+換乘)地下停車場、公交樞紐、城市航站樓、出租車港灣站、配套商業(yè)、地面生態(tài)公園等功能為一體的綜合性建筑。項目位于成都市高新南區(qū)繞城高速以北，西接環(huán)球購物中心，東臨紅星路南延線，是目前成都市體現(xiàn)中優(yōu)戰(zhàn)略思想建設規(guī)模最大的城市地下空間開發(fā)項目。

項目占地面積約19ha，總建筑面積約27×104m2，近接成都軌道交通16、18、29號線三線換乘車站。錦城廣場綜合換乘服務中心項目緊鄰18號線錦城廣場站，基坑采用明挖法進行施工，基坑支護形式為排樁+錨索。南側(cè)基坑下穿18號線錦城廣場～世紀城盾構(gòu)區(qū)間，管片頂部距離錦城廣場項目基坑底豎向近距約8.6m。

根據(jù)中華人民共和國建設部令第140號 《城市軌道交通運營管理辦法》規(guī)定：在建或已建成線路地段距離地下軌道交通線路中心0～15m為嚴格控制區(qū)，15～50m為影響控制區(qū)；在建或已建成線路地段距離高架及地面軌道交通線路中心0～15m為嚴格控制區(qū)；15～30m為影響控制區(qū)；距離出入口、風亭、變電所等建筑物邊線外側(cè)10m以內(nèi)為嚴格控制區(qū)。

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑位于地鐵區(qū)間正上方，基坑范圍超過地鐵區(qū)間周邊外側(cè)50m范圍，屬于嚴格控制區(qū)[1]。

錦城廣場綜合換乘服務中心基坑在18號線錦城廣場—世紀城盾構(gòu)區(qū)間上方進行開挖卸載、加載等工程活動，卸載覆土厚度約為14～15m。土體的卸載、加載等地面活動可能造成18號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)隆起和下沉，變形過大將導致盾構(gòu)隧道觀片接頭漏水、結(jié)構(gòu)開裂等。為有效保護軌道交通18號線區(qū)間隧道，合理控制基坑施工對18號線的影響，需采用工程手段進行特殊處理[2](圖1)。

1.1 地質(zhì)情況

基坑開挖深度范圍內(nèi)主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>強風化泥巖、<5-1-3>中風化泥巖。錦城廣場項目基底位于卵石層、18號線錦城廣場—世紀城盾構(gòu)區(qū)間基底位于中風化泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀平緩，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整—完整，巖體屬含石膏地層，局部夾芒硝，局部巖體在地下水的作用下差異風化夾層比較發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，碎塊狀、角礫狀構(gòu)造，巖體風化呈碎塊狀、局部風化呈半巖半土狀，巖芯遇水易軟化，失水崩解，巖質(zhì)軟—較軟，巖土施工工程分級為Ⅳ級軟質(zhì)巖。

1.2 設計概況

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑下方為18號線盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間隧道洞身位于中風化泥巖地層，基坑底距隧道頂部豎向凈距約8.6m，區(qū)間左線盾構(gòu)上方錦城廣場項目主體結(jié)構(gòu)采用托柱轉(zhuǎn)換方式，使盾構(gòu)上方柱軸力傳至兩側(cè)樁上，樁側(cè)距盾構(gòu)管片外側(cè)凈距不小于3m，樁底深入盾構(gòu)底3m。南側(cè)基坑開挖在盾構(gòu)區(qū)間鋪軌前完成(圖2、表1、表2)。

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬評估內(nèi)容

錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑施工開挖采用分層開挖方法，數(shù)值模擬評估內(nèi)容如下：

(1)預測錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑施工完成后，其圍護結(jié)構(gòu)變形及基底隆起情況。

(2)預測評估錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑分層開挖情況下，下臥地鐵18號線錦城廣場站—世紀城站盾構(gòu)隧道變形情況。

(3)預測評估錦城廣場地下室修建后，下臥地鐵18號線錦城廣場站—世紀城站盾構(gòu)隧道變形情況。

(4)評估錦城廣場綜合換乘服務中心項目南側(cè)基坑盾構(gòu)保護區(qū)域的托柱轉(zhuǎn)換體系(托柱樁、轉(zhuǎn)換梁)施工對施工成型區(qū)間管片的影響。

圖1 18號線錦世區(qū)間與錦城廣場項目南側(cè)基坑位置關(guān)系示意

圖2 南側(cè)盾構(gòu)保護托柱轉(zhuǎn)換體系平面

(5)評估錦城廣場南側(cè)基坑開挖及地下停車庫結(jié)構(gòu)作用影響下盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)承載力及正常使用性能。

2.2 數(shù)值模擬步驟

南側(cè)基坑施工對下臥地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形預測評估采用巖土數(shù)值模擬分析軟件MidasGTS進行計算分析，根據(jù)計算工況，主要關(guān)注南側(cè)基坑施工引起的圍護結(jié)構(gòu)變形以及下臥地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形及受力情況，將預測結(jié)果與規(guī)范要求的控制值進行對比分析，從而對下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性進行評估。數(shù)值計算所采用的模型為地層—結(jié)構(gòu)模型，數(shù)值計算模擬步驟如下：

表2 南側(cè)盾構(gòu)保護區(qū)托柱轉(zhuǎn)換樁參數(shù)

(1)進行初始地應力平衡計算。

(2)模擬錦城廣場站車站端頭基坑開挖。

(3)模擬錦城廣場站車站端頭結(jié)構(gòu)施工。

(4)模擬盾構(gòu)隧道施工。

(5)模擬南側(cè)基坑施工。

2.3 數(shù)值模擬

2.3.1 模型建立

模型考慮了南側(cè)基坑范圍，以及盾構(gòu)隧道開挖影響范圍，考慮車站主體結(jié)構(gòu)和模型的邊界效應，模型邊界距車站結(jié)構(gòu)距離為20～30m，整個模型幾何尺寸長寬高為130m×80m×50m，基坑尺寸大小為76m×80m×15m。

巖土體采用修正摩爾-庫倫模型進行模擬。南側(cè)基坑冠梁、圍護樁均采用梁單元模擬，樁間墻采用板單元模擬；車站主體結(jié)構(gòu)圍護樁、車站柱、車站梁，均采用梁單元模擬，車站樓板、側(cè)墻，均采用板單元模擬；盾構(gòu)管片采用板單元模擬。計算過程中，假定土層沿基坑深度方向呈水平均勻分布。模型的上邊界為自由邊界，各側(cè)邊界限制基坑方向水平位移，底部全部約束?；娱_挖完成后，在基坑底部施加85kPa的均布荷載，以模擬地下室結(jié)構(gòu)荷載(圖3、圖4)。

圖3 有限元計算模型

圖4 南側(cè)基坑與錦城廣場站車站端頭和下臥盾構(gòu)隧道關(guān)系示意

2.3.2 參數(shù)選擇

各項參數(shù)見表3～表5。

表3 地層參數(shù)

表4 錦城廣場項目南側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.3 南側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)變形

基坑圍護結(jié)構(gòu)變形見圖5～圖7。

從圖可知，錦城廣場項目南側(cè)基坑開挖完成后，基坑x、y方向的最大位移分別約為 12.9mm、13.6mm，出現(xiàn)于基坑頂部位置，均為向坑內(nèi)發(fā)生位移。錦城廣場項目南側(cè)基坑開挖完成后，坑底的最大隆起量約為20.5mm，出現(xiàn)于坑底中心位置處。

事實上，重慶市對數(shù)字出版業(yè)的資金支持力度整體不強，且較為分散，無法形成合力，共同推進數(shù)字出版業(yè)的發(fā)展。

表5 18號線錦城廣場站圍護與結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5 基坑開挖完成后x方向位移云圖

圖6 基坑開挖完成后y方向位移云圖

圖7 基坑開挖完成后z方向位移云圖

2.3.4 區(qū)間隧道附加變形分析

(1)錦城廣場南側(cè)基坑施工引起的盾構(gòu)隧道管片豎向位移見圖8～圖12。

圖8 基坑第一層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖9 基坑第二層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖10 基坑第三層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖11 基坑第四層土方開挖完成后管片豎向位移云圖

圖12 地下室荷載施加后管片豎向位移云圖

由圖可知，錦城廣場項目南側(cè)基坑開挖對其下部的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生影響，管片頂部產(chǎn)生與z軸正向一致的位移，即隆起。且坑底正下方左線隧道的隆起變形量大于右線隧道，基坑內(nèi)側(cè)范圍內(nèi)的隧道隆起量大于基坑外側(cè)范圍內(nèi)的隧道隆起量。

左線隧道結(jié)構(gòu)隆起量較大，右線隧道位于基坑外側(cè)，受基坑開挖卸載影響較小，結(jié)構(gòu)隆起較小?；釉谇叭龑油练介_挖期間，左線隧道管片豎向隆起量增加較均勻；基坑第四層開挖時，左線隧道管片豎向隆起量增加了1.29mm，隧道結(jié)構(gòu)隆起增加量最大，因此施工時應采取相應措施，減小該層土方開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)變形；右線隧道管片隆起量較小，且變化較均勻。在錦城廣場項目地下室施工后，左右線隧道管片隆起量均減小，減小量分別為0.92mm、0.23mm，左右線隧道最終豎向隆起量分別為 2.35mm、0.48mm。

(2)錦城廣場南側(cè)基坑施工引起的盾構(gòu)隧道管片水平位移見圖13～圖17。

圖13 基坑第一層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖15 基坑第三層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖16 基坑第四層土方開挖完成后管片水平位移云圖

圖17 地下室荷載施加后管片水平位移云圖

基坑開挖造成的隧道管片水平位移較小，管片水平位移最大為 0.55mm，方向與Y軸正向一致。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)論

(1)施工過程中，盾構(gòu)隧道附加變形以豎向變形為主，水平變形量很小。

(2)18號線盾構(gòu)隧道變形規(guī)律： ①盾構(gòu)隧道最大上浮量3.27mm，小于控制值5.0mm；水平位移值0.55mm，小于控制值4.0mm；均滿足要求；②盾構(gòu)隧道徑向位移差(徑向收斂)為1.39mm，相應徑向變形率為0.017 %，小于控制值3.0mm，滿足要求；③盾構(gòu)隧道縱向差異變形值0.06mm/10m，小于控制值2.0mm，滿足要求。

(3)基于現(xiàn)場地質(zhì)情況及設計、施工經(jīng)驗，托柱轉(zhuǎn)換體系施工對成型管片影響不大。

(4)錦城廣場項目南側(cè)基坑開挖及地下停車庫結(jié)構(gòu)作用影響下盾構(gòu)管片的彎矩和軸力都有不同程度的變化，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)能滿足承載力及正常使用要求。

3 結(jié)束語

通常情況下，城市地鐵軌道交通近接進行基坑開挖時，由于卸荷土體，既有結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生嚴重變形影響，管片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起、裂縫等不良現(xiàn)象。這種影響最本質(zhì)的原因是由于新建工程的施工引起了既有結(jié)構(gòu)的應力狀態(tài)的再次重分布，從而導致一系列的力學行為變化。這種受力特征會因工程修建的時間先后關(guān)系、空間位置關(guān)系及其他施工方法的不同而不同[3]。

考慮基坑抗浮穩(wěn)定要求，通常在基坑設計中采用抗浮樁來進行加強，但下覆城市地鐵軌道交通限制了其抗浮樁的布置密度。在確保安全，方案通過相關(guān)驗算，加強管片結(jié)構(gòu)及近接基坑監(jiān)測的條件下，采用托住轉(zhuǎn)換抗浮體系替代傳統(tǒng)抗浮樁，可橫跨盾構(gòu)區(qū)間，有效控制抗浮樁的施工對管片結(jié)構(gòu)的影響，加快施工進度，取得明顯的經(jīng)濟效益。

利用托柱轉(zhuǎn)換抗浮體系，為同類近接城市地鐵軌道交通的基坑工程提供了一種新思路。