上跨箱涵建设对既有轨道交通结构影响分析

上跨箱涵建设对既有轨道交通结构影响分析

燕喜军1

1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063

1.中铁四院集团新型轨道交通设计研究有限公司，江苏 苏州 215000

[摘 要]随着城市建设的快速发展，轨道交通工程线网的逐步完善，后建项目对既有轨道交通工程影响分析尤为重要。合理可行的设计方案，既需满足安全经济的工程建设标准，又需降低对既有轨道结构的影响。文章以上跨箱涵建设对既有轨道交通区间隧道结构的安全影响分析为例，从设计方案角度出发，分析工程建设对既有轨道交通结构的影响，为类似的工程提供有益借鉴。

[关键词] 上跨 箱涵 轨道交通 影响

随着我国经济的持续发展，轨道交通线网密度的不断增加[1]，临近轨道交通的新建工程日益增多，后续工程建设对既有轨道交通结构的影响分析愈发显得重要[2]，合理的设计方案对控制施工扰动及降低不利影响具有十分重要的意义[4]。

1.工程概况

某新建箱涵基坑深度约4.2m，周长115m，基坑面积650㎡。箱涵位于运营的轨道交通区间上方，周边地面较为空旷。

图1 总平面图

根据详勘报告，场地地层主要为①素填土、②淤泥质粉质粘土、③-1 粘土、③-2 粉质粘土、④-1 粉土夹粉质粘土、④-2 粉质粘土夹粉土、⑤粉质粘土、⑥-1粘土，土层参数如下：

既有轨道区间隧道为单层预制钢筋混凝土管片衬砌，其管片外径6.2m，内径5.5m，管片厚度0.35m，每环宽度1.2m。每环衬砌由6块管片组成，错缝拼装，管片之间采用M30弯螺栓连接。管片混凝土强度等级C50，最大计算裂缝宽度允许值为0.2mm。箱涵与既有区间隧道顶最小距离约11.2m。

2.设计方案

基坑开挖深度4.2m，结合箱涵结构特点及周边环境条件，从安全、经济、施工组织等因素综合考虑以及类似工程的施工经验[3]，基坑围护采用拉森IV 钢板桩双排桩的悬臂围护结构形式,坑底采用满堂加固。

基坑开挖按分块分区的顺序分10次开挖施工，土体落差采用1:0.5放坡，以利基坑悬臂围护的保护。

图2围护分坑平面图

本工程基坑先开挖施工1区，待1区施工出±0.00后再开挖施工2区，以此类推，直至施工完成。结合轨道交通运营需求，单个基坑从开挖至结构回筑完成需在轨道非运营时间段完成，施工全过程应配置应急物资，如压重沙袋等，结合施工过程及区间上浮监测要求，做好应急方案。

图3 基坑与轨道剖面关系图

3.施工影响分析

新建箱涵位于既有轨道交通区间结构上方，属于轨道交通安全保护区范围内，施工基坑开挖深，时序较长，会对相临的已建轨道交通结构带来影响，从安全角度出发，应计算并分析这种影响，并依据分析成果，考虑采取相应的保护措施，合理组织基坑开挖方案，以确保对轨道交通结构的影响在安全运行的允许范围之内。由于轨道区间已建成运营，因此主要分析内容本项目基坑开挖对已运营的轨道交通区间结构的影响，分析邻近施工引起的轨道交通结构变位是否在允许的范围内，确定其是否满足轨道交通安全和使用的要求。

图4 有限元计算模型

分析选取大型非线性通用有限元软件ABAQUS作为计算平台。基坑开挖深度为4.2m，本模型计算深度取40m；基坑长约200m，宽约200m。基坑距离轨道交通结构最近处约11.2m。建立的“轨道交通结构-基坑-围护”计算模型。

在基坑开挖、支护施工过程中，系统受重力场作用，并考虑基坑周边10米范围内作用20kPa的车辆载荷。

地基各土层采用弹塑性D-P模型。D-P准则即广义Mises 准则，它是在考虑平均应力影响的条件下，由Mises 准则推广而成：

式中：,均为与岩土材料黏聚力和内摩擦角有关的常数；为应力张量第一不变量；为应力偏张量第二不变量。、的表达式：

，

式中：、、分别为土体第一、第二和第三主应力。

由于围护结构向坑内发生侧向位移，地应力释放而重新分布，引起轨道交通结构发生侧移，基坑开挖导致基坑周边及坑底土体卸载，基坑侧向位移和底部隆起，导致轨道交通结构隧道管片内力也发生变化。

根据设计工况及计算分析过程，箱涵基坑开挖对既有轨道区间影响，主要结果如下，轨道区间结构位移如下图所示：

图5 轨道区间结构水平位移最大值（X、Y方向）

根据计算结构，轨道区间结构水平最大位移0.85mm和0.45mm。

箱涵基坑开挖对区间结构竖向位移影响较大，根据设计工况，基坑分块开挖，各主要施工步序影响计算结果如下：

1区开挖回填            3区开挖回填

图6 轨道区间结构1/3区开挖竖向位移最大值

轨道区间结构1/3区开挖竖向位移最大值，区间隧道结构最大隆起量2.1mm和2.2mm。

5区开挖回填            7区开挖回填

图7 轨道区间结构5/7区开挖竖向位移最大值

轨道区间结构5/7区开挖竖向位移最大值，区间隧道结构最大隆起量2.1mm和2.2mm。

9区开挖回填            10区开挖回填

图8 轨道区间结构9/10区开挖竖向位移最大值

轨道区间结构9/10区开挖竖向位移最大值，区间隧道结构最大隆起量2.2mm和2.3mm。

图9 轨道区间结构位移变化表

基坑工程由于开挖卸载，基坑侧壁发生侧向位移，坑底产生一定的隆起变形，地面发生沉降，也带动邻近的轨道交通结构隧道发生侧向和竖向变形，其变形量的大小是判别基坑变形和稳定的重要依据。

表1 轨道交通盾构区间结构变形表

基坑开挖引起轨道交通区间发生结构变形，基坑离盾构区间隧道的最近距离为11.2m，基坑开挖施工对其产生影响，从计算结果看，轨道区间结构水平向最大位移为0.85mm和0.45mm。区间隧道的最大隆起为2.3mm，区间隧道最大变形曲率半径为29550m，相对变曲为1/4780。轨道区间的各项变形指标均在安全可控的范围内。

4.结语

1、对于既有轨道交通上方基坑开挖，应选择分区分块多次开挖方式，降低施工扰动。

2、土方分区分块开挖应限时开挖，施工应在轨道非运营时间段，以减少施工带来的不利影响。

3、应做好压重等应急物资储备，做好风险管控，同时加强既有轨道结构变形监测反馈，实现信息化施工。

参考文献

[1]王.城市轨道交通隧道事故案例统计分析与风险评价方法研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[2]吴楠.基坑群开挖对临近轨道交通高架结构基础变形影响及控制研究[D].北京：北京交通大学，2021.

[3]李志高,刘国彬,等.基坑开挖引起下方隧道的变形控制.地下空间与工程学报[J].2006,6(3)：430-433.

[4]刘建航,候学渊.基坑工程手册[M].北京： 中国建筑工业出版社，2009.