新建地铁站基坑与既有车站结构间相互影响的数值分析

张国亮，韩雪峰，李元海，刘庆方

(1.中铁南方投资发展有限公司，广东深圳 518000;2.中南大学土木建筑学院，长沙 410083; 3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

0 引言

随着我国轨道交通的快速发展，大型车站枢纽工程及既有线的扩充越来越多，由此将产生大量近接既有地铁车站的施工问题。既有车站结构的存在，使附近土体应力重分布，必然对新车站施工过程中的围护结构位移及应力产生影响［1－4］。对于近接施工的相互影响问题可从2方面考虑:1)新基坑对既有结构的影响。新基坑施工不应对既有结构产生过大影响，应避免既有结构产生水平偏移及竖向沉降，必要时采取措施保护既有结构。2)既有结构对新基坑施工过程的影响。新基坑周边存在既有结构时，周边土体的地应力重分布，新基坑施工过程中周边土体位移受限，从而对新基坑的维护结构内力、变形产生影响。科研工作者与工程技术人员更多地关注于新结构施工对邻近既有结构的影响［5－8］，而既有结构对新结构施工过程影响的研究相对较少。本文依托深圳地铁5号线前海湾站基坑工程紧邻1号线鲤鱼门车站工程，采用FLAC3D有限差分软件，通过计算分析施工过程中前海湾站新基坑围护结构与鲤鱼门车站既有主体结构的变形受力情况，来研究新建地铁站基坑施工与既有车站结构间相互影响的问题。

1 工程概况

深圳地铁5号线前海湾站地处前海—宝安城市次中心，东连福田、罗湖城市中心，北接深圳机场，交通功能定位为综合枢纽站，地铁1号线、穗莞深城际线均交汇于此，和5号线形成换乘。前海湾站主要衔接交通方式有城际轨道、地铁、常规公交枢纽站与停靠站、出租车站、小汽车车场、自行车场等，并设置通往香港的轨道交通线和出入境口岸及机场服务设施，是深圳市重要的综合交通枢纽。前海湾站是深圳地铁5号线工程起点站，位于前海片区(现正进行填海施工的待规划开发区)，规划晨文路和在建地铁1号线鲤鱼门站西侧。图1为前海湾站基坑平面位置图。

图1 深圳地铁5号线前海湾站与鲤鱼门站近接位置图Fig.1 Relationship between Qianhaiwan Station on Shenzhen Metro Line 5 and Liyumen Station

前海湾站起点里程为CK0+000，终点里程为CK0+ 631，为12 m岛式站台车站，标准段宽为21.3 m，线间距11.2 m，有效站台中心里程为CK0+398，底板埋深18.00 m，外包总长660.45 m，本站开挖土方约13 m3。前海湾车站基坑开挖前，鲤鱼门车站主体结构已浇筑完成，且部分回填。

2 数值模拟方法

2.1 岩土力学参数

根据《前海湾站详勘阶段岩土工程勘察报告》，前海湾站土层物理力学参数取值见表1。

表1 前海湾站土层物理力学参数表Table 1 Physical and mechanical parameters of soil stratum of Qianhaiwan Station

2.2 计算内容

大量数值计算结果表明，直接采用给定的岩土力学勘察数据进行数值计算所得结果往往和实际有较大出入。本文根据前海湾现场施工监测数据得到的基坑周边沉降值、桩体测斜值以及钢支撑轴力大小，在表1数据的基础上，经过多次二维模型反算，得到适用于本地层的土体力学参数，并运用反算得来的土体参数再计算有无既有地铁车站结构时新建车站施工(三维)引起的周边土体位移，及新开挖基坑围护结构的位移和应力变化情况。

2.3 模拟方法

2.3.1 土体与初始应力

对于一个长度不大的区段，土层厚度变化相对较小，为简化数值建模，均按等厚考虑，具体土层厚度取值参见表1，各土层采用摩尔库伦材料模型进行模拟［9－10］，计算时采用水土合算方法，未考虑施工过程中的地下水渗流作用。

2.3.2 车站主体结构模拟

前海湾和鲤鱼门站模型建立均依据实际结构形式，由实体单元模拟，采用弹性模型，弹性模量取为30 GPa，泊松比为0.3，密度为2 500 kg/m。

2.3.3 围护结构

车站围护桩体包括直径1 200 mm间距1 350 mm冲孔桩及直径600mm旋喷止水桩，为更好地模拟桩土之间的相互作用情况，方便在FLAC3D计算命令流中桩身位移与内力的提取，冲孔桩用Pile单元模拟，旋喷止水桩由实体单元模拟。4道水平钢支撑及圈梁用Beam单元模拟，如图2所示。考虑到钢支撑的实际情况，偏于安全地将水平钢支撑的约束形式均设定为双向铰接，以便准确地模拟钢支撑的受力情况。

图2 前海湾站围护结构的数值模型Fig.2 Numerical model of retaining structure of Qianhaiwan Station

2.3.4 钢支撑预应力

4道钢支撑预加应力实际设计值分别为300，800，1 200和1 100 kN。FLAC3D中模拟预应力通常是在支撑两端施加反向力以模拟支撑对土体的反作用，本文在总结常规方法的基础上提出并采用在FLAC3D中模拟按(力)位移加载方式施加钢支撑预应力的改进方法。该方法充分考虑了预应力钢支撑的作用机理。在架设钢支撑之前，先对钢支撑施加一个预压力(＞设计值)压缩钢支撑，使其端点产生一个小位移，从而促使钢支撑产生预应力;而后在FLAC3D通过Link单元建立钢支撑与围护结构的有效连接，再撤除施加的预压力，使钢支撑因回弹产生对围护结构的顶推力。这种模拟方法显然更符合实际施工情况。

2.3.5 基坑开挖过程

实际的基坑开挖分4层，主要考虑竖向分层影响，在FLAC3D中开挖模拟流程为:

1)使用model null命令将第1层土体挖除;

2)在开挖范围内用beam单元架设第1道钢支撑;

3)Solve命令直至完全平衡;

4)将第2层体挖除;

5)开挖范围内用beam单元架设钢支撑;

6)Solve命令直至完全平衡;

以上步骤循环进行，直至挖除4层土体至基坑底。

2.4 几何模型

数值计算几何模型如图3所示，既有鲤鱼门站与待挖前海湾站距离8.4 m，距离前海湾站基坑边缘7 m处为宽度15 m的挡淤堤。几何模型尺寸为200 m× 49 m×38 m(长×宽×高)，共有节点17 550个，单元164 836个。

图3 三维数值几何模型Fig.3 3D geometric model for numerical analysis

3 计算结果分析

3.1 既有站结构对新建地铁车站施工影响

图4为无挡淤堤一侧的有、无既有鲤鱼门车站结构的围护桩体变形对比图。由图4可知:当不存在鲤鱼门既有车站时，前海湾站基坑无挡淤堤(即鲤鱼门站)方向桩体的最大变形值为21.71 mm，位于地面以下15 m处;当存在鲤鱼门既有车站结构时，相同位置处的桩体最大变形值减小约16.34 mm，相比前者减小了24.7%，深度位置不变。由此可见:鲤鱼门既有车站结构的存在对同侧桩体的变形有一定的限制作用，这可以解释为鲤鱼门车站作为刚体结构的存在，阻断了土体原先的位移传播路径，约束了本应发生位移且对前海湾站围护桩体存在作用力的土体，这对新开挖基坑围护结构的变形控制显然有利。

图4 无挡淤堤侧前海湾基坑桩体变形对比图Fig.4 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side without mud barrier

图5为有、无既有车站有挡淤堤侧桩体变形对比图。由图5可知:当存在既有鲤鱼门站结构时，新建前海湾基坑有挡淤堤方向桩体最大变形值为18.59 mm，位于地面以下15 m处;当不存在鲤鱼门结构时，前海湾基坑相同位置处的桩体最大变形值为20.47 mm，比前者增大10.1%，依然位于地下15 m处。可见，对于存在挡淤堤侧桩体，既有鲤鱼门结构的存在反而会使其变形值增大。这种情况的出现可看作挡淤堤侧桩体变形主要受另一侧桩体变形值的影响，也就是说，既有鲤鱼门站结构的存在首先影响其同侧围护桩体的变形，进而通过钢支撑的传导作用影响到另一侧的桩体位移。

图5 有挡淤堤侧前海湾基坑桩体变形对比图Fig.5 Deformation of piles of Qianhaiwan Station on the side with mud barrier

图6为前海湾基坑钢支撑轴力对比图(第1道钢支撑轴力为负值，呈受拉现象，这也符合许多工程实际监测情况，数值在图中略去)。由图6可知，不存在既有鲤鱼门站时各道钢支撑轴力值比存在鲤鱼门站时的轴力有所增大，最大增幅为74kN。从支撑轴力方面分析，既有车站的存在对新开挖基坑支撑结构的稳定性影响有利。

图6 前海湾基坑钢支撑轴力对比图Fig.6 Axial force of steel supports of Qianhaiwan Station

3.2 新建地铁站施工对既有站结构影响

图7和图8为鲤鱼门站厅主体结构的水平位移云图与竖向位移分布图。分析此2图可知:由于鲤鱼门车站结构的存在，在鲤鱼门结构靠近基坑的边角处，结构自身及土体产生隆起现象，这是由于鲤鱼门结构的转动倾斜引起的。基坑开挖时，土体卸荷，打破原来的力学平衡，土体进行内力调整，围护结构发生变形，基坑底部隆起，从而产生坑周土体位移，从坑周开始，逐次向坑外传递，存在位移产生、发展、传递的过程。当土体位移传递到鲤鱼门站结构时，由于鲤鱼门站结构刚度较大，土体位移的连续传递就被阻断，而其他位置处的位移传递仍然在进行，最终导致了鲤鱼门结构向前海湾基坑反向倾斜，且存在一定隆起现象。

图7 临近鲤鱼门站厅结构水平位移云图Fig.7 Cloud of horizontal displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

图8 临近鲤鱼门站厅结构竖向位移云图Fig.8 Cloud of vertical displacement of concourse structure of adjacent Liyumen station

4 结论与讨论

通过对深圳地铁5号线前海湾站基坑工程与紧邻1号线既有鲤鱼门车站结构相互影响的计算分析，可以得出以下结论:

1)在邻近既有鲤鱼门地铁站结构开挖前海湾站新基坑时，既有结构的存在使得土体位移传播路径改变，近鲤鱼门站侧基坑桩体水平位移减小，远侧桩体则增大。

2)在邻近既有地铁车站开挖新基坑过程中，新挖基坑的钢支撑轴力有一定程度的减小，有利于围护结构的稳定。

3)由于土体位移传播路径被阻挡，新基坑开挖会使既有车站结构产生一定偏转，但对既有车站的安全性影响总体不大。

本文运用FLAC3D数值模拟软件进行精细化建模，分析新建基坑开挖与近接既有地铁站结构之间的相互影响，得到了若干与现场监测相符的结果。但由于地下工程的复杂性与多样性，此类问题还有待进一步全面深入的研究。

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