不同基坑开挖顺序对临近地铁车站的影响分析

2011-04-14杜宏元

山西建筑 2011年18期

杜宏元

随着城市地铁的快速发展，在已有地铁车站附近进行工程活动不可避免。为保证既有线路的安全运营，工程建设过程中对施工引起的变形要求极其严格[1-3]。杭州市地铁建设管理部门为保障地铁建设顺利进行，推出了《杭州市地铁建设管理暂行办法》，上海市也推出了《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》。可见，地铁建设的环境效应问题也引起地铁部门的逐渐重视。

近年来许多学者针对此问题展开研究，取得了一些有益成果。王卫东等[4]采用数值分析方法，动态分析了不同施工开挖卸载对地铁车站的影响。曾远等[5]采用ANSYS建模分析了地铁车站基坑开挖时新旧两车站间距、源头变形、土体弹性模量三个因素对在运营车站变形的影响。姚燕明等[6]通过三维板壳有限元模型，分析了基坑与车站两墙合一时对车站结构内力的影响，得到了一些内力变化的规律。谢弘帅[7]采用PLAXIS建模分析了深基坑开挖对临近地铁车站基坑的影响，主要针对车站基坑和临近基坑不同开挖顺序进行研究。

目前，尚未有一套成熟的理论可以准确的预测基坑开挖对临近地铁车站变形的影响。本文采用有限元法建立平面数值分析模型，研究了地铁车站两侧基坑不同开挖顺序对车站的影响，得到了一些规律性的认识，以期对类似工程指导和积累经验。

1 工程概况

某地铁车站地下两层，地面标高0.00m，底板标高-13.3m，车站地连墙0.6m厚，标高-29.3m。南北两侧进行建筑物业群的开挖。北侧基坑地连墙0.8m厚，标高-26.0m，距车站地连墙9m，开挖深度12.0m，设置2道支撑;南侧基坑地连墙0.8m厚，标高-38.5m，距车站地连墙6m，开挖深度16.5m，设置4道支撑;南北基坑支撑截面尺寸均为800mm×800mm，水平间距均为8m。土体参数如表 1所示，其中压缩模量考虑应力路径和应力水平的影响[8-10]，其他参数取自勘察报告。

表1 土体参数

2 计算模型

采用岩土专业有限元软件建立二维平面应变模型。土体采用强化岩土模型(改模型参数由M-C模型参数推导而出)，车站结构和地连墙采用Plate单元模拟，服从线弹性准则。土体计算参数如表 1所示。分三种计算工况:1)先北后南工况:先开挖北侧基坑至基坑底板浇筑，再开挖南侧基坑;2)先南后北工况:先开挖南侧基坑至基坑底板浇筑，再开挖北侧基坑;3)同时南北工况:南北侧基坑同时开挖一层，设置一道支撑，直至南侧基坑底板浇筑完毕。

每种计算工况下的计算步骤为:1)初始地应力场生成;2)地铁车站施工完毕;3)位移清零;4)逐步开挖土体;5)逐步设置横向支撑;6)开挖至底板;7)底板浇筑;8)另一侧基坑开挖土体、设置支撑、施工底板。考虑到边界对计算结果的影响，模型计算范围为50m×200 m，左右边界水平约束，底部边界水平和竖向均约束，上部自由边界。

3 计算结果分析

由于车站结构整体刚度较大，以其底板竖向变形作为研究对象。图 1给出了不同计算工况下地铁车站底板竖向变形变化情况。可以看出，车站底板整体处于隆起状态;同时南北工况下车站底板整体变形较小，最大值3.6 mm，小于其他两种工况;在计算工况一定的情况下，车站底板回弹变形先增加后减小。这是由于基坑开挖面较高时，车站底板土体向上位移，故车站底板隆起量不断增加。随着开挖的进行，车站地连墙变形最大值位置不断下移，导致车站底部土体位移趋势逐渐向下变化，故车站底板隆起量逐渐较小，甚至变为沉降。

以车站南侧地连墙作为车站侧向变形的研究对象。图 2为不同计算工况下的车站地连墙水平位移变化情况。可以看出，车站地连墙的侧向变形与基坑开挖顺序直接相关，车站结构呈现整体向基坑侧移动的趋势。南侧地连墙的相对变形不大，但基坑开挖对车站水平变形影响的绝对值要比竖向变形大。同时南北的计算工况下，车站地连墙的水平变形最大值较其他两种计算工况要小。