深基坑开挖与紧邻在建地铁车站影响优化分析

丁习富 师 海 孟小伟

(1.中国中铁二院集团有限责任公司，四川成都 610031;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;3.中国中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明 650200)

0 引言

随着我国城市地下空间及轨道交通的快速发展，在城市中心密集区遇到越来越多的深基坑工程，受到城市规划及道路建设等的限制，既有建(构)筑物与深基坑、既有地铁车站与深基坑、在建地铁车站与深基坑、深基坑与深基坑等互相耦合、互相影响的问题越来越多，紧邻在建及既有建(构)筑物的深基坑施工已成为基坑研究的问题之一［1］。目前对基坑开挖引起的地表已有建筑沉降控制标准及开挖工况的优化进行了研究，但建筑密集区深基坑开挖对在建地铁车站的沉降变形的综合优化研究有限［1］。因此在基坑设计和开挖过程中，如何有效地控制开挖过程引起邻近在建地铁车站的变形特性及内力分布是至关重要的［2］。

由于开挖基坑与临近在建地铁施工边界的复杂性，很难通过解析的方法求解其影响［3］，因此本文以临近新城站的线网控制中心深基坑工程为背景，在确保地铁车站及基坑安全的前提下，制定了安全、经济、施工可行的支护结构形式，应用有限元软件Midas-sws和Plaxis综合对比考虑了深基坑实际开挖工序，深入研究了深基坑与在建新城站的相互影响，并以此进行了优化分析。

1 工程概况

控制中心为地面11层+地下4层混凝土框架结构，该工程东南靠东莞大道，西南紧邻西平二路和在建莞惠线新城站，东北紧邻纬六路(规划道路)，西北侧靠近经五路(规划道路)。场地范围内无建(构)筑物，管线已经全部迁改。控制中心工程与周边环境关系详见图1。

新城站为地下3层岛式车站，基坑平均开挖深度约为26.7 m，支护结构采用地下连续墙，支撑体系采用三道混凝土支撑+三道锁脚锚索，锚索最长为24 m，进入控制中心场地范围22 m，车站目前处于开挖施工期间。

鉴于控制中心基坑及地下室结构施工过程中对新城站的影响，同时考虑工期紧张等原因，控制中心分为A，B区先后施工，分界线距车站围护结构25 m(避开新城站锚索及考虑地下室柱跨的1/3处)。

图1 基坑平面示意图（单位：m）

A区基坑开挖深度为21.0 m，局部深坑区域为25.3 m，基坑开挖底面积约为4 142.5 m2;B区基坑开挖深度21.0 m，基坑开挖底面积约为1 436.4 m2。典型剖面详见图2。

图2 基坑典型剖面示意图

2 工程地质及水文地质条件

基坑开挖范围内主要土层依次分布见表1，基底主要位于全风化混合片麻岩以及砂质粘土层中。场址范围内地表水不发育。地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。综合渗透系数:0.56 m/d，判定基坑为弱透水土［4］。

表1 岩土物理力学指标

3 支护结构总体方案设计及计算

本基坑开挖深度大，距新城站过近，地下连续墙整体性及抗渗性能有较大优势，刚度大，控制变形有利，内支撑平面桁架整体刚度大，稳定性高，本基坑采用0.8 m地连墙+三道混凝土桁架支撑体系。

4 数值模拟

控制中心基坑在新城站近1 m处进行开挖施工，为确保新城站的安全，采用有限元软件Midas-sws及Plaxis进行数值模拟分析，依据“上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定”［3］中关于“地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20毫米(包括各种加载和卸载的最终位移量)”。

4.1 初始应力场

基坑工程的有限元模拟，初始地应力分布对计算结果具有非常大的影响。本工程有限元分析过程中，初始地应力是通过给出一点的竖向应力和侧压力系数来计算的，并假定竖向应力按静水压力分布。程序协调初始应力和外荷载之间的平衡，得到了原始场地无任何变形状态下的初始地应力场。

4.2 计算模型

1)地基土层的模拟:根据“基坑支护技术规程”，本基坑的模型总宽度为115.00 m，模型高度为55 m，取至⑩-4微风化混合片麻岩。

2)新城站地铁车站结构的模拟:地连墙、水平支撑、主体结构用梁单元进行模拟，锚索采用植入式桁架单元进行模拟，结构模拟计算参数见表2。

3)支护体系的模拟:支护体系包括竖向的支护结构和水平支撑体系。本次计算支护体系采用800厚连续墙，墙插入深度为7 m，三道水平内支撑采用平面梁单元模拟，参数见表2。

表2 结构模拟参数表

4)模型规模:计算模型的单元主要有8 702个岩土单元、774个结构单元，共9 476个单元。

5)边界条件［8］:土层单元土体采用平面单元，平面上部边界为自由边界，模型两边进行X方向约束，竖向进行Z方向约束，基坑开挖后对支撑梁自由端进行固定约束，有限元网格见图3。

6)物理力学参数［9］:土层的粘聚力及内摩擦角采用固结不排水剪值(总应力指标)，本构关系Midas采用M-C弹塑性模型，土体弹性模量取值变形模量的3倍进行计算，Plaxis采用H-S模型进行数值模拟计算参数见表2。

图3 计算模型图

4.3 计算工况

为了更加合理地模拟B区基坑施工对新城站的影响，本次基坑数值模拟共有15个工况，如表3所示。

表3 普通模拟工况

4.4 计算结果

4.4.1 基坑影响计算模型优化对比分析

以Midas，Plaxis，理正三者计算数据进行对比分析，分析结果如表4所示，工况15DX方向位移如图4所示，弯矩内力图见图5。

表4 优化后的最大位移和弯矩

图4 工况15DX方向位移（单位：mm）

图5 弯矩内力图（单位：kN·m）

从以上模型的优化对比分析可以看出:

1)采用H-S模型考虑土体卸载模量，基坑竖向位移比M-C模型计算结果小;2)采用理正软件计算的内力值大于有限元内力值，位移大于有限元。由于理正未考虑侧向夹土有限压力，导致土压力偏大，引起连续墙弯矩内力增大，变形增大。

4.4.2 地铁车站影响分析

本文主要将B区基坑施工过程中新城站侧墙内力、车站侧向位移及土体水平位移进行分析。具体分析计算结果详见图6，图7。

图6 土体侧向位移图

图7 不同工况关系图

通过以上数据表和关系曲线，分析结果如下:

1)计算得到新城站车站侧墙最大侧向位移分别为5.70 mm，基坑水平位移最大值为21.8 mm，满足地铁保护条例的要求，基坑变形在可控范围内;

2)在基坑开挖过程中，侧墙产生的最大弯矩为1 355 kN·m，按纯弯曲构件进行配筋计算，所需配筋面积小于侧墙配筋，车站裂缝计算值在规范要求范围以内，满足地铁车站的强度要求。

4.4.3 1 m夹土不同加固方案影响分析

由于B区基坑与新城站之间1 m夹土对连续墙成槽，及后期受力均有影响，故采用sws针对旋喷桩加固先后顺序进行模拟分析。从计算结果来看针对1 m夹土加固可以大大提高中间夹土的刚度，对于车站的水平位移限制有效保证，加固处理后，车站最大水平位移由11.8 mm降至5.7 mm(见图8，图9)。

5 结语

根据控制中心深基坑工程先后通过理正深基坑软件计算分析确定支护类型，通过有限元软件研究分析B区基坑与新城站的相互影响，经数值模拟及理论综合分析得到以下初步结论:

1)通过有限元软件对比计算内力及位移，理正在未考虑夹土有限土压力作用的影响下计算连续墙弯矩内力偏大及位移均偏大，故在今后设计中可针对局部夹土土压力适当考虑折减;

图8 夹土加固前后对比图

图9 土体加固车站最大水平位移对比

2)通过Midas与Plaxis对比分析:B区基坑开挖导致地铁车站侧墙内力增大，车站侧向变形，通过有限元计算，B区基坑施工过程中，新城站位移及地面沉降均小于20 mm，车站裂缝计算满足规范要求，变形满足上海地铁保护条例标准;

3)1 m夹土空间考虑与周边两处连续墙刚度相差较大，通过有限元计算得知加固1 m夹土可有效降低B区基坑开挖对新城站的影响。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.第2版.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］JGJ 120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［3］沪市政法(94)第854号，上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定［S］.

［4］DG/T J08-61-2010，上海建设规范基坑工程技术规范［S］.

［5］张明远，杨小平，刘庭金.临近地铁隧道的基坑施工方案对比分析［J］.地下空间与工程学报，2011(6):7-8.

［6］李 围.隧道及地下工程ANSYS实例分析［M］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［7］姚燕明，周顺华，陈力深.基坑开挖对既有地铁车站影响的计算模式分析［J］.建筑结构，2003，33(10):54-56.

［8］姚燕雅，陈国兴.渗流场—应力场耦合作用下基坑三维数值分析［J］.地下空间与工程学报，2009(3):19-20.

［9］况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响［J］.岩土工程学报，2000，22(3):82-83.