基坑开挖对邻近地铁车站安全影响的三维有限元分析——以西朗公交枢纽站为例

丁 乐（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

基坑开挖对邻近地铁车站安全影响的三维有限元分析——以西朗公交枢纽站为例

丁 乐
（广州地铁设计研究院有限公司，广东广州 510010）

摘要：随着城市地铁工程的快速发展，地铁周边建筑物基坑的施工必然会对邻近的地铁车站产生一定的影响，特别是超近距离的基坑施工；因此必须进行更为可靠的安全评估。借助有限元分析软件MIDAS／GTS，考虑边界条件、土层参数等工况条件，建立了基坑开挖的三维有限元模型。先计算出基坑开挖前地铁结构的初始应力状态，再计算出由于基坑施工引起的位移、内力等的变化，根据该变化值来判断基坑施工对地铁结构的影响。同时，为满足超近距离安全评估可靠性较高的要求，提出运用Plaxis有限元模型进行复核，为超近距离地铁车站的深基坑施工安全评估提供了操作可行的方法。

关键词：基坑开挖；邻近地铁车站；三维有限元模型；结构位移；结构内力

0　引言

目前，城市地铁工程已进入快速发展时期，地铁线路已逐渐遍布城市地下各处，除地面上的建筑施工工程所涉及的基坑开挖规模和开挖深度都在不断增加外［1］，因城市用地紧张，部分基坑与已开通运营车站的距离相当近，其施工无疑将对邻近的地铁车站产生一定的影响。而已开通运营的地铁车站对自身的变形要求也极为严格［2］，如何有效地对基坑开挖引起邻近地铁车站的结构位移及内力变化进行安全评估是至关重要的。

曾远等［3］以张扬路地铁车站基坑开挖工程为依托工程，为了研究临近基坑开挖对既有车站变形的影响，通过运用有限元分析软件建立数值模型，从新旧两车站间距、源头变形、土体弹性模量3个因素入手，分析了张扬路地铁车站基坑开挖对既有车站变形的影响；李伟强等［4］通过建立有限元数值模型，分析了临近深基坑施工对既有地铁的影响，并针对工程提出了合理的措施和建议，可以为今后类似的工程提供参考；张国亮等［5］以深圳地铁5号线前海湾站基坑工程为依

托工程，研究了临近地铁站基坑与既有地铁站结构的相互影响，通过运用FLAC 3D有限元软件建立数值模型，分析了前海湾站基坑与既有1号线鲤鱼门车站结构的受力变形情况；丁习富等［6］以临近某地铁车站的某市控制中心深基坑工程为背景，基于理正软件验算基坑支护结构，建立了既有渗流场、位移场的情况下深基坑按实际开挖工况的三维数值模型，以紧邻车站变形量和基坑结构内力最小为优化目标，对开挖工法进行优化，并分析了基坑开挖对该站地铁的影响评估；徐奴文［7］和谢弘帅［8］通过运用Plaxis软件建立了地铁站深基坑开挖过程的二维有限元分析模型，分析了地铁站深基坑开挖过程的变形规律。

本工程与地铁车站距离超近（最近处为2.1 m），因此对地铁车站的变形及内力变化的安全评估要求极为严格，而对距离超近的类似工程如何进行安全可靠性评估及同时考虑变形和内力变化的研究较少。本文运用基于MIDAS／GTS的三维数值模拟方法从位移和内力变化2方面进行计算评估；另外，为提高安全评估的可靠性，运用Plaxis有限元模型进行复核，针对超近距离地铁车站的深基坑施工的安全评估，提出一种操作可行的方法。

1　工程概况

1.1西朗公交枢纽站工程与地铁车站的位置关系

西朗公交枢纽站工程位于广州市区，拟建建筑物地上为24层、地下2层，建筑基础采用人工挖孔桩桩基础。拟开挖基坑不规则，周长约500 m，开挖面积约20 570 m2，基坑底绝对标高为－2.10 m，开挖深度为9.6～9.8 m。基坑边线距离广佛线西朗站主体结构约8.6 m，距离Ⅰ号出入口主体结构2.6 m，距离Ⅲ号出入口主体结构2.1 m。西朗公交枢纽站平面图见图1。

图1　西朗公交枢纽站平面图Fig.1 Plan of Xilang public transportation hub

广佛线西朗站位于2条道路交叉部位，呈西南至东北走向布置，横跨花地大道，车站东北侧为加油站及民房，西南侧为公共汽车站。车站全长384.3 m，标准段宽20.7 m，车站带双列位停车线。车站覆土约2.25 m，底板埋深15.64 m，基底主要处于中、微风化泥质粉砂岩中。主体结构顶板、中板、底板、侧墙厚度分别为800，400，900，700 mm。主体围护结构采用1 000＠2 000钻孔桩；附属结构位于车站南北两侧，北侧现有风亭及出入口，南侧与地铁1号线西朗站的Ⅰ号换乘通道相连；附属围护结构采用800＠1 000钻孔桩。广佛线西朗站的横断面图如图2所示。

图2　广佛线西朗站的典型横剖面图Fig.2 Typical crosssection of Xilang Station on GuangzhouFoshan Metro line

1.2工程地质概况

场地所处地貌单元为珠江三角洲平原，地面大致平坦，自上而下划分为人工填土层（Qml）、第四系冲积土层（Qal）、第四系残积土层（Qel）及白垩系（K2d2）基岩。

1.3几何关系分析

在施工的全过程中确保地铁区间的安全运营成为本工程能否顺利实施的关键。在深基坑开挖过程中，土体卸载必然会引起基坑一定范围内土体的回弹和侧向变形。影响土体侧向变形的因素众多，主要有：基坑参数（包括基坑平面尺寸、开挖深度、围护结构形式及插入深度比等）、基坑底部状况（土层性质、是否有桩基及土体的残余应力等）、开挖参数（总卸荷量及比例、每次开挖卸荷量及无支撑暴露时间等）。

本基坑开挖深度为9.6～9.8 m，广佛线西朗站的主体结构埋深约15.64 m，与基坑平面距离约8.6 m，距离较大，因此深基坑开挖对车站主体结构的影响较小；对车站附属结构，埋深约10 m，距离广佛线西朗站的Ⅰ号出入口主体结构2.6 m、Ⅲ号出入口主体结构2.1 m，基底埋深与基坑开挖深度基本一致，因此深基坑开挖对附属结构存在一定不利影响。

2　三维有限元模型的建立

2.1边界条件及本构关系

计算过程中的主要荷载包括自身重力、水土压力、施工期间地面超载（按20 kPa考虑）等，周边环境按无限刚度体模拟，约束有限元模型底部的竖向位移及各侧面的法向位移。基坑内部采用降水，降水位置处于基坑开挖面以下500 mm。

本次分析的土层参数关系如表1［9］所示，采用MohrCoulomb破坏准则［10］模拟岩土体的材料特性。

表1　地层的主要物理力学性质指标表Table 1 Main physical and mechanical parameters of strata

地铁车站、区间隧道、围护结构、支撑等参数及本构关系如表2所示。

表2　支护、地铁结构主要指标表Table 2 Main parameters of support and Metro structure

2.2建立有限元模型

如上所述，地铁车站及区间隧道周边地层的力学性质对约束基坑施工过程地铁结构的受力和变形起着关键作用，为此，进行三维模拟分析计算时须充分结合本工程的地层分布特点合理选取计算参数。三维有限元计算模型中的地层主要根据本项目详勘报告中地铁结构附近的工程地质资料进行适当优化而来，主要有：〈1〉素填土、〈2－2〉淤泥质土、〈4－1〉强风化泥质粉砂岩、〈4－2〉中风化泥质粉砂岩及〈4－3〉微风化泥质粉砂岩等地层。各地层的计算参数取值主要依据相关工程地质勘察资料和工程经验综合分析确定。对地铁车站主体结构、出入口、联络通道和基坑支护结构体系的力学计算参数依据相关设计施工图纸资料，经综合考虑相关因素后确定。

对地铁车站结构构件及地层的有限元模拟，采用板单元模拟围护结构、车站结构、附属结构，梁单位模拟冠梁、支撑，植入式桁架模拟锚索，实体单元模拟地层。本次分析采用水土分算的模式，摩尔－库伦破坏准则仿真模拟地层。计算模型范围以基坑外轮廓或者地铁结构外轮廓为基准外扩不小于25 m（约2倍基坑深度）而建立。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部z方向位移约束，模型前后面y方向约束，模型左右面x方向约束。建立的三维有限元计算模型如图3—6所示。

图3　初始状态有限元模型Fig.3 Finite element model of public transportation hub under initial status

3　结构位移及内力的计算

本项目有限元模型复杂，单元、节点有三十几万个，为节约计算时间，便于收敛，第1，2计算步骤先计算出基坑开挖前地铁结构的初始应力状态，并将前2个阶段的位移清零。从第3至最后一个计算步骤计算出由于基坑施工引起的位移、内力等变化，根据该变化值来判断基坑施工对地铁结构的影响，具体工况如表3所示。

图4　基坑开挖后的有限元模型Fig.4 Finite element model of public transportation hub after foundation pit cutting

图5　地面超载有限元模型Fig.5 Finite element model of public transportation hub with ground overload

图6　地铁结构与开挖土体关系的有限元模型Fig.6 Finite element model of relationship between Metro station structure and foundation pit cutting

3.1结构位移

结构位移分为车站主体结构Ⅲ号出入口、Ⅰ号出入口、桩基等结构的位移，并绘制关系图如图7所示。

通过计算可知：

1）随着基坑的开挖，车站主体、Ⅲ号出入口、Ⅰ号出入口及桩基的水平位移、竖向位移、总位移不断增大，开挖至第3次时，位移达到最大，且位移均满足变形要求。

表3　各工况阶段分析表Table 3 Analysis on different construction stages

图7　土体开挖引起各结构的位移Fig.7 Displacement of Metro station structure induced by foundation pit cutting

2）水平位移、竖向位移以及总位移的变化，离基坑越近，变化越大。

3）水平位移大于竖向位移。基坑开挖前竖向在土体的挤压下，已经达到了平衡状态，且开挖基坑与地铁结构为平面位置关系；因此开挖土体后，土体水平向失去平衡，土体产生较大水平位移，推动围护结构向基坑内移动，最终和围护结构一起达到平衡。竖向位移为土体水平移动后导致土层变薄所致，为附带位移，因此较水平位移小。

3.2结构内力

根据三维有限元分析结果表明，地铁结构的弯矩、轴力在基坑开挖过程中变化值比较小，变化最大值出现在Ⅰ号出入口处，轴力最大变化值为69 kN／m，弯矩最大变化值为58 kN·m／m，对地铁结构受力影响很小，计算结果详如表4所示。

表4　轴力、弯矩变化表Table 4 Variation of axial force and bending moment

4　Plaxis有限元平面模拟分析复核

考虑本工程与地铁车站距离太近（最近处为2.1 m），为确保地铁车站的变形及内力变化的安全，须采用Plaxis有限元模型进行模拟分析复核有限元分析软件MIDAS／GTS的计算结果。因本项目基坑与地铁结构基本成平行分布，符合平面模型的特点，因此采用Plaxis平面模型进行复核。

Plaxis平面模型中，边界条件、土层参数及本构关系、地铁结构参数及本构关系等详见2.1节，工况阶段分析同表3。采用plate单元模拟围护结构、车站结构，anchors单元模拟锚索，soil＆interface单元模拟地层；采用水土分算的模式，摩尔－库伦破坏准则仿真模拟地层情况。计算模型范围以基坑外轮廓或者地铁结构外轮廓为基准，外扩不小于25 m（约2倍基坑深度）而建立。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移。模型左右两侧约束水平向位移，建立模型如图8所示。

计算结果如表5—8所示。

同时，深基坑施工造成邻近地铁结构的受力状态变化为：轴力最大变化值为77 kN／m，弯矩最大变化值为69 kN·m／m（均出现在出入口位置），地铁结构的受力变化处于可控范围。

图8　地铁各结构与开挖土体关系的Plaxis模型Fig.8 Plaxis model of relationship between Metro station structure and foundation pit cutting

表5　车站主体结构的位移汇总表Table 5 Summary of displacement of main structure of Metro station

表6　车站Ⅲ号出入口的位移汇总表Table 6 Summary of displacement of No.3 entrance of Metro station

表7　车站Ⅰ号出入口的位移汇总表Table 7 Summary of displacement of No.1 entrance of Metro station

表8　桩基位移汇总表Table 8 Summary of displacement of pile foundation

通过计算结果可知，对结构位移与内力，均与有限元分析软件MIDAS／GTS计算的结论一致，因此可以判断深基坑施工不危及邻近地铁结构的安全。

5　结论与讨论

通过建立的三维有限元模型分析了西朗公交枢纽站基坑项目对地铁车站主体结构、出入口及桩基的影响，因本工程与地铁车站距离超近，同时采用Plaxis有限元模型进行模拟分析复核有限元分析软件MIDAS／GTS的计算结果，从以上计算过程及结果可知：

1）地铁车站结构受基坑开挖的影响较小，不需要采用额外的基坑加固措施便能确保地铁结构的安全。

2）针对与地铁车站距离超近的基坑开挖工程，为满足开通运营的地铁车站对自身的变形及内力变化要求，宜采用2种或2种以上的分析模型进行安全评估计算。

3）本工程中，基坑施工造成邻近地铁结构的受力状态发生一定程度的改变，但引起地铁车站结构、出入口及桩基的位移较小，且邻近地铁结构的受力变化处于较低水平，故本深基坑施工不危及邻近地铁的结构安全，不影响地铁的正常运营。

在后续的施工过程中，可根据计算结果，合理优化布设监测点，出入口处应加密布设，桩基处可适当减少布设，以节约投资；同时，应重点监控水平位移，必要时根据监测数据采取相应的施工加强措施。

由于广州地区工程地质的复杂性，在进行数值模拟分析时极难选取合适的参数来反映现场实际，而且，在本文的模拟中并未考虑地下水的影响，这些都是有待于今后进一步研究和讨论的。

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Case Study on 3D Finite Element Analysis on Influence of Cutting of Foundation Pit on Safety of Existing Adjacent Metro Station

DING Le
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

Abstract：With the rapid development of urban Metro projects，the construction of foundation pits will have impact on existing adjacent Metro stations.As a result，a more reliable safety assessment system is needed when the foundation pit is close to the existing Metro station.The 3D finite element model is established for foundation pit cutting by using the finite element analysis software MIDAS／GTS，considering the boundary conditions and parameters of soil strata.First，the initial status of the Metro station is calculated；then the displacement and internal force variation of the Metro station induced by foundation pit cutting is calculated.The calculation results can be used to determine the influence of foundation pit cutting on the Metro station.Meanwhile，it is proposed that finite element model should be used for checking，which provides a feasible method for safety assessment of Metro station.

Key words：foundation pit cutting；adjacent Metro station；3D finite element model；structural displacement；structural internal force

作者简介：丁乐（1984—），女，湖南汉寿人，2009年毕业于大连理工大学，市政工程专业，硕士，工程师，现从事地铁车站及地下结构工程方面设计工作。

收稿日期：2015－01－13；修回日期：2015－03－18

中图分类号：U 459.3

文献标志码：A

文章编号：1672－741X（2015）04－0328－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.04.008