紧邻既有地铁车站大型深基坑开挖影响分析

王斌（安徽省综合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

紧邻既有地铁车站大型深基坑开挖影响分析

王斌
（安徽省综合交通研究院股份有限公司，合肥 230001）

依靠有限元分析软件，采用二维及三维模型，考虑基坑开挖时土体硬化过程，研究某大型深基坑开挖对紧邻既有地铁车站影响。通过分析地铁结构内力、水平及竖向位移随基坑开挖深度不同变化，得知基坑开挖至基坑底部时，既有地铁结构位移为最大值并满足控制标准，结构裂缝在整个基坑开挖过程中满足规范要求。这对类似工程具有参考价值。

有限元分析；大型深基坑；地铁车站

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.008

1　引言

地铁作为现代城市的交通主要干线，其安全性尤其重要。近年来，随着地下空间的不断发展，在已建的地铁周边或紧邻地铁车站修建地下工程不可避免。为了控制新的地下工程的修建对已建地铁工程的影响，严格要求新建工程施工过程中地铁工程耐久性及运营安全，至关重要[1，2]。地下工程结构耐久性主要体现在混凝土结构裂缝要求；有效控制工程建设对地铁结构的附加位移是地铁工程运营的安全保障。本文将以某一紧邻地铁车站结构的大型地下室基坑实际工程为背景，采用二维及三维有限元分析模型，分析开挖全过程中对地铁结构的影响，为设计和施工提供可靠依据。

2　工程概况

某地下室基坑长约107～121m，宽约106～113m，结构形式为地下3层框架结构。临近车站基坑深17.6～19.2m，基坑中部局部深约20.5m，坑底位于风化砂岩中。基坑采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用1000mm@1600mm钻孔灌注桩（部分为1500mm@1800mm灌注桩）+内支撑结构，围护结构方案详见图1。基坑围护桩底位于中风化砂岩层中。

基坑周边环境较为复杂，其中北侧为地铁车站主体结构、区间隧道、风亭及出入口，其中风亭与出入口合建。地铁车站主体结构为地下2层框架结构，结构埋深为17.065～20.102m，与地下室基坑最小距离为6.7m。风亭及出入口结构埋深约为12.232m，其中风亭南侧结构与地下室基坑紧临，地下室北侧部分基坑利用风亭先行施工的800mm@1000mm灌注桩作为围护结构。车站主体结构已基本施工完毕，风亭和出入口在地下室北侧基坑开挖之前完成主体结构施工。

图1　围护结构方案

3　计算参数及评价标准

3.1计算参数

本次采用M IDAS/GTS（岩土与隧道分析系统）有限元软件进行分析。二维有限元模型中，土体采用平面应变单元，混凝土支撑、围护桩、结构采用梁单元模拟；三维模型中，土体采用三维实体单元模拟，混凝土支撑采用梁单元模拟，其他结构均采用板单元模拟，材料按照线弹性来考虑。其中，为反映初次加载-卸载-再加载之间的土体刚度差别，杂填土、黏土采用H-S模型[3]，全风化砂岩、强风化砂岩、中风化砂岩采用摩尔库伦模型。土层材料参考地质报告，取值见表1。①层杂填土及②层黏土H-S模型中，与模量应力水平相关的幂指数m= 0.5，参考应力pref=0.1MPa，破坏比Rf=0.9。

表1　土层参数表

3.2评价标准

3.2.1基坑变形控制标准

按照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)规定：本次基坑开挖深度为19.2m，基坑安全等级定为一级；基坑与地铁车站风亭结构共用围护桩，基坑环境保护等级定为特级，控制标准为坑外地表最大沉降量≤0.10H%，围护桩体最大水平位移为0.10H%，H为基坑深度。

3.2.2车站附加变形控制标准

根据有关规定并参照国内其他城市轨道交通建设及运营经验，该基坑施工对轨道交通车站影响的控制标准为：铺轨前，竖向沉降20mm、水平位移20mm；铺轨后、试运行前，竖向沉降10mm、水平位移10mm；试运行后，竖向沉降5mm、水平位移5mm。

3.2.3车站结构裂缝控制标准

结构裂缝验算控制，按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）计算。根据地铁设计规范及相关要求，结构最大裂缝宽度允许值为：迎土面0.2mm；背土面0.3mm。

4　有限元计算分析

4.1计算模型

模型在纵向和横向应取基坑开挖深度的2～3倍。计算时的边界条件为：x轴方向采用x向约束；y轴方向采用y向约束；上表面为自由面。计算模型如图2、图3所示。

图2　二维有限元模型

图3　三维有限元模型

4.2计算工况

根据施工先后次序，计算中应包括如下计算工况：

1）开挖至第1道支撑下；

2）施工第1道混凝土支撑，开挖至第2道支撑下；

3）施工第2道混凝土支撑，开挖至基坑底；

4）施工地下室负2层结构；

5）拆除第2道混凝土支撑，施工地下室负1层结构；

6）拆除第1道混凝土支撑，施工地下室顶板。

4.3计算结果

1）二维有限元计算结果(见图4～图7)

图4　地表沉降变化图

图5　围护桩位移变化图

图6　主体结构位移变化图

图7　附属结构位移变化图

计算结果表明：基坑的最大水平位移7.6mm<0.10%H（0.10% H）=0.10%×19 200=19.2mm）；坑外地表的最大竖向位移1.76mm<0.10%H(0.10%H=0.10%×19200=19.2mm)，满足一级环境保护要求。整个施工阶段，车站主体结构的最大附加竖向位移为2.80mm，最大水平位移为0.87mm；风亭结构最大附加竖向位移为9.59mm，最大附加水平位移为0.86mm。

2）裂缝计算结果

根据计算得出既有车站主体及附属结构各构件内力，经验算，迎土面最大裂缝宽度为0.18mm＜0.2mm，满足要求。

3）三维有限元结果(见图8～图11)

图8　地表沉降变化图

图9　围护桩水平位移变化图

图10　主体结构位移变化图

图11　附属结构位移变化图

计算结果表明：基坑的最大水平位移13.3mm<0.10H%（0.10%H=0.10%×19200=19.2mm）；坑外地表的最大竖向位移1.67mm<0.01H(0.10H%=0.10%×19200=19.2mm)，满足一级环境保护要求。

整个施工阶段，车站主体结构的最大附加竖向位移为2.29mm，最大水平位移为8.68mm；2号风亭结构最大附加竖向位移为9.81mm，最大附加水平位移为8.68mm；区间隧道结构最大附加竖向位移为1.86mm，最大附加水平位移为9.55mm（见图12）。既有车站结构及区间隧道结构最大水平、竖向变形均小于控制经验值10mm，理论上表明施工对既有建筑物的影响处于安全范围。

图12　隧道结构位移变化图

5　结论

本文结合实际工程实例，分析了基坑开挖对既有地铁车站结构影响，得到以下结论：

1）根据计算分析，本项目施工满足轨道交通试运营前的变形控制标准，故本项目需在轨道交通工程试运营前完成地下室主体结构施工；

2）基坑开挖过程中，地铁车站结构裂缝变化较小，能满足规范要求；

3）地铁结构附加位移随地下室基坑开挖深度逐渐增大，基坑开挖至底时，附加位移最大；地下室结构施作阶段，地铁结构附加位移变化较小；

4）基坑开挖过程中，地铁结构具有水平方向向基坑内变形趋势，竖直方向向上隆起变形趋势；其对类似工程具有参考价值。

【1】曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对临近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报，2005,4（1）：642-645.

【2】朱正峰，陶学梅，谢弘帅.基坑施工对营运地铁隧道变形影响及控制研究[J].地下空间与工程学报，2006,2（1）：128-131.

【3】王卫东，王浩然，徐中华.基坑开挖数值分析中土体硬化模型参数

的试验研究[J].岩土力学，2012,22（8）：2283-2290.

Analysis of Large Deep Foundation Pit Excavation Adjacent to Existing Metro Station

WANG Bin
（AnhuiComprehensiveTransportationResearch InstituteCo.Ltd.,Hefei 230001,China）

Consideringsoilhardeningprocessofexcavation,the two-dimensionaland three-dimensionalmodelswere constructedw ith the finiteelementanalysissoftware toanalyzea largedeep foundation pitexcavationonadjacentto the existing subway station.Through analysis of change of the subway structure internal force,horizontal and vertical displacements,Itisconcluded thatitsdisplacementsachievesmaximum valueandcanmeetthecontrolstandards,and the structural cracks satisfies the specification requirements at the whole structure of the station.The analysis can provide referenceforsim ilarengineering.

finiteelementanalysis;thelargedeep foundation;subwaystation

U231.3;TU473.2

A

1007-9467（2016）11-0039-04

王斌（1987～），男，安徽宣城人，工程师，从事地下隧道工程设计与研究。

2016-05-27