超长、超大基坑开挖对邻近地铁结构安全影响的数值模拟分析

丁 毅，邢艳如

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

超长、超大基坑开挖对邻近地铁结构安全影响的数值模拟分析

丁 毅，邢艳如

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

为了研究超长、超大基坑开挖对邻近地铁结构安全影响，以西安地铁2号线周边某基坑为工程实例，通过运用数值分析软件，结合场地的水文地质和工程地质条件，建立数值模型，进行施工过程的动态模拟，同时进行现场监测，经对比数值模拟结果及监测数据，表明运用PLAXIS软件能有效的模拟基坑开挖过程中的土体变形。同时工程采用的分段、分块开挖，中心岛顺做，周边预留土台反压、使用旋喷锚索的支护方案，对复杂条件下基坑开挖对邻近地铁结构的变形影响能起到有效的控制作用，可对类似工程的设计优化提供有益的参考及借鉴。

超长超大基坑；中心岛法；旋喷锚索；数值分析

当前，地面交通压力持续增加，全国城市轨道建设正在如火如荼开展中，以西安为例，地铁1、2、3号线已经通车运营。而随着地铁线路分布的越来越广，带动周边房地产开发热潮[1]，大型基坑在既有地铁周边开挖的现象逐渐增多。基坑开挖卸载会影响周边土体的应力变化，进而引起地铁结构发生水平变形和不均匀沉降，对乘客的安全和地铁正常运营产生严重威胁[2]。为了保护城市轨道交通的结构，降低外部作业对其造成不利影响，规范要求地铁沉降量、水平位移量<20 mm；纵向变形曲线的曲率半径控制值R>15 000 m；相对变曲控制值<1/2500[3]。

目前针对基坑开挖对邻近地铁结构的影响，国内外学者已经做了很多的研究，得到大量实测数据，给出一定的变形规律[4-5]，并对邻近地铁的基坑设计重点分析[6]。但在黄土地区，超长、超大基坑开挖对周边地铁结构的影响研究较少，在此条件下，如何确定支护及开挖方案、保证地铁的安全，具有较高的研究价值。

本文以西安地铁2号线周边一超长、超大基坑为背景，充分考虑土体开挖的时空效应，制定了基坑分段、分块开挖、中心岛顺作、周边预留土堆反压的支护方案。同时运用数值分析软件，结合实际场地的水文地质和工程地质条件，建立数值模型，进行施工过程的动态模拟，并对地铁结构的安全进行评价，以期对西安地区类似的基坑工程设计和施工起到一定的指导和借鉴意义。

1 工程概况

1.1 项目简介

本项目基坑南北长约640 m，东西最大宽度240 m，占地面积88 200 m2，规划建筑面积近100×104m2，是集购物、餐饮、娱乐、办公、公寓和住宅等多种业态为一体的综合开发项目。项目自北向南划分为基坑A、基坑B，基坑C三个子基坑，大部深约20 m。

基坑A毗邻地铁矿山法隧道与盾构区间，与矿山法隧道最小净距约为21.4 m，基坑C靠近地铁车站、附属结构及盾构隧道。与车站主体最小净距约14.6 m，与附属结构最小净距约1.7 m，与盾构隧道最小净距约9.2 m。基坑B处于基坑A与基坑C之间，如图1所示。

图1 基坑与地铁结构平面关系图

1.2 工程地质概况

1.3 支护方案总体思路

如此大规模基坑开挖卸载会导致基底隆起和侧向变形，从而引起已运营的地铁结构也发生变形。目前国内已有部分建(构)筑物施工造成邻近地铁结构安全影响的案例[7]。

本基坑长度过大，实践证明，利用基坑开挖的时空效应，将长大基坑分块、分层开挖可以控制支护结构变形[8]；而采用中心岛支护，预留土堆的开挖方案已经被多个工程利用控制支护结构的内力及变形，并取得较为理想的效果[9]。

本项目基坑A离着地铁隧道较远，拟采用桩+多道锚索支护；基坑B宽度较窄，可考虑采用排桩+多道内支撑支护；基坑C采用中心岛支护，先施工东侧地下室结构，然后顺作开挖西侧土体，采用排桩+多道内支撑支护。

如何合理有效的制定开挖分块的大小、预留土堆的范围以及锚索支护的参数是本方案支护设计的关键所在。支护方案总体思路见图2。

图2 支护总体思路图

2 数值计算模型

2.1 计算软件及土体模型

利用岩土有限元软件进行数值模拟是比较常见的分析手段[10]。首先来确定本工程的关键支护参数，再得到基坑开挖后的地铁结构变形情况。

三维模型计算采用FLAC3D，土体采用了广义摩尔-库仑模型。有限差分法软件中的摩尔-库仑本构模型屈服破坏面包含拉伸破坏和压剪破坏两部分，当压缩破坏时，满足非关联的流动法则；当拉伸破坏时，满足相关联的流动法则[11]。

二维细部模型采用PLAXIS 2D中经典的硬化土体本构模型。硬化塑性模型的屈服面在主应力空间中不是固定的，而是由于塑性应变的发生而膨胀。该模型可同时考虑剪切硬化和压缩硬化，这两种类型的硬化都包括在当前的模型之中。硬化土体模型很好的模拟了在主偏量加载下，土体的刚度下降，同时产生了不可逆的塑性应变[12]。

2.2 数值模型与参数确定

数值计算模型大小按如下原则选取：既有地铁结构以西，取基坑开挖边界以外2倍开挖深度；由于基坑范围较大，只对有可能对地铁结构造成影响区域外扩2倍基坑深度范围进行建模；沿深度方向，取基坑底2倍开挖深度。地铁结构采用线弹性模型，取相应标号混凝土，密度为25 g/cm3。采用锚杆单元及Embedded桩单元分别模拟锚索的自由段及锚固段，锚杆单元根据钢绞线面积得出实际的EA；Embedded桩单元桩径取钻孔孔径，摩阻力按照地勘报告输入，锚固段弹性模量E取值1.8×104N/mm2。对本项目先施工结构及内支撑结构采用弹性板、梁单元模拟，采用界面单元来模拟本项目支护桩与土体的摩擦作用。

表1 土体材料参数(硬化土体模型)

3 支护结构关键参数研究

3.1 超长基坑分段开挖研究

在我国沿海软土地区，在工程实践及科学研究中发现土的工程性质与时间和空间存在密切的关系。通过有目的的将一个长大基坑分为多段、多层开挖(见图3)，及时支护，能够有效地控制周边地层的变形[13]。

在黄土地层，类似的研究很少，本项目基坑长达640 m，利用三维数值软件来模拟分块长度分别为60 m、45 m、30 m、20 m的情况下，邻近地铁结构的最大水平位移变化情况。竖向开挖每层厚度均为2 m。

图3 基坑分块开挖示意

利用三维有限元软件FLAC3D来动态模拟分段开挖的施工过程，每一段基坑及时施作支护结构(见图4)。

图4 三维模型及位移云图结果

不同分段长度下，地铁结构的最大水平位移如图5所示。

图5 基坑分段地铁变形结果

由于地铁车站主体的自身抗侧向刚度很大，不同分段长度下，其水平变形变化很小。矿山法隧道刚度较大，且离基坑较远，其变形变化也不大。基坑靠近这两处可采用较大的分段长度。

盾构隧道与出入口处结构的最大水平位移与基坑开挖分段关系较大。随着分段变长，地铁结构变形发生较大增加。

由以上结果可知，在西安黄土地层，地铁车站主体及矿山法隧道周边基坑分段开挖长度可以取45 m～60 m；而靠近地铁出入口及盾构隧道处的基坑分段长度不宜超过30 m。

3.2 中心岛预留土台研究

本工程最南侧基坑C与地铁车站附属结构最小净距约1.7 m，与盾构隧道最小净距约9.2 m，拟在靠近地铁结构一侧预留反压土体，中心岛地下室施工完成后，反压土体区域自上而下开挖，采用混凝土支撑与钢支撑混合的支撑体系。国内已有很多类似工程，对周边建筑构筑物保护效果较好，也形成了一定的成果[14]。但是关于黄土地区中心岛预留土台宽度的研究较少。

利用二维有限元软件PLAXIS 2D，研究预留土台底部宽度分别为27 m、38 m、48 m，即约为基坑深度1.5倍、2.0倍、2.5倍时，地铁结构最大水平位移的变化情况。

首先得出不同宽度预留土台，地铁出入口的变形情况，见图6～图11。

图6 预留土台宽27 m地铁出入口变形

图7 预留土台宽38 m地铁出入口变形

图8 预留土台宽48 m地铁出入口变形

当预留土台的宽度从27 m、38 m变至48 m时，地铁出入口的最大变形从6.33 mm、2.99 mm最终减少至1.16 mm。

图9 预留土台宽27 m盾构隧道变形

图10 预留土台宽38 m盾构隧道变形

图11 预留土台宽48 m盾构隧道变形

由图9～图11可知，靠近盾构隧道一侧，当预留土台的宽度从27 m(1.5倍)、38 m(2.0倍)变至48 m(2.5倍)时，地铁出入口的最大变形从3.25 mm、1.66 mm最终减少至0.97 mm，结果如表2所示。

表2 不同土台宽度下地铁结构变形汇总

土台宽度较大，对控制邻近地铁的变形有利，但是影响整个项目工期筹划。由结算结果可知，黄土地层当邻近地铁结构在基坑外1倍地铁宽度(直径)范围内时，土台底部预留宽度取1.5倍基坑深度为宜；当邻近地铁结构在基坑外1倍地铁宽度(直径)范围外时，土台底部预留宽度取1倍基坑深度即可。

3.3 基坑A锚索参数研究

本工程最北侧基坑A，与地铁矿山法隧道最小净距约21.4 m，若采用普通锚索，为了控制基坑变形，锚固段与地铁结构距离过近，将危及其安全。而类似工程经验可知，高压旋喷锚索相比普通锚索提高了抗拔力及抗变形性能[15-16]。

相同几何参数下，分别计算采用孔径300 mm的自进式旋喷锚索及孔径150 mm普通锚索的支护体系，得出基坑开挖到底后的水平位移云图，见图12。

图12 旋喷锚索、普通锚索水平变形对比

由上述计算结果可知，采用普通锚索，基坑最大位水平移约24.09 mm，而采用高压旋喷锚索后，基坑最大水平位移为15.91 mm，进而控制地铁矿山法隧道最大位移为4.58 mm。

4 数值计算结果

4.1 基坑开挖到底水平位移云图

将基坑开挖到底后，各不利位置的水平变形云图整理见图13、图14。

图13 矿山法隧道、盾构隧道处水平位移云图

图14 地铁出入口、车站主体处水平位移云图

4.2 邻近地铁结构变形

将地铁结构的变形进行提取见图15、图16。

图15 矿山法隧道、盾构隧道最大变形

图16 地铁出入口、车站主体最大变形

4.3 结果分析

通过数值分析可得到以下结论：

(1) 基坑A采用旋喷锚索支护体系，基坑开挖到底后，支护桩最大水平位移约15.91 mm，最大水平位移大致发生在桩顶处。

(2) 基坑C采用中心岛+内支撑体系，基坑开挖到底后，支护桩最大水平位移约11.4 mm～13.4 mm，最大水平位移大约发生在桩顶下1/3基坑深度处。

(3) 地铁车站主体最大位移约3.48 mm，矿山法隧道最大位移约4.58 mm，盾构隧道最大位移约7.60 mm，地铁出入口最大位移约9.51 mm。地铁变形以水平变形为主，竖向位移很小。

(4) 地铁结构的最大变形均满足相关规范的要求。

5 数值模拟结果与实测结果对比

本基坑部分区段已开挖到底，为了验证数值模拟的准确性，利用施工过程中的监测数据，和邻近的计算断面结果进行对比分析。

监测数据显示，基坑A段，支护结构最大水平位移18.47 mm，矿山法隧道最大水平位移2.46 mm；基坑C段，支护结构最大水平位移12.28 mm，地铁出入口最大水平位移5.46 mm。地铁结构的变形满足相关规范的要求，对其正常运营未造成影响。

对比第4节分析结果，监测数据与数值模拟结果趋势基本一致，支护结构最大水平位移差别不大，地铁结构最大水平位移监测结果较数值模拟结果小，但在合理的范围中。证明数值计算采用的土体本构模型适合本项目地层，土体参数基本准确，支护及土方开挖方案合理可行，可为西安黄土地区类似工程提供参考及借鉴。

6 结 论

(1) 监测数据与数值模拟结果趋势基本一致，数值计算采用的PLAXIS硬化土体本构模型适合本项目地层，土体参数基本准确，可为西安黄土地区类似工程提供参考。

(2) 将一个长大基坑分为多段、多层开挖，及时支护，能够有效地控制周边地层的变形。由计算结果可知，黄土地区地铁车站主体及矿山法隧道周边基坑分段开挖长度可以取45 m～60 m；而靠近地铁出入口及盾构隧道处的基坑分段长度不宜超过30 m。

(3) 在黄土地层，当邻近地铁结构在基坑外1倍地铁宽度(直径)范围内时，土台底部预留宽度取1.5倍基坑深度为宜；当邻近地铁结构在基坑外1倍地铁宽度(直径)范围外时，土台底部预留宽度取1倍基坑深度即可。

(4) 计算及监测数据显示，自进式锚索相比普通锚索提高了抗拔力及抗变形性能。

(5) 地铁结构的最大变形满足相关规范要求，地铁结构的正常运营未受到影响，证明本工程采用的支护及土方开挖方案合理可行，可对类似工程的设计优化提供参考及借鉴。

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Numerical Simulation and Analysis of Subway Structure Safety Influenced by Excavation of Super Long and Large Foundation

DING Yi, XING Yanru

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

In order to analyze the influences of super-long and large excavation on the adjacent subway structure, this paper took the foundation pit surrounding the Xi'an metro line 2 as an engineering example, a numerical model was developed to carry out the dynamic simulation and safety evaluation of the subway structure during the construction process. The simulation results and monitoring data show that PLAXIS software can effectively simulate the excavation of soil in the process of deformation, the piecewised excavation method which divide the whole project into small pieces and adopt the support scheme of center island method which use surrounding soil table to resistance pressure at the same time, plus use of rotary spray anchor cable, have an effective effects on the deformation of metro structure control caused by the excavation of foundation pit.

super long large foundation pit; center island method; rotary spray anchor cable; numerical analysis

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.033

2016-12-07

2017-01-10

丁 毅(1984—)，男，甘肃兰州人，硕士，工程师，主要从事岩土工程设计工作。E-mail: creep0506@163.com

邢艳如(1987—)，女，河南濮阳人，硕士，工程师，主要从事岩土工程设计工作。E-mail:348062218@qq.com

TU441+.6

A

1672—1144(2017)02—0170—06