超大面积深基坑开挖对毗邻地铁车站影响的监测与数值分析

李世辉

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，210003,南京//高级工程师)

目前，我国各城市地铁工程发展越来越快，随之带动了地铁邻近周边地块的开发与利用。周边地块的基坑开挖势必对毗邻的地铁车站结构产生影响，因此，对既有地铁车站结构的保护和基坑的施工安全应引起重视。

临近地铁深基坑周边的地下基坑施作目前已有大量的理论与应用研究[1-7]，其中有很多关于基坑结构安全保护措施的研究成果,但与地铁站零距离接触的大面积基坑项目实例则很少。本文结合南京地铁4号线某大型基坑的实例工程进行探讨分析。

1 工程概况

1.1 项目概述

南京地铁4号线旁某大型基坑项目位于南京市玄武区，徐庄软件园站南侧,苏宁大道和东来路交汇处(地铁车站结构已施工完成，为地下两层局部3层的的钢筋混凝土箱型结构，围护结构为φ1 000 mm灌注桩+内支撑形式)。该项目为地下1—2层的商业建筑，开挖深度8～15 m，围护采用钻孔灌注桩+混凝土内支撑，建筑面积约2.45万m2，平面形状呈倒"L"型，在苏宁大道段紧贴已有地铁围护结构桩。该项目与地铁车站平面位置关系如图1所示。

图1 项目与地铁车站平面位置关系图

1.2 基坑地质条件

根据岩土工程勘察报告，项目的场地土层自上向下分别为:①层人工填土,②层新近沉积土,④层粉质黏土,④-4e层含卵砾石粉质黏土,T2h-2强风化泥质粉砂岩及T2h-3中风化泥质粉砂岩。地下水可分为潜水、弱承压水和基岩裂隙水[8]。

场地环境类型属Ⅱ类，经调查场地及周围无环境污染源。根据项目《水质分析报告》，按GB 50011—2001《岩土工程勘察规范》中第12.2条判定：场地地下水对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

1.3 保护措施

由于项目与地铁车站结构零距离接触，且开挖面积大，故该项目基坑开挖过程中对地铁车站结构需采取如下必要的保护措施。

(1)对基坑围护结构、交通疏解道路路面等均应加强施工监测。严格控制地面沉降量和围护结构的变形。

(2)为增加支撑的整体稳定性，控制地铁车站结构的变形,基坑围护采用两道桁架混凝土支撑，临近地铁车站一侧第2道混凝土支撑加密，增设边桁架梁系，如图2所示。

图2 临近地铁车站一侧第2道混凝土支撑平面图

(3)对地铁车站结构、共用围护桩及冠梁，采用实时监测等措施来控制基坑开挖过程中地铁车站侧墙及围护桩的变形。

(4)做好防渗处理，避免地下水位上升对内部造成污染。施工时做好基坑监测和地下水位观测，加强基坑底部防水设计与处理。

(5)基坑围护采用钻孔灌注桩+混凝土支撑，局部桩间做旋喷桩。

2 现场监测

基坑开挖全过程中，通过对既有地铁车站结构变形的实时监测，为车站结构的安全提供保障。现场监测的主要方式如下[9-10]：

(1)以项目设计文件为指导，以专家评审后的监测方案为依据来实施监测。

(2)不同开挖深度时以及底板浇筑后不同时间的监测频率如表1所示。

(3)对于与地铁车站结构共用的围护桩及冠梁，基坑开挖过程中需控制地铁车站侧墙的水平位移不大于8 mm、竖向位移不大于5 mm，围护桩水平位移不大于8 mm、竖向位移不大于15 mm。基坑监测项目的监控报警值取控制值的70%。

(4)项目基坑开挖过程中，应全程监测与实时分析，严格控制变形，将对既有地铁车站围护结构的影响降到最低。

表1 基坑开挖中不同开挖深度阶段以及底板浇筑后不同时间阶段的监测频率表

(5)监测、监理、施工等单位需做好各方面的配合工作，根据实测数据，及时做好应急措施，并及时向设计单位反应现场情况，确保施工过程中的安全。

项目基坑开挖过程中，对已有地铁车站结构的影响分析主要包括地铁车站侧墙及围护桩的水平位移和竖向位移的监测数据分析。对临近一侧的地铁车站侧墙，按每10 m一段(共24处)进行监测数据分析。

2.1 地铁车站结构变形

由图3可以看出,项目施工过程中,测点T1—T24在各阶段中水平位移不断变大，在底板浇筑前至底板浇筑结束阶段的各测点水平位移最大，其中测点T12位移最大，达到-1.75 mm，但也在可控范围内。

图3 地铁车站侧墙水平位移监测曲线

从图4可以看出,各测点竖向位移均为负数。说明在开挖过程中，地铁车站结构侧墙处于下沉状态，且随着开挖深度加大及时间效应的影响，竖向位移数值逐渐变大。在底板浇筑前至底板浇筑结束阶段的各测点竖向最大位移值为-1.48 mm，符合基坑开挖阶段工况设计值。

图4 地铁车站侧墙竖向位移监测曲线

2.2 地铁车站围护桩变形

项目施工过程中，实测地铁车站围护桩水平位移和竖向位移分别如图5和图6所示。由图可见,基坑开挖阶段车站围护桩水平位移数值和变化趋势与侧墙相似，相差在±0.06 mm内。二者数值接近的主要原因是车站结构与围护体系通过底、中板连接形成一个整体，在受力过程中，变形相差很小。

图5 地铁车站围护桩水平位移实测曲线

图6 地铁车站围护桩竖向位移实测曲线

二者数值有差异，主要是由围护桩与车站结构之间连接的微小间隙所引起。

监测数据在各阶段基本呈平缓走势，说明在受力状态下，结构之间形成一定的整体稳定性，且各阶段监测位移值均在设计可控范围内，说明结构设计及施工方法是可行的。

3 有限元数值分析

3.1 数值分析计算模型

采用MIDAS GTS-NX软件来分析模拟基坑施工中各工况对既有地铁车站的变形影响。

本文计算中得出的地铁车站结构变形是由于毗邻的大面积深基坑施工对土体扰动引起的。结合工程的实际情况和特点，针对临近地铁车站区域进行三维有限元分析，包括对土体、既有车站梁板柱及围护桩,对本工程围护桩、支撑、围檩、格构柱和格构柱桩基等的分析。

计算模型所取土体总厚度40 m、总长度300 m、总宽度120 m，在此区域模拟土层，通过激活和钝化开挖区的土体单元模拟基坑施工过程。既有车站取构件实际材料与尺寸。

数值计算中，上表面边界条件自由，其余表面法向位移约束设为零。既有地铁车站位于苏宁大道下方，地面车辆荷载偏于安全考虑取35 kN/m2;综合考虑周边建筑基础形式、楼层及距离，数字文化产业园区域上部荷载取75 kN/m2;其余非开挖面土体表面活荷载取30 kN/m2。项目的有限元模型如图7和图8所示。

图7 项目三维计算模型

施工阶段共分以下7个工况。

工况1：初始阶段，包括既有地铁车站、土体、周边建筑等。

工况2：施作基坑围护桩、格构柱桩基、格构柱和冠梁。

工况3：基坑开挖1 m。

图8 基坑与周边位置关系模型

工况4：施作第一道混凝土支撑。

工况5：基坑开挖5 m。

工况6：施作第二道混凝土围檩及支撑。

工况7：开挖至基坑底。

3.2 模型材料及属性

各土层采用摩尔-库伦本构关系，其余均采用弹性本构关系。基坑北侧既有地铁车站围护结构采用φ1 000 mm@1 500 mm钻孔灌注桩，本次模型中按等刚度代换原则将围护桩等效为围护墙；同理，项目围护桩等效同上。各土层和主要围护结构材料参数如表2和表3所示。

表2 基坑各土层主要参数表

表3 基坑围护各主要构件参数表

3.3 计算结果分析

基坑开挖过程中，对已有地铁车站结构的影响分析主要包括既有地铁车站侧墙变形的数据分析。

基坑开挖过程中，随着开挖深度的加大，地铁车站侧墙的变形也随之增大，对应既有地铁车站及基坑围护应力云图如图9和图10所示。

图9 基坑开挖完成车站及基坑围护水平变形云图

对临近基坑一侧的地铁车站侧墙，取每10 m一段(共24处)，读取其变形数值，每段最大变形结果与监测数据对比如图11和图12所示。

图10 基坑开挖完成车站及基坑围护沉降云图

图11 地铁车站侧墙水平位移

通过开挖各过程中的数值分析与监测数据对比分析可知，数值分析中地铁车站结构的最大水平位移3.51 mm，最大沉降2.19 mm,各阶段监测数据均小于数值分析，说明采取的保护措施提高了结构的稳定性，控制了结构的变形。

图12 地铁车站侧墙沉降

由图11、图12可以看出，两端数据值较小，中间较大，且呈平缓走势。说明基坑开挖对临近地铁车站结构有一定影响，中间影响较大,两端影响较小。数据呈平缓走势，说明在受力状态下，结构之间具有一定的整体稳定性。各阶段位移值均在设计可控范围内，说明工程结构及施工方法设计具备可行性。

4 结论

通过对基坑开挖各阶段中既有地铁车站结构的监测和数值分析，得到基坑开挖对紧邻地铁车站结构的影响规律。分析结果显示,变形均在规范允许范围内，说明基坑设计的支撑布置体系及开挖的施工组织均合理可靠。主要结论如下：

(1)基坑应采取合适的支护体系，如靠近既有地铁车站一侧支撑加密，增设桁架系梁，以便增加支撑的整体稳定性，使地铁车站结构的变形得以控制。

(2)基坑开挖过程中，应严格按照设计要求及指导文件来监测地铁车站结构变形，以确保工程结构的安全可靠性。

(3)应采取严格的地铁车站结构保护措施，有效地控制临近既有地铁车站的结构位移。