基坑施工对紧邻地铁结构安全性的影响分析

张 祁，张 敏

(天津市勘察院， 天津 300191)

随着国家城市建设的快速发展，已有运营地铁结构周边的建筑工程施工不断增加[1-2]。其中，建筑工程基坑开挖对既有地铁结构的影响越来越受到各方的重视。建筑工程基坑开挖能够导致既有地铁结构产生变形甚至造成既有地铁结构发生严重损坏[3-4]。故，为了保证既有地铁结构的安全,在基坑工程施工前，对其进行安全性评估显得尤为关键。

迄今为止，某些国内外学者已经对地铁结构受周边基坑开挖影响这一课题开始了研究分析。研究分析了不同开挖方式、开挖深度等情况对既有地铁结构的变形影响[5-6]。并利用数值模拟的方法对上述不同情况下地铁变形结果进行了有效的论证，一定程度上分析了引起地铁结构变形的影响要素[7-8]。利用有限差分软件分析了基坑施工对地铁结构的影响范围及影响程度[9-10]。利用MIDAS有限元软件分析了运营地铁正上方基坑施工对地铁结构的影响程度[11-12]。由此可见，应用有限元分析地铁结构受周边基坑施工影响的安全性评价是十分有效的方法[13-15]。

本文以某工程基坑开挖为例，运用大型通用有限元分析软件PLAXIS 3D进行数值分析，分析了基坑降水、开挖及楼板施做过程中，地铁结构的位移情况。利用数值模拟结构及相关规范，提供安全性评估建议。

1 工程概况

该项目位于南开区迎水道和苑中路交口，某地铁站旁。该项目包括1栋21层办公楼，拟采用框架核心筒结构；1栋25层住宅楼，拟采用剪力墙结构；1栋4层商业，拟采用框架结构及整体两层地下室。本基坑工程总周长约410 m，基坑总面积约为9 800 m2。纯机械停车库区域，基坑深度13.15 m；普通车库及住宅楼区域，基坑深度11.75 m；办公楼区域，基坑深度12.75 m。基坑平面见图1。

2 评估标准

参照相关规范及国内各地区地铁保护区相关标准，并结合类似工程经验,地铁结构控制指标按照表1进行。

图1 基坑平面图

3 基坑施工数值模拟

3.1 模型结构尺寸

采用岩土有限元分析软件建立整体三维有限元模型进行计算分析，X轴为基坑长边方向,Y轴为基坑短边方向,Z轴为竖向方向。考虑基坑自身尺寸及开挖深度,且为消除模型边界效应，X轴、Y轴、Z轴方向分别取300 m、230 m、50 m。模型计算采用10节点四面体单元，共划分94 764个土体单元，131 772个节点。计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图2。总体模型划分为三个部分：(1) 邻近地铁结构的基坑；(2) 车站自身；(3) 车站邻近的隧道。

3.2 模型边界条件

本计算模型采用如下的边界条件：模型顶面不设置约束,为自由面；在模型底面各个方向均固定；模型四个侧面均只设置法向约束，数值方向不设置约束。

图2计算模型示意图

3.3 计算参数

土层物理力学参数均取自该工程的勘察报告,采用弹塑性模型进行计算，详见表2。

表2 土层物理力学参数

表3为隧道衬砌、车站结构、地连墙、支撑、楼板和柱等结构的力学参数。上述结构均采用弹性模型。数值模拟计算过程中,均假定这些结构处于弹性阶段。模型中，楼板和地连墙用板单元模拟；混凝土结构重度均为25 kN/m3，表中不再赘述。

表3 结构力学参数

3.4 分析步设置

(1) 平衡地应力；

(2) 生成隧道和地铁车站；

(3) 清零位移，生成地连墙；

(4) 生成基坑内工程桩以及主体结构柱；

(5) 第1层降水，降至埋深-1.75 m(顶层楼板底面)；

(6) 第1层土开挖，开挖至-1.75 m(顶层楼板底面)；

(7) 第1层楼板和支撑施作；

(8) 第2层降水，降至埋深-6.65 m(2层楼板底面)；

(9) 第2层土开挖，开挖至-6.65 m(2层楼板底面)；

(10) 第2层楼板和支撑施作；

(11) 第3层降水，降至-12.15 m(3层楼板底面)；

(12) 第3层土开挖，挖至-12.15 m(3层楼板底面)；

(13) 第3层楼板施作。

4 数值模拟结果分析

4.1 车站结构位移分析

4.1.1 车站主体结构位移分析

主体结构底板完成时，土体的卸荷效应最大，车站产生最大位移。车站的水平、竖向位移图见图3～图5。

图3车站结构底板完成时车站最大X向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站主体最大X向水平位移为1.13 mm。

图4主体结构底板完成时车站最大Y向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站主体最大Y向水平位移为3.94 mm，变形方向为指向基坑方向。

图5主体结构底板完成时车站最大竖向位移云图

主体结构底板完成时，车站主体结构产生最大沉降位移为1.31 mm，最大隆起位移为0.17 mm。

4.1.2 车站附属结构位移分析

(1) 1号风道及3号出入口变形分析。基坑主体结构底板完成时，土体的卸荷效应最大，车站产生最大位移。车站附属结构中1号风道及3号出入口的水平、竖向位移图见图6～图8。

图6主体结构底板完成时1号风道及3号出入口最大X向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站1号风道及3号出入口最大X向水平位移为0.45 mm。

图7主体结构底板完成时1号风道及3号出入口最大Y向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站1号风道及3号出入口最大Y向水平位移为4.44 mm。

图8主体结构底板完成时1号风道及3号出入口最大竖向位移云图

主体结构底板完成时，车站1号风道及3号出入口最大竖向位移为2.12 mm。

(2) 4号出入口及2号风道变形分析。基坑主体结构底板完成时，土体的卸荷效应最大，3号线王顶堤站产生最大位移。车站附属结构中4号出入口及2号风道的水平、竖向位移情况见图9～图11、表4。

图9主体结构底板完成时4号出入口及2号风道最大X向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站4号出入口及2号风道最大X向水平位移为2.25 mm。

图10主体结构底板完成时4号出入口及2号风道最大Y向水平位移云图

主体结构底板完成时，车站4号出入口及2号风道最大Y向水平位移为4.01 mm。

图11主体结构底板完成时4号出入口及2号风道最大竖向位移云图

主体结构底板完成时，车站4号出入口及2号风道最大竖向位移为1.47 mm。

4.2 基坑开挖对既有3号线隧道的变形影响分析

主体结构底板完成时，土体的卸荷效应最大，隧道产生最大位移。隧道的水平、竖向位移情况见图12～图17、表5。

表4 主要施工阶段的变形情况

图12 主体结构底板完成时隧道最大

图13 主体结构底板完成时隧道最大X向水平位移变形图(放大100000倍)

图14主体结构底板完成时隧道最大

Y向水平位移云图

基坑开挖至底部时，3号线隧道产生最大的水平位移和竖向位移，X方向最大水平位移为0.78 mm，Y方向最大水平位移为1.68 mm，最大竖向位移为0.33 mm(沉降)。

表5 3号线隧道主要施工阶段的变形情况

图15 主体结构底板完成时隧道最大Y向水平位移变形图(10000倍)

图16 主体结构底板完成时隧道最大竖向位移云图

图17主体结构底板完成时隧道最大

竖向位移变形图(100000倍)

5 结 论

本文以该基坑工程为背景，分析了地铁结构受周边基坑施工的影响，利用PLAXIS 3D有限元软件对该工程进行数值模拟计算，通过对各个工况条件下地铁结构的变形分析得到以下结论：

(1) 受基坑开挖卸载影响，坑内土体发生隆起变形，围护结构外侧土体向基坑侧移动，导致地铁结构发生向基坑方向的水平位移，最大水平位移发生在地铁结构靠近基坑侧的位置，且发生在靠近基坑中部的位置。

(2) 随着基坑的逐次开挖，地铁结构的位移量明显增大。整个施工过程中，地铁结构的位移量都在允许范围之内。

(3) 受时间效应的影响，基坑工程开挖至基坑底面应快速施工底板，缩短晾槽时间，减少基坑开挖对既有地铁结构的影响。

(4) 基坑工程施工过程中，严格控制基坑围护结构与既有地铁及车站隧道上方的施工荷载不超过20 kPa。

(5) 基坑工程施工过程中，应对受影响的地铁结构进行不同程度的实时监测，监测内容包括结构裂缝、结构变形及轨道几何形态尺寸的变化等，尤其对基坑临近边中部的地铁结构等变形较大的部位应加强监测并保持高度关注。主要影响区内监测断面间距不宜大于10 m，基坑中部对应的车站部分应适当加密。结构监测应贯穿于基坑工程作业的全过程，直至外部作业完成且监测数据趋于稳定后方可结束。