临近箱涵施工对地铁车站影响的数值模拟分析

曹海青 刘 贺 顾炜澄

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

近年来，城市化进程不断加快，人们生活节奏不断加快，地铁因其运量大、速度快、安全、准时、环保、节约能源和用地等优点，成为人们日常出行的首选。地铁的建设和开通，深刻的影响着城市的发展和空间形态，极大的提升了地铁沿线土地资源的利用价值，使得地铁周边的建设活动不断增多[1]。工程建设多伴随有土体的开挖。开挖会引起地层应力场和位移场重新分布，对临近已建地铁设施产生附加应力和变形，给地铁设施的保护提出了更高要求[2-4]。然而从目前研究的现状来看，由于基坑工程施工工艺复杂，且场地条件多样，对于基坑对地铁车站、区间的影响尚无精确的解析解[5]。现阶段常采用数值模拟的方法对地铁隧道和车站的变形进行评估。如何模拟开挖对地铁隧道的影响目前已有了许多研究[6]，而对于箱涵施工对地铁车站的影响鲜有提及[7，8]。

箱涵基坑多为狭长的矩形，施工期间将造成周围土体应力改变，从而导致一系列力学行为变化，对下方既有地铁的稳定性产生影响[9]，地铁车站一般为箱型结构，结构抗变形能力较强，受外部影响较小。然而常州地铁受区域地质影响，地铁车站多处于富水砂层，增加了车站的环境敏感性，且一旦出现事故危害极大，这无疑给该地区地铁设施保护提出了严峻的挑战[10]。

本文以嫩江路框架箱涵上跨常州地铁一号线旅游学校站工程为背景，采用ABAQUS软件分析评估了箱涵施工对下方既有地铁车站变形和受力情况的影响，分析方法和结果可为类似工程借鉴。

1 工程概况

项目位于常州市新北区已建地铁1号线旅游学校站，工程范围有一条规划河道，规划河宽25 m，河道尚未开挖。河道与地铁1号线走向正交，箱涵位于地铁车站正上方，箱涵走向与车站走向垂直。

车站为11 m岛式站台，地下两层双跨(局部三跨)矩形框架结构，车站标准段宽度为19.7 m，车站围护结构外包总长为464.45 m。车站顶板覆土2.8 m～4.2 m，标准段底板埋深17.0 m～17.8 m，端头井底板埋深18.6 m～19.5 m。

箱涵土体开挖原则上考虑整体开挖。此框架箱涵基坑开挖深度约4 m，开挖土料部分就地堆放，框架箱涵施工完成后用于此处的回填，其余土方全部外弃。

2 工程与水文地质条件

工程场地位于常州市新北区，属冲湖积高亢平原区，场地地形平坦。场地土层可划分为6个大层，14个亚层，其中本工程箱涵施工主要涉及的土层有：黏土、粉砂夹粉质黏土、粉砂、粉质黏土、粉质黏土夹黏质粉土。

常州市北临长江，南濒太湖，区内地表水系极为发育，为太湖上游高水网区。拟建场地的地下水类型主要有上层滞水和Ⅰ1层承压水。

3 箱涵施工对下方地铁车站影响的三维数值分析

3.1 数值模型建立

本次模拟分析选取大型通用有限元软件ABAQUS作为计算平台。

模型计算深度取50 m，南北向计算宽度取60 m，东西向计算宽度取60 m；桥梁南北最宽约50 m，河道东西最宽约25 m。根据计算模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，共计剖分单元295 965个。建立的“地铁站结构—桩基—箱涵”的三维计算模型如图1所示。

3.2 材料本构模型和计算参数

3.2.1土层本构关系及参数

假定土层是均质的和各向同性的且为水平层状分布，岩土体采用Mohr-Column弹塑性本构模型，综合考虑地勘报告资料确定土层力学参数，见表1。

表1 土层物理力学参数

3.2.2钢和混凝土本构关系及参数

钢和混凝土本构关系采用整体式的理想弹性模型，表达式：σ=Eε。

有关钢和混凝土物理参数按规范取值，见表2。考虑隧道衬砌管片的接头对衬砌结构刚度的影响,刚度折减系数取0.8。

表2 混凝土和钢筋计算参数

3.3 数值计算分析工况与步骤

拟计算的主要步骤如下所示：

资料的收集和分析→模型规划及建立(3D模型)→初始重力场计算→重力场初始化地应力平衡→桩基施工，计算系统内力和变位→一次开挖箱涵基坑，计算系统内力和变位→整体浇筑箱涵，计算系统内力和变位→道路施工及交通荷载施加，计算系统内力和变位→成果分析与总结。

3.4 计算结果分析

3.4.1地层变形

地铁车站变形位移主要受地层竖向位移影响，因此计算模型的整体位移主要讨论竖向位移(DY)。考虑到整个施工过程中，既有加载工序，又有卸载工序，因此模型整体竖向位移最大值分别按下沉(DY(-))和上浮(DY(+))两个方向讨论。模型各阶段地层竖向变形计算结果如图2所示。

根据上述数值计算结果可以看出，箱涵施工影响范围内土体，最大沉降出现在道路施工和交通荷载施加时，部位为基坑周边路面处，最大沉降量为11.2 mm，其次为一次完全开挖箱涵基坑时，部位为开挖部分两侧，最大沉降量为6 mm；最大上浮变形出现在一次完全开挖箱涵基坑时基坑底部，上浮量为6.7 mm；整个施工过程中最大沉降量为19.3 mm，最大上浮量为6.8 mm；箱涵浇筑完成施工路面和交通荷载后，土体最终沉降量为19.3 mm，最大上浮量为4.2 mm，各模拟阶段地层变化如图3所示。

3.4.2地铁车站变形

地铁车站结构刚度较大，施工引起的侧向变形极小，因此，地铁车站结构位移重点关注竖向(DY)的变形结果，见图4。

根据上述数值计算结果可以看出，路面施工和交通荷载施加引起的地铁车站结构沉降变形最大，车站顶部沉降最大值为1.5 mm；箱涵基坑开挖引起车站结构上浮变形最大值为2.3 mm，之后箱涵浇筑、路面施工及交通荷载的施加使上浮量逐渐减少，最终上浮量为0.1 mm。各模拟阶段车站变化如图5所示。

4 结语

1)箱涵施工过程中其影响范围内的土体会产生相应的竖向变形，其中基坑周围路面处的土体表现为沉降，其沉降量各阶段不断增大，在土体开挖和交通荷载施加两个阶段变化最大，分别变化了6 mm和8.2 mm，累计沉降最大值为19.3 mm。而基坑底部土体表面为上浮，主要表现在箱涵开挖阶段，最大上浮量为6.8 mm，随着箱涵的浇筑和交通荷载的施加，上浮量会有所减少。

2)箱涵施工过程中地铁车站最大上浮量出现在箱涵开挖阶段地铁车站上部，最大上浮为2.3 mm，之后随着箱涵的浇筑及交通荷载施加，逐渐减小趋于0；车站结构箱涵开挖及浇筑过程中未见明显下沉变化，仅在交通荷载施加后车站两侧出现变形，最大沉降量为1.5 mm。

3)箱涵施工的各个阶段均会引起地铁车站结构发生位移，地铁车站及隧道结构位移最大区域位于箱涵下方，总体呈现随离箱涵距离的增加而减少的趋势。相应的变形多出现在箱涵的开挖及后期交通荷载的施加阶段，应加强对这两个阶段的变形监测，保证地铁结构安全。

4)地铁车站的变形与车站周围地层变形存在一定的关联：地层土体是存在于基坑与地铁之间的有效介质，地层土体变形间接的反映了地铁结构的变形，当地铁结构周围地层发生较大变形时，地铁受力较大，变形也较大。

5)从本次模拟结果来看，嫩江路框架箱涵施工过程中对下部地铁车站产生的变形量在允许范围之内，因此该箱涵施工及使用不会危及到下方地铁车站的结构安全，不影响地铁的正常运营。