深基坑施工对临近地铁车站稳定与变形特性研究

(华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510641)

引言

近年来，城市地铁建设正处在高速发展阶段，地铁车站作为地铁运营节点，其安全性十分重要。由于城市建设发展的需要，地铁车站不可避免的会受到临近工程活动的影响，包括深基坑开挖等。

针对基坑开挖对临近结构的影响，国内外很多学者进行了相关研究，主要通过理论分析[1]、数值模拟[2]、现场实测[3]等方法。其中结合工程实践的数值模拟方法得到了广泛的应用和发展，郑刚[4]等结合天津市某邻近既有隧道深基坑实测资料，研究了基坑施工对坑外既有隧道的影响规律；温忠义[5]等对广州某深基坑开挖对邻近地铁的影响进行了有限元模拟，并与实测结果进行对比分析；付江山[6]等采用FLAC3D有限差分数值模拟软件，研究了超大基坑施工对临近建筑的影响规律，并提出具体控制措施。徐长节[7]等基于Plaxis模拟分析了基坑开挖对建筑物基础不均匀沉降的影响程度。

从现有基坑工程相关研究方法来看，通过数值模拟可以有效分析基坑工程的整体性状。随着对基坑空间效应认识的不断深入，基坑工程的三维空间性状也得到日益广泛的关注[8]。本文根据深圳某临近地铁车站深基坑工程，基于三维有限元分析方法，研究基坑开挖各个阶段对对临近车站产生的影响，从而为实际工程的设计施工提供理论和计算依据。

一、工程概况

本文研究的工程基坑支护工程周长为405.88m，开挖面积为9057.75m2，基坑深度约22.61m～31.31m，属于深基坑工程。基坑主要采用“咬合桩+四道内支撑”和“地下连续墙+四道内支撑”的支护形式。工程北侧与地铁11号线车站紧邻，东侧则紧临13号线车站。

本场地主要地质条件及支护结构参数如表1、2所示，由表1可知，基坑施工范围内存在强度较低的淤泥，对基坑支护会产生不利影响。

表1 土层物理力学参数

表2 支护结构的力学参数

二、基坑开挖有限元计算与分析

如图1所示，建立基坑开挖的三维有限元计算模型，本次分析主要在于新建基坑开挖对既有地铁结构影响及基坑支护结构力学特性分析，主要分析工况如下：(1)初始应力场计算；(2)11号线及13号线车站施工；(3)基坑支护桩、立柱施工；(3)基坑第一次开挖并施工第一道支撑体系；(4)基坑第二次开挖并施工第二道支撑体系；(5)基坑第三次开挖并施工第三道支撑体系；(6)基坑第四次开挖并施工第三道支撑体系(7)施工底板及各层顶板。详细土层及支护结构参数见表1及表2。

图1 基坑开挖有限元计算模型

(一)基坑支护及地铁车站结构变形分析

表3 基坑开挖各阶段结构位移最大值汇总

表3为基坑开挖各个阶段基坑支护结构、11号线及13号线车站结构的位移最大值，由表可知：

1.本项目基坑开挖施工过程中，支护结构最大位移为20.93mm，位置在基坑西侧，基坑最大位移小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中规定的深层水平位移控制值(40mm)。

2.受基坑开挖施工影响，11号线车站X向位移最大值4.87mm，车站Y向位移最大值为6.45mm，13号线车站X向位移最大值6.91mm，车站Y向位移最大值为2.86mm，且大部分集中在车站中部靠近基坑附属部分，主体绝大部分位移都在1～2mm。车站结构位移小于《地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法》(2018年版)中的限值10mm。

(二)地铁车站结构内力分析

由于基坑的开挖会使地铁车站侧墙产生一定的增量位移，在增量位移的影响下，需要对侧墙的承载能力进行验算。根据《混凝土结构设计规范》，由已知地铁车站侧墙的配筋可以按下式计算：

α1fcbx=fyAs

(1)

(2)

根据式1及式2，可以得出地铁车站侧墙的抗弯承载力设计值为827kN·m。由图2可知，地铁车站侧墙的最大弯矩变化值为17.16kN·m，远小于最大设计抗弯承载力，地铁车站侧墙是安全的。

图2 地铁车站侧墙主体结构弯矩变化值(最大弯矩)

三、结语

本文以深圳某临近地铁车站的基坑工程为实例，采用实际工程的施工工况，运用有限元方法分析方法模拟了基坑开挖的全过程。分析结果表明，本项目基坑开挖对基坑支护结构及临近地铁车站存在一定的影响，但均满足相关建筑规范规定的位移及内力限值，而针对位移及内力出现极值的施工阶段应尤其注意，在实际施工过程中应做好实时监测，保障基坑支护结构及地铁车站结构的安全与稳定。同时，采用数值计算的方法可以很好的分析各个阶段基坑支护结构及临近结构的变形及内力分布，结合实际工程实际的数值模拟分析是必要的，为工程的设计施工提供理论计算和分析依据。