基坑开挖对地铁的影响分析

鲁志杰

（深圳市爱华勘测工程有限公司，广东深圳518111）

随着时代发展的脚步，在地铁附近建设城市高层和超高层建筑已经非常普遍。基坑开挖引起周边地层沉降变形，进而影响邻近地铁隧道或车站。

地铁结构的位移主要包括：1）围护结构的侧向位移和隧道弯曲变形；2）支护结构位移和隆起，导致地铁结构伴随沉降。相对于周围土体，地铁结构的侧向刚度较大，在小变形情况，地铁结构变形与土层位移基本一致［1］。

现在基坑设计一般规范采用等值梁法和弹性地基梁法，无法合理考虑周围重要建（构）筑物的本身特征。因此，变形控制设计是基坑工程设计的基本理念［2］。对于基坑施工引起的变形问题，数值计算可以模拟基坑施工的全过程，合理选择土体的本构模型后，可以解决现有规范方法不能解决的问题［3-6］。

基坑开挖对地铁结构的影响成果更多的是数值模拟分析结果，用实测结果来验证其结果合理性的成果较少。本文以佛山某项目为例，利用Midas GTS NX三维数值模型及PLAXIS二维数值模型，变形结果同实测值比较，为类似项目设计和建设提供有益参考。

1 工程概况

佛山某项目基坑开挖深度为14.20 m，基坑长140 m，宽68～83 m，周长约430 m。地面标高为2.20～2.50 m，地下水为地面以下1.0～1.5 m。

本基坑北侧为盾构区间，基坑边线与其水平净距约为21.1～24.4 m。盾构内径5 400 mm，管片厚度300 mm，覆土15～16 m，主要穿过的地层为强风化层、中风化层，部分穿过微风化层。

基坑边线与出入段线主体结构的水平净距约为7.8～8.1 m，基底深度在10.3 m左右，明挖法施工，围护结构采用连续墙，靠近基坑部分主要穿过的地层为淤泥层、淤泥质粉细砂层、海相砂层，基底主要处于淤泥层及淤泥质粉细砂层，对基底已经采用Φ500@1000×1000搅拌桩满堂加固，桩底深入粘土层、粗砂层不小于1 m，或穿透基岩面。出入段线主体结构采用箱型框架结构，两跨单层，顶板、底板、侧墙厚度均为600 mm，中隔墙厚度400 mm。

基坑围护结构在靠近地铁一侧采用800 mm厚地下连续墙，其余位置采用Φ1200@1400围护桩+外侧Φ850@600搅拌桩止水。采用两道混凝土支撑，分别位于标高-0.3 m及-5.7 m，主撑为800×1000 mm或1000×1000 mm，肋撑或连系梁为600×800 mm。

2 基坑工程数值模拟

2.1 岩土参数

岩土层参数取值如表1所示。

表1 岩土体参数表

2.2 三维数值模型

Midas GTS NX模型中采用2D板单元模拟支护结构和地铁隧道衬砌结构，采用修正摩尔库伦破坏准则模拟岩土体的材料特性。一共采用13个施工步骤来进行模拟，即初始应力阶段→地铁结构施工→基坑围护结构施工→开挖到第一层支撑→施做第一道混凝土支撑→开挖到第二层支撑→施做第二道混凝土支撑→开挖到基底→施做地下室底板→施做地下室的负二层板→拆除第二道混凝土支撑→施做地下室的负一层板→拆除第一道混凝土支撑。三维数值模型如图1所示。

图1 Midas GTS NX三维有限元模型

2.3 平面模型

Plaxis有限元模型中，采用plate单元模拟盾构管片、连续墙、围护结构，anchors单元模拟内支撑。本次分析采用摩尔-库伦破坏准则仿真模拟地层情况。计算模型范围以基坑外轮廓或者地铁结构外轮廓为基准，外扩不小于30 m（约2倍基坑深度）而建立。有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移。施工步骤同三维数值模型，平面模型如图2所示。

图2 平面模型

3 数值模拟与实测值对比

由于深基坑的开挖，引起地铁结构产生了位移，位移的大小随着基坑的开挖而变化。选取开挖到第一层支撑、开挖到第二层支撑、开挖到基底、负二层楼板施工和负一层楼板施工5个步骤的出入段与车站的最大水平位移与最大竖向位移，对比结果如图3～6所示。

图3 车站出入口最大水平位移图

图4 车站出入口最大竖向位移图

图5 隧道最大水平位移图

图6 隧道最大竖向位移图

由图3～6可发现，因出入口段距基坑距离较近，基坑开挖对出入口影响较大，对地铁隧道影响较小。对于三维数值模型，水平位移、竖向位移以及总位移的变化，随着施工的进行，水平位移和竖向位移不断增大。出入口最大水平位移为6.35 mm、最大竖向位移为5.24 mm；盾构隧道最大水平位移为0.92 mm、最大竖向位移为0.68 mm。

对于平面数值模拟计算，出入口最大水平位移为6.27 mm、最大竖向位移为5.14 mm；盾构隧道最大水平位移为1.01 mm、最大竖向位移为0.82 mm。

通过图3～6对比分析可发现，三维数值模型分析结果更接近实测值，其中车站出入口处最大水平位移相对误差小于4%，车站出入口处最大竖向位移相对误差小于6%。三维数值分析结果更可靠。

4 结论

由于城市发展，基坑开挖施工引起附近建（构）筑物的破坏的事故也越来越多。因此，分析基坑开挖对地铁的影响变得越来越重要，本文以佛山某基坑开挖对地铁的影响为例，通过数值分析和实测值对比分析，得到以下结论：

（1）当建（构）筑物距离基坑较近时，随着基坑开挖深度的增加，建（构）筑物竖向与水平位移逐渐增加；

（2）车站出入口段因距基坑较近，其水平与竖向最大变形皆大于地铁隧道的结果，基坑开挖对隧道的影响不大；

（3）基坑开挖其水平变形量一般大于竖向变形量；

（4）采用三维数值分析模型分析更贴近实测结果；

（5）通过实测结果的验证，对于复杂的岩土工程问题，如果数值建模的边界条件和参数取值合理，数值分析是解决岩土工程问题的有效方法之一。