基坑开挖对邻近既有城际铁路车站安全影响分析

李日华

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

城市建设进程的加速带来了各种基础设施、民用建筑以及工业建筑的建设，使得地面建设空间变得日趋紧张[1]，地下空间开发力度的加大使得越来越多的基坑工程出现在地铁、城际铁路车站等的附近。临近既有城际铁路车站的基坑工程势必会对车站产生一定的影响，而既有城际铁路车站对其自身的变形要求也是极其严格的[2]。因此，如何通过科学有效的方法对基坑开挖引起的既有城际铁路车站的结构位移及内力变化进行安全评估是至关重要的。

本文运用基于MIDAS GTS NX的三维数值模拟方法，对某临近既有城际铁路车站的基坑开挖工程从位移和内力变化两个方面进行计算评估。

1 工程概况

本基坑开挖深度为7.65～8.60m，基坑周长约301.37m。基坑南、北侧部分采用桩锚支护，东侧距既有城际铁路出入口约6.8m，采用单排桩悬臂支护，西南角靠近已建建筑，采用双排桩支护，西侧为地下室侧墙，无需支护。基坑直立开挖，各段均设上部放坡及平台。基坑及车站所处地层从上到下依次为杂填土、淤泥、砂质黏土和全风化花岗岩。

2 数值计算方案

2.1 有限元模型建立

本次数值模拟采用摩尔库仑（M.C）弹塑性本构模型，数值计算软件为大型商业数值软件MIDAS GTS NX。考虑到施工过程中的空间效应，计算模型取基坑工程与城际铁路车站的有效影响范围，本次数值计算中取长400m、宽250m、自地表向下100m厚的土体作为计算分析范围。重点分析受基坑工程施工影响城际铁路车站结构及轨道结构产生的变形情况[3]。三维有限元计算模型如图1所示，计算模型中基坑与城际铁路车站的相对位置关系如图2所示。

本次计算模型中，基坑及车站周围的土体采用实体单元模拟，不同的土层采用不同的材料模拟，模型顶面设为自由边界，其余各面采取法向约束，基坑灌注桩和车站结构采用板单元模拟，轨道结构采用梁单元模拟[4]。

图1 三维有限元计算模型图2计算模型中基坑与车站相互位置关系

2.2 计算参数选取

土层参数参照勘察报告确定，各土层基本物理力学性质参数取值如表1所示。

表1 土体物理力学参数

要彻底模拟基坑中桩与桩之间、桩与土体之间的相互作用，从模型和理论上都是困难的，因此对桩与桩之间、桩与土体之间的混合体采取材料参数等代的思路，以近似模拟桩的作用。通过刚度等效原理：可得出在刚度等效的情况下，车站及围护结构的参数，如表2所示。

表2 车站及围护结构参数

2.3 施工模拟

本次评估采用分层施工方式模拟，计算模型中的施工工序采用10步模拟。

本次数值模拟的计算原则如下：

（1）假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用Mohr-Coulomb模型，车站主体结构、附属结构与基坑围护结构采用弹性模型；

（2）假定地表和各土层均成层均质水平分布；

（3）地层和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化；

（4）初始平衡按照将重力加速度加到模型上，由程序自动获得；

（5）计算建模时，对基坑工程范围、城际铁路车站范围及周边网格剖分加密。

（6）计算荷载主要考虑为重力荷载。

3 计算结果分析

3.1 车站及出入口变形计算结果

基坑工程施工过程对城际铁路车站及地表产生一定程度的附加位移，为明确这种附加位移，对基坑施工各阶段城际铁路车站的位移进行了分析，部分位移云图如图3所示。

图3 基坑施工部分阶段车站位移云图

依据数值计算结果可知，整个施工阶段城际铁路车站结构总位移最大值约为4.440mm，出入口结构总位移最大值为11.681mm，不同施工阶段下位移结果列于表3中。

表3 各施工阶段既有车站及出入口结构位移结果

车站结构最大总位移随施工步变化情况如图4所示。出入口结构最大总位移随施工步变化情况如图5所示。

图4 车站结构最大总位移随施工步变化曲线

图5 出入口结构最大总位移随施工步变化曲线

由图5、图6可知，基坑开挖过程中，由于开始开挖的土层较浅，对车站及出入口结构的影响相对较小，所以车站及出入口结构位移变化较小。随着基坑开挖深度越来越大，对车站及出入口结构的影响也越来越大，其位移变化越来越大，至开挖完最后一块土体后，车站结构的最大总位移达到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口结构的最大总位移达到了11.681mm，小于20mm的控制值。结构最大总位移小于20mm，则结构水平、竖直方向位移也必然小于20mm的控制值，因此满足了车站及出入口结构的位移控制要求。

3.2 出入口结构内力计算结果

本项目基坑距离城际铁路车站出入口仅6.8m，通过分析基坑开挖完成后出入口结构的内力云图，如图6所示，可以了解出入口结构的安全性。

图6 基坑开挖完成后出入口结构内力云图

根据《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010(2015版)），通过提取关键点的内力，可以计算得出基坑开挖完成后出入口结构裂缝宽度，如表4所示，经检算，各关键点均能满足裂缝控制要求。

表4 基坑开挖完成后出入口结构安全性分析

3.3 轨道变形计算结果

为明确城际铁路轨道变形情况，选取距离车站较近的西侧股道为研究对象，分析其水平位移和竖向位移。轨道与基坑的相对位置关系如图7所示，西侧股道的细部图如图8所示。

图7 轨道与基坑的相对位置关系图8西侧股道细部图

按照10弦长，确定24个比较位置，分析了基坑开挖过程中西侧股道的位移变化情况，发现最大位移变化出现在开挖基坑最后一块土体时，此时西侧轨道1号轨轨向偏差最大为0.045m，西侧轨道2号轨轨向偏差最大为0.044m，西侧轨道水平偏差最大为0.212m，西侧1号轨高低差值最大为0.425mm，西侧2号轨高低差值最大为0.390m，均小于2m的控制值。

4 结 论

通过采用MIDAS GTS NX仿真平台，建立包含本基坑工程影响范围内的城际铁路车站结构、轨道和地层等工程项目要素在内的三维计算模型，对基坑施工引起的力学特性及土层位移变形特性进行了分析，得到主要结论如下：

（1）基坑工程对既有城际铁路车站存在一定的影响，引起既有结构产生一定的变形，至开挖完最后一块土体后，车站结构的最大总位移达到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口结构的最大总位移达到了11.681mm，小于20mm的控制值。结构最大总位移小于20mm，则结构水平、竖直向位移也必然小于20mm的控制值，因此满足了车站及出入口结构的位移控制要求。

（2）基坑开挖的各阶段中，开挖最后一块土体对轨道产生的影响最大，但其变形范围均在规范控制范围之内。

（3）车站周边大规模基坑施工的情况在已开通运行地铁的城市较常见，在调研的案例中，车站出口与基坑最近的距离仅为2.1m。尽管本基坑工程与既有城际铁路车站水平距离较近，但在采取恰当基坑支护方案的前提下，基坑施工不会对临近的城际铁路运营安全产生重大影响。