基坑开挖对邻近地铁车站出入口变形影响研究

张 鹏

(河南省建设基础工程有限公司，河南 郑州 450000)

1 概述

随着城市的发展，越来越多的深基坑开挖工程邻近既有地铁车站及附属出入口结构。在基坑施工过程中，改变原有的土体平衡，对周围土体产生扰动，进而引起其内的地铁车站及出入口等地下结构发生变形[1，2]，一旦变形过大，就会引起既有地铁的正常使用，甚至发生破坏。因此，在基坑施工中如何保护临近既有地铁车站及出入口结构不受损害是需要研究的一个重要课题。

近年来，国内外学者对基坑开挖诱发车站及附属结构变形进行了众多研究。陈鲁[3]结合某实际工程，对不同工况和施工步骤下，深基坑开挖对地铁隧道和站台结构的影响进行有限元计算，介绍了分析模型、分析手段以及计算结果。赵洋等[4]就深基坑开挖对既有地铁结构安全的影响进行研究，通过对基坑开挖的具体影响程度、级别及安全性进行分析，并给出相应的保护措施。沈雯等[5]结合上海地区某近邻地铁车站及区间隧道超深基坑工程，通过现场监测的手段获取了地铁车站及区间隧道在邻近超深基坑分区开挖下的变形响应数据，并对该监测数据展开了深入的分析和研究。曾祥会[6]以天津市某购物中心基坑工程紧邻既有地铁车站施工为背景，采用数值模拟方法，针对既有地铁车站及区间隧道的变形情况进行分析，研究隧道变形的发展规律，并通过与监测结果进行对比分析，确定了变形最大值及其位置。徐腾飞[7]以红谷滩中央金融大街基坑工程项目毗邻南昌地铁1号、2号线换乘站—地铁大厦站为研究基础，采用有限元方法进行数值模拟分析，对近接工程控制因素所带来的风险进行量化，并分别对各因素所产生的风险进行评估。

本文以郑州某基坑项目为例，通过ABAQUS三维有限元分析软件模拟，对开挖过程中既有地铁车站出入口结构的变形特征进行了计算分析及评价。研究结果为类似地质情况下后续建设项目设计与施工具有一定的参考意义。

2 工程概况

拟建基坑工程场地位于郑州市市区，基坑开挖深度为原自然地面下15.90 m。基坑平面呈矩形长度约80.50 m，宽度约49.25 m。

在基坑南侧1—1剖面距基坑边界线约13.40 m处有一埋深9.00 m的地铁车站出入口。基坑设计如下：基坑周边剖面均采用上部微型桩+土钉墙复合支护，下部排桩支护体系，桩长均为24 m，桩径D1 000；桩间距均为1.5 m。同时，1—1剖面和2—2剖面分别与4—4剖面通过型钢角撑连接；2—2剖面与3—3剖面也通过型钢角撑连接。支护结构剖面1—1与管线相对位置如图1所示。

3 三维有限元模型

3.1 三维有限元模型的建立

本文结合工程地质条件及基坑周围现状，主要考虑基坑南侧1—1及相邻侧2—2,4—4剖面处开挖对车站出入口的影响。数值建模中，模型尺寸取100 m×66 m×50 m；模型前后、左右分别限制X，Y方向的位移；模型顶部采用自由边界。钢支撑施加预应力200 kN；基坑周边施加20 kPa道路车辆超载，通过面荷载形式施加；土体选用M-C模型，模拟地基的弹塑性变形和应力应变；排桩、出入口结构等采用线弹性单元。支护结构材料参数见表1，有限元模型如图2所示。

3.2 基坑开挖施工过程模拟

本模型主要计算分析基坑开挖对车站出入口变形的影响，基坑开挖分四次开挖，整个模拟过程共分为9步。具体计算步骤如表2所示。

表1 支护结构和出入口结构参数

表2 计算步骤表

4 基坑开挖对临近车站出入口影响分析

4.1 基坑开挖对临近车站出入口水平变形影响

图3为基坑主要开挖步引起的出入口结构位移图。

由图3可知，随着开挖深度的不断加深，出入口结构的水平位移整体上也在不断增大，最大值均出现在第九步，即开挖第四层土体时，同时，在开挖后每步施加预应力时，位移有所减小。但对比出入口结构底板和顶板位移可知，结构的顶板位移整体比顶板位移要大，顶板最大值为6.35 mm，出现在A点，底板最大值为4.96 mm，出现在a′处。同时，结构的底板水平位移在开挖第一层土体时有向基坑远侧移动的趋势，说明在该步开挖时整个结构出现了微偏转。根据车站出入口所属方对结构变形规定，要求最大水平位移小于10 mm，因此基坑的施工满足要求。

4.2 基坑开挖施工对临近出入口竖向变形影响

图4为基坑主要开挖步引起的出入口结构位移图。

由图4可知，随着开挖深度的不断加深，出入口结构的竖向位移整体上也在不断增大，最大值也出现在第九步。但对比出入口结构的位移可知，结构的竖向最大位移出现在靠近基坑侧，此处顶板A点最大值为3.85 mm，底板A′点最大值为3.15 mm。同时，结构远离基坑侧参考点的位移有先上升又下降的趋势；相对于顶板竖向位移，结构的底板位移整体相差不大。根据车站出入口所属方对结构变形规定，要求最大竖向位移小于10 mm，因此基坑的施工满足要求。

5 结语

本文基于有限元方法，分析了基坑开挖对地铁车站出入口结构的变形影响，得到如下结论：1)随着基坑开挖深度的不断加深，车站出入口结构的水平位移除在施加支撑结构时有突变减小外，整体在不断增大，但结构的底板水平位移在开挖第一层土体时有向基坑远侧移动的趋势，说明在该步开挖时整个结构出现了微偏转。2)结构竖向位移在开挖初期均有向下增加的趋势，但随着开挖深度的增加，结构远离基坑侧参考点位移有先上升又下降的趋势，相对于顶板竖向位移，结构的底板位移整体相差不大。3)根据车站出入口所属方对结构变形规定，计算所得的最大位移均小于要求的最大位移10 mm，因此基坑的施工满足要求。