基坑开挖对周边既有地铁结构影响的安全评估研究

福建船政交通职业学院，福建 福州 350007

1 主要安全评价指标

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202—2013）及相关经验，城市轨道交通结构安全控制指标值如表1所示，城市轨道交通围护结构安全控制指标值如表2所示。

表1 城市轨道交通结构安全控制指标值

表2 城市轨道交通围护结构安全控制指标值

2 工程实例安全评估分析

2.1 工程概况

某工程场地位于东南沿海地区，场地东北侧为地铁站，场地西侧为地铁运行库，场地东侧为已建道路，场地南侧为历史建筑。项目基坑开挖深度为1.50～3.85m，该项目基坑开挖范围内主要为填土层，坑底以下存在淤泥和淤泥质土层，车辆基地下穿管涵位于基坑正下方，排水箱涵为钢筋混凝土结构，主体结构为钢筋混凝土结构。该项目与地铁站区间的相对关系平面图如图1所示[1]。

图1 场地与地铁结构相对关系平面图

2.2 评估范围

该工程评估工程项目施工对地铁车辆基地、6号线车站（含车站主体、2号风亭D出入口及C出入口）及隧道结构安全的影响，尤其是基坑开挖对侧向既有地铁结构的影响，并提出合理化建议。

2.3 评估手段

此次研究拟通过工程类比、理论分析、相关行业经验以及三维数值模拟计算评估项目建设对地铁车辆基地及6号线既有结构安全的影响[2]。结合工程项目特点，车辆基地工程桩虽作为地铁永久结构，但承台施工后桩基变形较难观测，因此计算变形控制指标参照地铁结构按20mm控制。车辆基地挡墙作为地块与车辆基地的分隔结构，变形要求相对低，且易修复，建议按30mm控制。该项目地块下方箱涵功能主要为过水，对结构变形要求相对低，但考虑该项目地下室完成后，箱涵远期修复困难，因此建议按20mm控制。

2.4 数值模拟分析

在MIDAS-GTS有限元模型中，采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟车站结构、隧道衬砌、挡墙及箱涵；采用植入桩单元模拟车辆基地工程桩。为了消除模型尺寸对计算结果的影响，计算模型范围以项目基坑的外轮廓为基准，外扩一定距离（大于基坑开挖深度的3倍）后而建立，模型深度按基坑围护结构深度的2倍建立，整体模型轴视图如图2所示。为保证计算结果精度及尽量减小有限元模型规模，该项目模型建立过程中进行了如下简化处理：

图2 整体模型轴视图

（1）支护结构。根据等效刚度原理，将支护桩等效为地下连续墙结构，采用板单元模拟。等效地下连续墙厚度计算公式如下：

式中：d为排桩的单桩直径；bk为相邻桩中心间距。

（2）隧道结构。考虑隧道衬砌接头对衬砌结构刚度削弱的影响，将衬砌结构刚度折减15%。根据工程设计和工程实际情况，对项目基坑施工过程进行模拟，施工工况分析分为工况1（初始地应力平衡）、工况2（既有地铁结构完成）以及工况3（基坑开挖至坑底）[3]。

2.5 评估结论及建议

（1）评估结论。项目基坑开挖造成基坑周边一定范围内土体应力状态发生改变，导致影响区内地层产生附加变形，进而对临近的既有地铁及车辆基地既有结构产生影响。通过模拟得出结论如下：①该项目建设与临近的车辆基地工程桩、挡墙、地块下方箱涵结构及地铁6号线地铁车站、车站区间结构在空间位置上不存在冲突，采取必要的工程安全保护措施，工程具备实施的可行性。②项目基坑施工过程中，地铁6号线车站结构X、Y、Z方向最大位移均发生在工况3（基坑开挖完成），变形值分别达到了1.683mm、-3.904mm（向基坑方向）、1.541mm（隆起）。地铁6号线车站区间隧道结构X、Y、Z方向最大位移均发生在工况3（基坑开挖完成），变形值分别达到了0.631mm、-0.908mm（向基坑方向）、-0.269mm（沉降）。地铁车辆基地工程桩X、Y、Z方向最大位移均发生在工况3（基坑开挖完成），变形值分别达到了-1.810mm、5.918mm（向基坑方向）、2.848mm（隆起）。地铁车辆基地挡墙结构X、Y、Z方向最大位移均发生在工况3（基坑开挖完成），变形值分别达到了-4.593mm、7.753mm（向基坑方向）、9.540mm（隆起）。地铁车辆基地箱涵结构X、Y、Z方向最大位移均发生在工况3（基坑开挖完成），变形值分别达到了-1.992mm、-3.921mm（向基坑方向）、10.654mm（隆起）。根据数值模拟计算结果，项目基坑开挖对地铁樟岚车辆基地（工程桩、挡墙及下方箱涵）及6号线地铁车站、地铁车站区间隧道各方向变形的影响均在安全范围内，变形控制满足规范要求。③经过计算分析6号线地铁车站区间隧道结构的附加纵向变形的最小曲率为R=375000m＞15000m，满足地铁保护要求。

（2）实施建议。①该项目施工单位应编制专项施工作业方案，经过专家论证并报送地铁公司审核后，方可按照批准的方案进行施工。②该项目基坑开挖深度相对浅，考虑基坑开挖采用放坡方案，坑底存在深厚淤泥层，因此基坑开挖期间应合理布置施工现场，近轨道交通侧不得作为材料堆场。此外，基坑开挖过程中应密切关注坑底地层情况，如发现地层条件与勘察存在较大偏差，应及时通知地铁公司、设计、评估等相关参加单位。③临近轨道交通侧需加强坡面防护及监测，避免因边坡稳定问题影响周边地层变形，同时坡顶不得用于重型车辆及设备通行，更不得进行堆载。④该项目东西两侧均存在既有地铁结构，基坑开挖施工时建议采用盆式开挖，由中间至两边分段开挖。当挖至基底设计高程时，应立即施作垫层、防水层及地下室底板，避免因基坑长时间暴露增加既有地铁结构安全风险。此外，由于过水箱涵横穿基坑，箱涵上部覆土较浅，开挖时注意覆土保护，严禁超挖。⑤基坑施工期间，应遵循先监测后施工的原则，建设单位需委托符合资质要求的第三方监测单位对地铁结构进行变形监测。该项目箱涵位于基坑正下方，箱涵变形监测方案建议采用间接量测方案，先在约1m×1m范围放坡开挖至设计坑底，而后在坑底下采用人工探挖至箱涵顶面，进而埋设刚性测点。⑥考虑该项目预制管桩管桩较长，且坑底存在深厚软弱淤泥层，桩基施工对淤泥层的扰动可能对既有地铁结构产生不利影响，桩基静压施工前应先采取引孔措施，减小土体对既有轨道交通结构的挤压。

3 结束语

文章针对基坑施工对周边城市地铁结构的安全影响，立足实际案例，利用MIDAS-GTS系统建立有限元评估模型并开展三维模拟分析，主要分析了基坑施工对周边地铁既有结构的形变影响，并提出了合理的施工方法和地铁结构保护措施，以便保护周边既有地铁结构的安全稳定。