明挖施工对近接地铁车站结构影响效应研究

何凤 苏波 任刃

文章依托成都市某换乘服务中心项目的近接既有地铁车站明挖基坑工程，利用三维有限元模型，研究了基坑深度与近接既有地铁车站结构稳定性的关系。验算结果表明，近接地铁车站的应力场明显受基坑开挖的影响，从模拟数据来看：明挖基坑越深，近接地铁车站变形越大。不同开挖深度下，既有地铁车站的竖向位移、水平位移及内力变化规律基本一致。为类似近接既有线结构的基坑施工提供参考 。

近接既有线; 明挖基坑; 变形; 有限元分析

U455.45   A

[定稿日期]2021-08-13

[作者简介]何凤（1984～），男，本科，高级工程师，从事水利水电、工业与民用建筑、市政、公路工程等的施工与技术管理工作;苏波（1989～），男，硕士，工程师，从事建设工程施工技术与管理工作;任刃（1987～），男，本科，工程师，从事建设工程施工技术与管理工作。

1 工程概况

成都市某换乘服务中心项目位于高新南区，项目占地面积约12.7 ha，总建筑面积约27×104 m2，涵盖轨道交通A线、B线车站及部分明挖区间，与强近接的C线既有线某车站形成三条线路换乘车站。

1.1 地质情况

基坑开挖深度范围内主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>强风化泥岩、<5-1-3>中风化泥岩。A线站台及明挖区间、B线站台基底位于中风化泥岩，泥质结构，中厚层状构造，产状平缓，节理、裂隙较发育，岩体较完整—完整，岩体属含石膏地层，岩面可见灰绿色斑点或条带，岩体中夹斑点状、条带状及团块状石膏，局部夹芒硝，局部岩体在地下水的作用下差异风化夹层比较发育，岩体呈碎裂结构，碎块状、角砾状构造，岩体风化呈碎块状、局部风化呈半岩半土状，岩芯遇水易软化，失水崩解，岩质软—较软，岩土施工工程分级为Ⅳ级软质岩。B线基底存在強风化泥岩夹层。C线既有线某车站埋深范围内主要有<2-2>黏土层、<3-8-3>卵石土、<5-1-3>中风化泥岩，基底位于中风化泥岩。

1.2 设计概况

A线、B线、C线组成三条线路换乘站，三座车站两两相交，呈三角形布置。C线为南北走向既有线，站台位于地下四层，埋深约32 m;A线位于C线东侧，为西南—东北走向，站台层为地下三层，底板埋深24.3～24.5 m;B线位于C线东侧、A线北侧，为西北—东南走向，站台层位于地下五层，底板埋深约41 m。A、B、C三条线路围成的三角换乘区域开挖深度约24 m（图1）。

根据CJJT202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》附录A，近接程度为：非常接近;外部作业影响分区为：强烈影响区;外部作业等级为：特级。

A线、B线及三角换乘区与C线刚接，其明挖施工可能对既有线C线车站主体结构造成影响，需进行安全性验算。

1.3 控制标准确定

C线结构变形监测最大累计变化量及变化速率监控报警值如表1所示。

由于C线施工完成时间已久，现阶段三角区域施工所影响的C线位移变形量应进行折减，选取折减系数0.5，基于安全性考虑，本次三角区域开挖施工的C线变形控制值为5 mm。

2 既有C线车站结构变形安全计算分析

2.1 施工数值模型

项目工程结构复杂（坑内分布不同开挖深度的基坑），为准确分析并预测基坑后续施工的安全影响，并考虑基坑开挖的空间效应，因此采用Midas GTS NX计算软件进行三维数值分析，建立三维有限元模型。土体采用修正摩尔—库伦本构。该土体本构可模拟初次加载—卸载—再加载之间的刚度差别（图2）。

在模拟计算中，X方向对应南北方向，此时正值表示位移向南侧发展，负值表示位移向北侧发展;Y方向对应东西方向，此时正值表示位移向东侧发展，负值表示位移向西侧发展;Z方向对应竖直方向，Z方向位移正值表示隆起，负值表示沉降。

模型X、Y方向的左、右、前、后4个边界采用水平约束的滑动支座边界条件，模型底面采用固定支座边界条件，模型上表面为自由边界。

根据基坑开挖的全过程中各施工步骤，采用“激活—钝化”的方式模拟基坑开挖全过程，最终对围护结构、既有地铁车站和周边地层的变形和内力作出合理的预测[2]。

2.2 既有C线车站结构竖向变形分析

经过计算得到C线既有车站结构竖向变形云图如图3所示。

由图3可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成C线既有车站结构产生一定的竖向沉降。当三角区区域开挖3 m和6 m时，C线既有车站结构竖向沉降区域集中在图示位置，主要位于基坑开挖位置上方。经数据统计处理，获得整个过程的竖向变形总量如表2所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m造成C线既有车站结构产生1.76 mm竖向沉降。开挖6 m时，C线既有车站结构竖向沉降达到2.04 mm。位移变化量0.28 mm，增大了16 %。依据控制标准可知，2.04 mm<5 mm，施工方案设计满足设计要求。

2.3 C线车站结构水平变形分析

经过计算得到C线既有车站结构水平变形云图如图4所示。

由图4可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成C线既有车站结构侧墙产生一定的侧向位移，三角区开挖3 m和6 m深度后，C线既有车站结构顶板出现较大的侧向位移。主要分布在图示负一层、北端10 m的C线负二层位置（范围33 m）。经数据统计处理，获得整个过程的水平变形总量如表3所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m造成C线既有车站结构侧墙产生0.208 mm侧向位移。开挖6 m造成C线既有车站结构侧墙产生0.261 mm侧向位移。两个方案位移量相差0.053 mm，增幅达到了25.2 %。依据控制标准可知，0.261 mm<5 mm，施工方案设计满足设计要求。

2.4 既有C线车站结构最大主应力分析

经过计算得到C线既有车站结构最大主应力云图如图5所示。

由图5可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生较大应力，整个工序进行过程中，最大主应力值保持相对稳定。经数据统计处理，获得整个过程C线既有车站结构最大主应力总量如表4所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生1.126 MPa拉应力，开挖6 m会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生1.124 MPa拉应力。两者相差0.00181 MPa，增幅仅为0.16 %，但在施工过程中，还是要进行严密检测，重点观察车站侧墙与顶板相接处是否发生较大变形。

2.5 既有C线车站结构最小主应力分析

经过计算得到C线既有车站结构最小主应力云图如图6所示。

由图6可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生较大应力，整个工序进行过程中，最小主应力值保持相对稳定。经数据统计处理，获得整个过程C线既有车站结构最小主应力总量如表5所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生7.487 76 MPa压应力，开挖6 m会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生7.489 65 MPa压应力。两者相差0.001 89 MPa，增幅仅为0.03 %，但在施工过程中，还是应进行严密检测，重点观察车站侧墙与顶板相接处是否发生较大变形。

2.6 既有C线车站结构弯矩内力分析

经过计算得到C线锦城广场站既有车站结构弯矩内力云图如图7所示。

由图7可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m造成C线既有车站结构顶板处产生较大弯矩。经数据统计处理，获得整个过程C线既有车站结构弯矩内力总量如表6所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m会造成C线既有车站结构顶板处产生2 959.65 kN·m的彎矩内力。开挖6 m会造成C线既有车站结构顶板处产生2 963.71 kN·m的弯矩内力。两者相差4.06 kN·m，增幅仅为0.14 %，但在施工过程中，还是应进行严密检测，重点观察车站顶板东侧是否发生较大变形。

2.7 既有C线车站结构剪力内力分析

经过计算得到C线既有车站结构剪力内力云图如图8所示。

由图8可知，三角换乘区域施工过程中，土体开挖会造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生较大剪力内力，整个工序进行过程中，最大剪力内力值保持相对稳定。经数据统计处理，获得整个过程C线既有车站结构剪力内力总量如表7所示。

三角换乘区域施工过程中，土体开挖3 m造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生2 112.54 kN的剪力内力。开挖6 m造成C线既有车站结构侧墙靠近顶板处产生2 113.65 kN的剪力内力。两者相差1.11 kN，增幅仅为0.05 %，但在施工过程中，还是应进行严密检测，重点观察车站侧墙与顶板相接处是否发生大变形。

3 结束语

本文通过Midas GTS NX建立了三维有限元模型，分析了不同深度的近接明挖基坑施工对进阶既有线车站的影响[3]：

（1）近接地铁车站的应力场明显受基坑开挖的形象，从模拟数据来看：明挖基坑越深，近接车站变形越大。

（2）不同近接开挖深度下，既有线车站的竖向位移、水平位移及内力变化规律基本一致。

（3）数值模拟仅为预测的一种手段，在施工工程中，需合理考虑不同的监测手段，进行严密的监督控制，一旦发生变形值过大，应立即采取有效措施控制，避免造成人员伤亡及财产损失。

参考文献

[1] 徐腾飞. 基坑开挖对近接地铁车站影响的数值分析[J]. 土工基础，2019，33（4）：418-423.

[2] 余晓琳，施成华.邻近基坑施工对既有地铁结构影响的分析[J].岩土工程技术，2010（4）.202-206.

[3] 张培森.基坑开挖对已有地铁变形影响数值分析[J].地下空间与工程学报，2009（z1）：1375-1378.

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