复杂基坑开挖对鸡鸣寺地铁站及区间隧道的变形影响分析

毛昆明，陈 磊，唐拥军

（1.金陵科技学院建筑工程学院，南京 210009；2.中国联合工程有限公司，杭州 310052；3.广西水利科学研究院，南宁 530023）

地铁结构设施对变形要求较为严格，随着城市建设的不断发展，既有地铁隧道邻侧或者上方进行建筑施工的活动日益增多。其中，基坑工程对地铁隧道的影响最为突出。基坑工程对邻近地铁隧道的影响主要表现在引起后者的变形，严重时还将引起隧道结构的破坏，威胁到地铁的安全运行。因此，针对基坑开挖对地铁隧道结构安全性影响安全性进行评估具有很重要的工程实际意义，不少学者对此进行了研究[1～10]。

鸡鸣寺站是南京地铁3号线、4号线的换乘站，周边有一大型复杂基坑正在施工，因此需分析邻近施工引起的地铁结构变位是否在允许的范围内，确定其是否满足地铁安全和使用的要求。

1 有限元建模

根据基坑和区间几何尺寸大小，结合基坑开挖施工对临近环境影响范围的现场监测经验，基坑开挖深度为6～21 m，本模型计算深度取40 m，基坑长约650 m，宽约600 m。基坑距离地铁结构最近处约10 m。对计算区域内涉土体、基坑支护结构、地铁结构、隧道结构进行了三维精细建模，土体采用实体单元，基坑支护、地铁结构结构采用板单元。基坑分区采用的桩基围护按照等效刚度的原则等效为同等刚度的地连墙结构形式，并考虑基坑周边10 m范围内作用20 kPa的车辆载荷。根据计算模型大小，综合考虑计算时间和计算精确度，共计剖分单元464 792个。建立的“地铁结构-基坑-围护”计算模型见图1。

根据本工程的地质勘察报告中的土工试验取值，各层土的c、φ取直剪固快试验指标计算，地质土层的主要物理参数见表1。

表1 土质物理参数

图1 有限元模型图

由于基坑周边环境复杂，基坑的面积较大，因此采用分部开挖的方式，施工顺序为基坑A→基坑B→基坑C，其中B基坑底部还有一个坑中坑。A基坑深约6 m，设1道支撑；B基坑深约21 m，设3道支撑；C基坑深约6 m，设一道支撑。

分析步的设置影响计算结果的精度，如果设得过多，结果自然精确，但计算用时长；如果太少，则结果不精确，更有可能跳过关键变形步，使得计算结果失真。因此本模型的分析步采用与实际主要支撑工序相结合的方法。B 基坑深度最深，开挖对地铁车站隧道的影响最大，因此B基坑的每一道支撑都做了一个工作步；A基坑和C基坑的深度较浅，因此将开挖、设支撑、浇筑底板等合成一个工作步，具体分析步设置见图2。

图2 施工工序图

2 有限元计算结果分析

2.1 基坑变形分析

基坑位移主要控制参数见表2，基坑变形云图见图3。

本文主要关注地铁结构的变形，因此图3 只给出基坑3 个典型工况（step1 开挖A 基坑至坑底、step4 开挖B 基坑至坑底、step6 开挖C 基坑至坑底）的坑底隆起及地面沉降云图（隐去了支撑模型，云图能看得清晰）。从图3 可以看出，开挖A 基坑时，坑底隆起2.3 mm，地面沉降2.1 mm；由于B基坑的面积及深度均大于A基坑，因此B基坑开挖结束时，其坑底隆起值最大，达到19.7 mm，地面沉降为19.9 mm；C基坑为L型狭长浅基坑，因此开挖时引起的变形较小，此时坑底隆起20.1 mm，地面沉降20.0 mm。

表2列出了基坑3个方向的最终变形及控制标准，均在控制范围内，因此基坑变形安全。

表2 基坑位移主要控制参数 mm

图3 基坑变形云图

2.2 地铁结构位移分析

基坑工程由于开挖卸载，基坑侧壁发生侧向位移，坑底产生一定的隆起变形，地面发生沉降，也带动邻近的地铁结构隧道发生侧向和竖向变形，其变形量的大小是判别基坑变形和稳定的重要依据。地铁结构变形云图见图4～图6。地铁结构各方向位移时序图见图7。

从图4 可以看出，A 基坑离4 号线远，因此开挖A 基坑时，4 号线车站及隧道的各个方向位移都较小，3号线车站位移也不大，但是其隧道由于离A基坑很近，所以位移较大，尤其是X和Y方向位移明显（见图7a）。

根据图5、图7，B 基坑开挖时，3 号线隧道位移缓慢增加，但X 方向增幅稍大（见图7a），并且位移最大处往车站方向偏移。3号线车站的位移则剧烈增加，并且竖向（Y 向）沉降为主要运动方向（见图7b）。4号线隧道也开始产生位移，Z方向位移最大，X方向位移最小（见图7c）。4号线车站的位移则相对复杂，在B基坑开挖过程中，X方向的位移始终最小；开挖到第一道支撑时，Z 方向位移最大；从开挖至第二道支撑至坑底，Y方向位移（即沉降）最大（见图7d）。开挖B基坑底部坑中（step5）坑对地铁结构的位移影响几乎没有。

C 基坑为L 型狭长浅基坑，开挖时引起的地铁结构的累计变形很小（见图6、图7），step6 分析步的位移均无明显变化。

图4 地铁结构变形云图（step1）

图5 地铁结构变形云图（step4）

图6 地铁结构变形云图（step6）

图7 地铁结构各方向位移时序图

表3 为地铁结构变形表，列出了基坑开挖结束后，车站及区间隧道各个方向的最大位移以及连接处的差异变形和差异沉降，以及根据隧道变形计算出的变形曲率半径和相对变曲。所有数据均小于《地铁设计规范》（GB50157-2013）规定的控制值，结果均满足要求，说明项目采用的施工及支护方案合理有效，使基坑开挖对地铁结构的影响在安全范围内。

表3 地铁结构变形表 mm

注：表中UZmax、UXmax、UYmax分别为Z、X、Y向最大水平位移；Sh和Sv分别为水平和垂直差异变形；Rc 和Cr 分别为隧道的变形曲率半径和相对变曲。

3 结语

（1）本项目采用的施工及支护方案合理有效，基坑3个方向的变形在各个施工阶段均在标准控制范围内；3、4 号线区间隧道的变形曲率半径和相对变曲、车站结构变形、车站与隧道连接处差异变形、车站主体与附属变形缝处差异沉降也均符合要求。

（2）从位移云图可以看出，整个地铁结构各个方向的位移最大处在不断变换位置，两条地铁区间、车站均出现过，因此监测点布置的位置应随施工流程逐渐变换。

（3）地铁结构周边开挖复杂基坑时，使用有限元软件进行预测性评估分析很有必要，确保使用有限的传感器能监测到必要的部位，消除安全隐患。