地铁站基坑开挖对邻近地铁车站的影响分析及安全控制技术

刘 斌

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

0 引言

随着城市化进程的加快，地铁工程迅猛发展。新建基坑的地铁站往往邻近已运营的车站，易导致既有建（构）筑物失稳。因此，如何降低基坑开挖的扰动影响十分重要，必须采取相应的安全控制技术。

1 工程概况

成林道站位于天津市河东区成林道、红星路交口东侧，功能定位为4，5号线的换乘站。4号线成林道站采取地下2层岛式站台结构形式，起止里程右DK31+243.351—右DK31+505.068，中心里程右DK31+375.908。4号线成林道站1号风道位于车站主体南侧，1号风道西侧紧邻5号线成林道车站，1号风道南侧为5号线成林道站2号风道，距2号风道最近距离约为11.7m。F出入口位于车站主体南侧，与5号线车站2号风道的最近距离为33.5m。

2 三维有限元模型创建

基坑开挖具有较强的扰动性，易导致围护结构和既有车站受到不同程度的影响，为保证轨道交通的安全运行，需展开全面分析。对此，施工单位可以以Midas软件为工具创建三维有限元模型，从而辅助相关施工的顺利进行。

2.1 计算模型

施工单位需要在综合现场地形条件、基坑及车站建设位置、尺寸等具体情况的基础上创建三维数值模型，并以此为依据组织计算与分析工作，从而提高模拟的真实性，准确呈现基坑开挖对邻近地铁车站的影响。建模基本原则如下。

1）钻孔桩和SMW工法桩为板单元模拟的方式；现场的各支撑和环梁装置均为梁单元模拟。

2）连续墙、顶板、中板、底板及盾构管片结构部分均为板单元模拟；柱体结构均为梁单元模拟。

3）基坑内外部分布有土体，该部分为实体单元模拟的方式。

按上述原则创建三维计算模型，共涉及47 568个单元、24 644个节点，如图1所示。

图1 三维计算模型

2.2 本构模型选择

为便于模拟与分析，施工单位可根据地铁车站及隧道的变形特点，视其与现场土体变形是否具有协调性。与土体刚度相比，车站结构的刚度相对较大，因此结构与土体的变形具有差异性，而结构的变形量更小，故若仅存在小变形现象，则可以将两者视为同等变形。另外，从轨道运行安全状况的层面来看，该假设也符合要求。

施工现场软土分布量较大，引入修正Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，目的在于以直观的方式呈现出岩土的非线性特征，以便提高模拟结果的可靠性。

2.3 计算工况

基坑开挖过程中易对邻近地铁车站的正常运营带来影响，本次模拟重点探讨此方面的问题。为保证分析结果的全面性，需明确6种工况，如表1所示。

表1 计算工况

2.4 边界条件选取

土体四周边界法向方向均设置约束，通过此方式限制法向的位移；地面为自由面；对于土体底边界，分别将其x、y、z方向固定。

2.5 基坑开挖对邻近地铁车站的影响结果

根据基坑开挖的特点，绘制施工过程中邻近地铁车站的实际运行状况图，包含水平位移和竖向位移两方面，如图2所示。由此得知，当基坑开挖至坑底时，车站靠近基坑一侧的地下连续墙受到影响，其产生的水平位移为2.16mm，竖向位移增加至2.18mm。

图2 车站的水平位移和竖向位移

根据模拟结果展开进一步的分析可知：施工单位需加强对临近轨道交通车站一侧的防护，具体可选择钻孔灌注桩+支撑的形式，且需对坑内外土体辅以加固措施，以最大限度减少既有建筑的变形量，并增强围护结构的稳定性，从而为基坑开挖创造良好的条件。

3 轨道交通安全保证措施

3.1 明挖顺作

综合考虑基坑周边建设条件，通过明挖顺作的方式有序组织基坑施工。其中，1号风道基坑长50.98m，宽29.92～40.22m，深17.874～19.676m；F出入口坑长56.433m，宽度包含3种建设标准，即 8.4，9.9，11.4m，深 2.500～13.338m。通过对F出入口的分析可知，该处的抗浮安全系数为1.11，大于1.05，符合要求。

3.2 围护结构支护形式及地质条件

1）1号风道施工中，围护结构选择的是地下连续墙形式，基本规格为厚800mm、长35m，支撑装置的组成包含4道混凝土支撑（第1道为800mm×1 000mm钢筋混凝土支撑，除此之外均为1 200mm×1 000mm钢筋混凝土支撑，间距均为6m）和1道换撑（800mm钢支撑，间距为3m）。鉴于支撑跨度较大的特点，宜在基坑中部增设格构柱，柱下配置规格为1.2m、长20m的钻孔桩基础。但对其展开验算后可知，其抗浮安全系数为0.88，相比于安全要求而言依然有差距，因此增设800mm×1 100mm的压顶梁和5根抗拔桩（此桩体结构所处位置为邻近5号线车站主体侧柱下），最终该系数值提升至1.255，大于 1.150，因此达标。

2）1号风道基坑底部的地质条件特殊，以粉土层居多，与此同时，地下连续墙底部分布大量的粉质黏土和粉土层，现阶段尚未隔断第2层承压水粉土和粉砂，根据现场情况展开验算后可知，第2层承压水抗突涌系数为1.02，不达标。鉴于此，在坑内增设减压井。

3）施工现场局部地区的粉质黏土组分复杂，其中砂质粉土等已经发生轻微液化现象，通过地下连续墙可有效隔断液化土层。F出入口爬坡段基底处则存在大量的粉质黏土，该部分对结构施工的影响较大，因此，对出入口底板采取加厚、增加配筋的应对措施，以便最大程度降低液化造成的影响。

3.3 基坑监测

为保障周边环境安全，反映基坑状况，施工单位必须对运营中5号线车站结构竖向及水平位移、轨道横纵向高差、钢轨轨距、变形缝张开量、裂隙进行监测。

在运营地铁5号线主体结构纵向轴线方向，在车站轨行区及结构侧墙设置观测点，每8m布置1个观测点，横断面线以轨道中心线、结构侧墙为准。监测应贯穿于外部作业的全过程，直至外部作业完成且监测数据趋于稳定后方可结束。在外部作业重要工序施工期间不宜低于1～2d监测1次，轨行区应采取自动化监测。

1号风道及F出入口对围护墙顶竖向及水平位移、测斜、围护墙钢筋应力、支撑内力、地表沉降、地表裂缝、基坑内外地下水位、管线等项目进行监测。用水准仪定期观测各点，并对比分析初始数据，从而绘出变形、沉降曲线图；同时，根据业主提供的地面沉降允许值，将所测得沉降值与之进行比较，若较为接近，则立即加固地层，而且主体施工时要尽量做好防水工作，以免周围地层因地下水流失而出现下沉。基坑开挖及结构施工中，监测频率随着开挖深度及底板浇筑后的时间进行随时调整。开挖深度H≤5m，1次/2d；5m＜H≤10m，1次 /d；H＞10m，2 次 /d。底板浇筑后T≤7d，2 次 /d；7d＜T≤28d，1次 /d；28d＜T，1次 /3d。数据稳定后，1次 /月。

3.4 土方开挖及主体结构施工

1）以现场地质条件、自然环境为基本参考，合理控制纵横向边坡坡度，遵循分段、分区、对称的基本开挖原则，避免超挖现象。机械挖土施工期间，应保证坑底预留土层厚度达到200～300mm，该部分由人员挖除并整平，以免机械设备扰动坑底。基坑开挖应分段完成，达到设计标高后需及时浇筑垫层混凝土，避免基坑变形。土方开挖前做好准备工作，委托专业检测机构全面分析基坑支护结构的施工情况，保证其具有隔水封闭的效果。在确保基坑开挖处不存在渗漏现象的前提下方可组织大面积开挖作业，否则存在风险。

2）基坑开挖成型且满足质量要求后，需在坑内修筑排水沟和集水井，以免发生坑底积水现象。土方开挖必须按照分层、对称的方式有序操作，各工况达到设计标高后，需根据现场情况搭建支撑装置，应最大限度缩短无支撑的暴露时间，不可超过8h。

3）土方开挖的顺序和主体结构施工时，先对邻近5号线车站沿行车方向进行宽21～24m的基坑开挖与底板（底板应伸过车站变形缝2～5m）施工，混凝土达到设计强度后，进行另一部分基坑开挖与底板施工。而且每部分施工时应注意从北往南（与轴垂直）退挖施工底板，直至侧墙、中板完成施工，顶板达到设计强度后，管线复位、回填覆土、恢复交通。

4 结语

由于基坑开挖的扰动性较强，因此易导致邻近地铁车站的正常运营状况受到影响。对此，施工单位可适当引入有限元三维模型分析基坑开挖对邻近地铁车站的具体影响，并提出相应的安全控制措施，以保障实际施工的安全。