大面积连排基坑开挖对紧邻地铁车站的影响分析

李灿辉

（北京城建设计发展集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 概述

随着我国城镇化进程的不断推进，轨道交通沿线的住宅、商业等设施用地的需求量逐渐增加，在轨道交通建设运营过程中出现了许多综合配套项目，如地铁车站旁配套建设商业建筑物、广场、连廊等，这些配套工程的施工会对车站产生一定影响。

1 国内外研究现状

临近地铁车站的基坑开挖打破了原有地铁结构力学平衡关系，地应力重新进行分布，从而导致地铁结构产生额外的内力与变形。许多学者基于理论研究与工程实践，对该问题进行研究。孔祥鹏系统研究了紧邻运营地铁车站基坑施工变形控制和保护问题，认为施工改变了原有车站结构的传力路径，从而增加了结构顶板及中板的弯矩，转变了底板的弯矩方向；高盟以紧邻上海某地铁车站的基坑工程为背景，建立三维数值模型并研究了托换桩、旋喷加固、分块开挖等措施对变形控制的影响；旷庆华结合长沙地区某地铁车站工程实例，对深基坑开挖引起紧邻已建成地铁车站的变形规律进行了数值模拟，讨论了有效控制车站结构变形的主要措施。除数值模拟外，还有学者采用离心模型试验对多个方案下的基坑开挖过程进行模拟，分析了紧邻、部分紧邻、不紧邻情况下车站旁基坑开挖引起的土体变形情况。现有研究针对车站旁独个基坑施工对既有结构的影响，很少涉及多个连排开挖施工的案例，同时在研究中很少考虑不同支撑形式对既有地铁车站的变形特性。该文以徐州地铁2号线物资市场站综合配套项目工程为背景，采用Midas计算紧邻既有地铁车站的基坑大面积开挖对已建地铁车站变形及内力影响，并分析连排基坑、不同支撑形式对车站的影响程度。

2 工程概况

2.1 位置关系

物资市场站是徐州地铁2号线的一座地下3层车站，车站长度约215m，底板埋深约22.8m。综合配套工程涉及A、B 2个地块，平面关系如图1所示。A地块长约126m，宽约24m～32m，基坑深度为17.2m。B地块基坑分为两期，一期基坑长约77m，宽15m～25m，基坑深约19m；二期基坑长约77m，宽约62m，基坑深约19m。A地块采用一道混凝土支撑与两道钢支撑；B地块一期采用一道混凝土支撑与三道钢支撑。

2.2 工程地质条件

工程所在地的地貌上分属冲积垅状高地与冲（坡）—洪积平原。沿线地表为第四系地层覆盖，表层为人工填筑土，其下为第四系全新统（Q4）淤泥质粉质黏土、老城杂填土、黏土；再下为第四系上更新统（Q3）黏土。车站及配套基坑工程所在的主要土层为黏土、黏质粉土层。场地地下水类型主要为分布在填土、黏质粉土层的孔隙潜水。

3 模型建立

3.1 几何模型

为评估配套项目基坑开挖对车站的影响，采用Midas GTS NX软件建立二维有限元模型，分别选取A、B地块的2个典型断面作为计算断面。A地块模型尺寸为X×Y=120m×42m，B地块模型尺寸为X×Y=140m×42m。

3.2 材料参数

土体采用平面应变单元，本构关系选取修正摩尔-库伦模型；车站等结构物采用梁单元进行模拟，本构关系为线弹性。地层及结构的主要物理力学参数见表1。

表1 地层及结构的物理力学参数

4 计算结果及分析

4.1 A地块计算结果

对地层变形来说，以A地块基坑开挖完成时的计算结果为例，如图2所示。根据计算结果可知，在竖向变形时，基坑开挖导致坑底出现隆起变形，最大变形为6.7cm。同时，靠近车站侧的土层受到既有车站的限制作用，沉降值与远离车站侧相比要小。在水平变形时，坑底以下土体向坑内位移。

从车站结构位移及内力变形计算可以看出，基坑开挖引起既有车站竖向上浮变形，同时既有车站呈现上部向坑外，下部向坑内的水平变形。

另一方面，地铁结构的内力在配套工程基坑开挖过程中逐渐减少，说明开挖施工减少了临近基坑侧结构的侧向受力，从而减少了该侧车站结构的内力，而配套工程施工完成后荷载可向深层传递，对既有车站结构的内力影响不大。

图1 基坑开挖对结构内力影响的对比关系图

4.2 B地块计算结果

对地层变形来说，以B地块一期基坑开挖完成时的计算结果为例，如图3所示。根据计算结果可知，B地块一期施工完成时的地层变形与A地块类似，仅在量值上略有增大。在二期基坑施工时，地层的竖向位移影响未扩散至既有车站，而水平位移仍对既有车站有影响，但量值较小。

4.3 基坑开挖对既有车站的影响分析

结合A、B地块3个基坑可分析不同基坑对既有车站的影响。为方便讨论，对变形量进行归一化处理，由此定义结构相对位移，如公式（1）～公式（2）所示。

式中：δ、δ为结构水平、竖向相对位移；x、y为结构水平、竖向位移；H为基坑开挖深度。因此可得到3个基坑的相对位移对比关系，如图4所示。

从图4中可以看出，A地块基坑的相对位移普遍大于B地块一期基坑，而2个基坑均紧邻车站，基坑的深宽比亦较为接近，其差异的原因应该归结为支撑形式的不同，具体可采用基于Clough的刚度理论提出的可反应多类型支撑的MVSS（Multiple variables system stiffness）综合刚度以定量描述。

A地块计算得出的综合刚度远低于B地块一期基坑，从而传递至既有车站的相对位移较大。可见，车站结构的变形不仅与基坑的卸载量相关，与基坑本身的刚度也有较大关系。对该工程来说，与A地块相比，支撑综合刚度更大的B地块一期基坑减少了约20%～40%的结构相对位移。

将B地块的一二期2个工程进行对比，其在支撑体系上相同，但与既有车站的相邻关系不同。B地块一期位于既有车站强烈影响区内；二期工程与既有车站间隔1倍开挖深度以上，处于一般影响区，对既有结构影响较小。从相对位移关系来看，这种连排基坑开挖对既有车站的影响主要体现在紧邻基坑的施工，远端的二次开挖仅对结构的水平位移产生影响，而在竖向位移上可认为没有影响。

类似的，对结构内力变化值进行归一化处理，因此定义结构内力相对值如公式（5）～公式（6）所示。

式中：M、q为结构相对弯矩、剪力变化量；ΔM、Δq为基坑开挖引起结构弯矩、剪力变化值；M、q为基坑开挖前结构的弯矩及剪力。

因此可得到3个基坑的相对内力对比关系，如图5所示。从图中可见，与A地块相比，B地块一期更大的支撑综合刚度会减少结构内力的变化量，从而使结构的弯矩和剪力处于相对较高的水平；同时并排基坑中非紧邻基坑对结构内力几乎没有影响。

5 结论

该文以物资市场站综合配套基坑开挖工程为背景，进行了数值模拟及理论分析，计算了既有车站在配套工程的2个地块共计3个基坑施工中的变形及内力情况，研究了紧邻车站基坑施工对既有地铁车站的影响，得到了以下3个结论：1）紧邻基坑开挖会导致坑底出现隆起变形，而这种隆起变形会在上部荷载激活后适当减少，同时，靠近车站侧的土层受到既有车站的限制作用，沉降值相比远离车站侧要小。在水平变形时，配套工程施工导致坑底以下土体向坑内位移。2）紧邻基坑开挖将引起既有车站竖向上浮变形，同时既有车站呈现上部向坑外，下部向坑内的水平变形。原有结构的内力在配套工程基坑开挖过程中呈减少趋势。3）基坑的支撑形式通过改变基坑综合刚度，从而对紧邻车站的内力及变形产生影响，更高的支撑刚度可较大程度控制既有结构变形，但也会减少内力的变化量，使结构处于较高应力水平。

图2 A地块基坑开挖完成工况下地层竖向位移云图

图3 B地块一期基坑开挖完成工况地层竖向位移云图

图4 基坑开挖对结构变形影响的对比关系图

图5 基坑开挖对结构内力影响的对比关系图

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