基于MIDAS 的基坑开挖对临近地铁结构的安全影响分析

唐陆建

（安徽省综合交通研究院股份有限公司， 安徽 合肥 230000）

随着合肥城市轨道交通结构的线路规划， 合肥已经在运营的轨道交通已有5 条线路。 因此在城市化的建设中， 越来越多的建筑工程会与轨道交通结构产生一定影响关系， 其中常见的影响关系有临近轨道交通结构、 敷设在区间结构上方等。 因为建筑工程在施工过程中会对临近轨道结构产生一定的影响， 如果不给予重视， 有可能会影响轨道交通运营情况， 严重情况可能会破坏轨道交通结构， 危害公共安全与财产安全。 因此本文结合有限元分析软件MIDAS -GTS/NX，并严格按照相关规范要求及控制标准， 对合肥轨道交通5 号线结构影响保护区域内的基坑开挖工程进行安全影响分析。

1 工程概括

1.1 项目背景

拟建的合肥市某项目位于合肥市滨湖区。 该地块为商业开发地块， 结构形式为高层加裙房的形式， 地库大面积地下二层， 局部地下三层。 地下二层为筏板基础， 局部采用桩基础， 负二层与负三层高差4.5m。基坑支护总体方案: 北侧、 南侧、 西侧大面采用双排桩支护方案， 局部坡道位置采用排桩加斜撑支护方案， 东侧邻近轨道交通5 号线车站及区间， 邻近轨道交通处基坑开挖深度为10.35m， 基坑上下部分采用两道钢格构角撑， 基坑中间部分采用上部放坡、 下部1 道钢格构斜撑。

项目基坑距离轨道交通5 号线出入口结构为10.0m， 距离车站主体结构为20.5m。 基坑开挖深度为10.35m， 3 号出入口埋深为6.8m， 车站主体结构埋深为17m。 项目基坑围护体系采用两道800x800 钢筋混凝土支撑+1100@1600 钻孔灌注桩。 项目基坑下部距离5 号线区间结构最近约11m， 区间结构埋深为15m。 项目基坑围护体系采用围护结构采用放坡开挖+双排桩1100@1600 钻孔灌注桩+两道800x800 钢筋混凝土支撑。 放坡开挖深度为3m， 放坡率为1∶1.5。

1.2 临近轨道交通工程概况

合肥轨道交通5 号线花园大道位于花园大道与河北路交叉口路口， 沿河北路西侧布设， 车站跨花园大道， 为地下两层12m岛式站台车站。 3 号出入口标准断面覆土深约3.2 ～3.5m， 与主体结构间设置变形缝。 合肥轨道交通5 号线已于2020 年12 月份开通运营， 3 号出入口正常通行。 根据现场调查， 未见外漏水及明显开裂。

花园大道站主体结构总长度为209m， 车站结构标准段宽度20.7m， 地面标高约15.6m～18.3m； 顶板覆土约 3.20m， 标准段轨面埋深约 14.19m～14.85m。

2 轨道交通安全影响评估分析

2.1 评估依据

本项目主要评估依据为收集到的地铁相关图纸资料以及地块地勘相关资料。

2.2 轨道交通保护标准

根据合肥市有关规定并参照国内其他城市轨道交通建设及运营经验， 已建轨道交通结构运营阶段的变形控制标准如下。

1) 结构水平位移包括 (3 号出入口、 车站结构、区间结构)， 其预警值小于3mm， 控制值小于5mm，变化速率小于1， mm/d； 2) 结构竖向位移包括 (3号出入口、 车站结构、 区间结构)， 其预警值小于3mm， 控制值小于5mm， 变化速率小于1， mm/d； 3)隧道径向收敛， 其预警值小于 3mm， 控制值小于5mm， 变化速率小于1， mm/d； 4) 结构裂缝宽度， 其控制值为车站主体及附属结构: 迎水面小于0.2mm， 背水面小于0.3mm； 区间隧道: 小于0.2mm。

3 有限元数值模型建立

3.1 有限元原理

3.1.1 土体平衡方程

式中， σ、 σ、 σ、 τ、 τ和 τ为总应力的六个分量， ρ 为土体密度， g为重力加速度。

3.1.2 土体本构方程

土体的本构方程矩阵形式为:

式中， {σ'} =[σ'σ'σ'ττ τ]， 为土体的有效应力矢量； [D]为弹性矩阵，对于各向同性线弹性土， 其表达式为式 (5)； {}=[ε'ε'ε'γγγ]， 为土体应变矢量。

3.1.3 土体几何方程

式中， u、 v、 w分别为 x、 y、 z方向的位移。

3.1.4 土体有效应力原理

数学表达式为:

式中p 为土体中的孔隙水压力。

3.2 模型建立

根据本项目基坑支护工程设计图纸及邻近轨道交通设计资料， 对项目场地内的土体、 基坑围护支撑结构等采用不同的单元模拟， 并赋予不同属性。 利用MIDAS 的激活/钝化功能来模拟土体的开挖和施加围护支撑结构， 按照设定的基坑开挖不走， 分阶段进行模拟全过程施工工况对轨道交通结构的影响。 轨道交通钢结构板、 墙等采用板单元模拟， 基坑围护结构立柱柱、 支撑采用梁单元模拟。 根据圣维南原理， 模型在纵向和横向应取基坑开挖施工深度的3 倍左右。 土层物理力学参数参考地质报告取值， 整体计算建模如图 1 所示。

图1 数值模拟整体图

3.3 基坑开挖数值模拟工况

根据施工先后次序， 项目施工工序如下。

工况1: 初始地应力平衡， 施作轨道交通结构，位移清零； 工况2: 完成基坑围护桩的施工； 工况3:放坡开挖； 工况4: 开挖第一层土， 施作第一层内支撑； 工况5: 开挖第二层土， 施作第二层内支撑； 工况6: 开挖至基坑底标高； 工况7: 开挖局部地下室-3 层； 工况8: 施作地下室底板及负一层楼板， 拆撑； 工况9: 施作合肥璟尚商务广场上部结构 (添加附加荷载模拟)。

4 基坑施工对轨道交通5号线结构影响分析

本项目地下室采用明挖顺作法施工， MIDAS -GTS/NX的分析计算结果在每一次开挖步骤完成时都继承了上一步的位移和内力计算结果。 这样可以更加清晰地说明基坑及临近轨道交通结构的变形过程， 并揭示基坑开挖每一工况下位移及内力场的变化情况。

4.1 整体位移分析

现提取模拟计算完成后基坑整体变化云图， 如图2 所示。

图2 三维位移云图

由数值模拟结果知， 受基坑开挖卸载的影响， 基坑开挖完成后 (工况7) 坑底隆起最大值约17.7mm，基坑边周边沉降值约为4.5mm左右。

4.2 轨道交通结构位移分析

现提取基坑开挖各工况下轨道交通结构的数值模拟计算结构。 并绘制位移影响表格， 如表1。

由表1 结果表明。

表1 各工况基坑施工对车站结构的位移影响

1) 3 号出入口结构、 车站主体结构及区间结构局部会发生一定的水平及竖向位移。 其中3 号出入口结构， 最大水平位移约 1.28mm， 最大沉降量约2.33mm； 车站主体结构， 最大水平位移约1.90mm，最大沉降量约1.02mm， 区间结构， 最大水平位移约2.16mm， 最大沉降量约1.97mm。

2) 综上， 3 号出入口结构、 车站结构及区间结构水平位移、 竖向位移均低于控制值5mm， 满足规范要求； 3 号出入口结构与车站主体结构变形缝差异沉降最大值为0.38mm， 低于控制值2mm， 满足规范要求。

3) 可以看出轨道交通结构变形表现为逐渐增大的变化趋势， 在最大值出现在工况8 拆撑阶段， 因此在现场施工过程中应该在拆撑阶段， 作出一定的安全保护措施。

4) 同时可以看出， 在工况9 出现向下的拐点趋势， 这可能是因为在在施工地下室主体结构时， 基坑土体相当于一个加载的过程， 有利于控制周围地表沉降， 因此轨道交通结构的位移也相应的减少。

5 安全影响评估建议与应急措施

5.1 评估建议

1) 对施工阶段的建议: 地下室基坑应分层开挖，分层深度不超过3m， 且应由远及近向轨道交通侧开挖； 基坑施工期间做好场地布置工作， 严禁大型设备及土方车从轨道交通侧进出， 以利于轨道交通结构的变形控制。 基坑周边土应及时外运， 避免堆载； 邻近轨道交通侧基坑坡顶严禁堆载或走行重型车辆。 轨道交通车站及风亭结构正上方土体回填时， 回填覆土高度应严格按照设计方案确定， 施工单位应该合理选择压实机械， 严禁使用重型机械， 施工荷载不得超过20kPa， 并且避免产生冲击荷载以减少对轨道交通结构的影响； 2) 对施工完成后的建议: 建议本项目施工完成后应对轨道交通结构继续监测三个月， 直到变形趋于稳定的数值； 当施工后的监测数据已超过相应的结构安全控制值， 应及时通知轨道公司相关部门及运营部门， 并通过现状调查、 检测， 结合监测数据，重新评估轨道交通结构的当前安全状态。 目前5 号线花园大道站3 号出入口正常开通运行， 建议对开挖至地下室基坑底及拆撑时重要节点进行监护及巡查， 并做好相应的巡查记录， 外部做业单位应通知监护及安评人员进行现场符合性巡查并检查现场监测数据是否异常

5.2 应急措施

根据外部作业的特点， 当应急事项发生时， 应优先采取外部作业自身的控制措施， 基坑工程周边的地层参数作为工程本身对环境产生影响的主要媒介， 可以通过对土层条件进行加固处理、 改良处理等措施来减少基坑工程施工对周围环境的影响。 明 (盖) 挖基坑工程施工可以通过改变围护结构及支撑体系来减小对周围环境及其他建筑的影响。 盾构法隧道施工可以通过对管节周围土体进行注浆加固的处理方式、 严禁超挖等措施来控制对周围环境的影响。 因此可以看出， 基坑或者隧道本身的自我控制措施或者对周围土体进行加固的措施， 是减小对周围风险的主要措施。

控制保护区内外部作业常见应急事项的处置措施简述如下: 1) 基坑支撑失稳时立即停止土方开挖；2) 如果基坑支撑体系失稳且已经基坑周围土体塌落:发现后及时对基坑塌落出进行土方的回填， 检查基坑周边是否有超载的区域， 并进行清除。 如果基坑围护结构后发生土体流失的现象， 要立即采取素混凝土或砂进行填充。 同时， 对内支撑体系进行检查， 如果发现问题应及时处理； 3) 雨后基坑 (放坡) 失稳: 在雨季施工阶段， 应安排专门的巡视人员对边坡进行定期检查， 如果在巡查的过程中， 发现边坡护坡破坏的地方， 应该立即进行修补处理。 在基坑周边可以增加边坡和坑内的降水井的数量， 一旦雨量较大时可以增加地下水及雨水的降水速度。 在施工阶段中， 应定期对排水设备进行检查围护， 应查看基坑周围排水沟是否有堵塞的地方， 应及时进行疏通。 在集水井上部应该设置泵房， 当水位达到设定高度后， 水泵自动程序化排水。