基坑开挖对紧邻地铁车站附属结构影响的模拟分析

汤智钧

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

随着城市化进程的加快及轨道交通的迅速发展，紧邻地铁的基坑工程日渐增多，拟建基坑与地铁结构（地铁隧道、地铁车站附属结构、地铁车站主体结构等）的位置关系一般为侧旁，部分基坑会在地铁隧道上方。基坑工程施工主要包括基坑围护结构的建设、开挖前的降水及基坑开挖三大步骤，会引起周围土体的侧移和沉降。地铁结构顶部或侧旁的基坑施工都会引起结构的附加变形，如变形过大会导致结构变形、开裂甚至破坏，影响地铁的正常使用，对地铁结构的安全构成威胁。

基坑开挖对临近地铁区间的影响问题[1]，对建设者提出了新的要求，即要把基坑工程与周围环境作为一个整体系统加以分析，基坑支护结构不仅要满足自身强度要求，而且还要满足变形要求[2]。因此，本文基于某紧邻地铁车站附属结构的深基坑工程，借助三维有限元分析软件模拟计算了基坑开挖对紧邻地铁结构的影响，并对坑底搅拌桩加固土的影响技术在坑底加固中的作用进行了探究，其结论与经验可为紧邻地铁车站附属结构的施工控制及结构安全保护提供参考。

1 工程概况

地铁车站附属结构位于主体结构西北侧，为地下一层框架结构，项目基坑位于附属结构东侧。基坑开挖长度19m，宽度12m，开挖深度约9.5m，基坑底部位于软土层。基坑南北两侧施作800mm厚26m深地连墙，基坑西侧直接使用原市政通道顶管工作井的800mm厚30m深地连墙作为围护结构，基坑东侧直接使用地铁车站主体围护结构的1000mm厚16m深地连墙作为围护结构。基坑设置一道钢筋混凝土内支撑和一道钢支撑，基底采用Φ600@450mm单轴搅拌桩格栅加固。基坑与地铁车站附属结构的相对位置关系如图1所示。

图1 基坑与地铁车站附属结构的相对位置关系

地铁车站附属结构所处地层主要为：杂填土、淤泥质土、粉质黏土、中粗砂。附属结构底板主要位于硬塑状粉质黏土层、砂层。

2 三维有限元数值模拟分析

2.1 计算模型

采用有限元分析软件MIDAS/GTS建立三维整体数值模型动态模拟该工程的开挖过程，探究单侧开挖卸载过程对紧邻地铁车站附属结构的变形影响。

为消除模型边界对计算结果的影响，将模型的尺寸确定为长度、宽度及高度分别为80m、100m、30m。结构所处地层采用3D实体单元对土体进行模拟，采用2D板壳单元模拟围护桩、板撑及车站附属结构，采用1D单元梁单元模拟基坑内支撑杆系，计算模型上表面为自由边界，底部为竖向位移约束，各侧面为对应方向的水平位移约束。

模型中的地层根据紧邻地铁车站附属结构的工程地质资料简化为各向同性、均匀且连续的地层，土体本构为软件中的修正摩尔-库伦模型，岩层则采用线弹性模型[3]，其地层分布及力学计算参数的取值如表1所示。模型中不考虑结构和土体之间的脱离现象，认为它们始终是协调变形的[4]。地基加固后的淤泥质土的变形模量与无侧限抗压强度qu有关。根据设计方案，坑底搅拌桩加固后土体的无侧限抗压强度不小于0.8MPa，出于安全考虑，取0.8MPa。当qu＜6MPa时，E50=（350～1000）×qu=280～800MPa，取E50=500MPa。

表1 模型岩土力学参数

模型计算的工况顺序参照实际施工流程，如表2所示。

表2 基坑开挖的三维动态施工过程

2.2 模拟结果及分析

2.2.1 坑底搅拌桩加固的模拟结果

坑底搅拌桩加固条件下基坑开挖对紧邻地铁车站附属结构的位移影响如表3所示，基坑施工过程中地铁车站附属结构的最大总位移曲线如图2所示。

根据表3及图2可分析得出坑底搅拌桩加固的模拟结果：

图2 坑底搅拌桩加固条件下基坑施工过程地铁车站附属结构的最大总位移曲线

表3 坑底搅拌桩加固条件下基坑施工过程地铁车站附属结构的位移汇总表（单位：mm）

（1）主体结构施作后，地铁车站附属结构垂直基坑边线方向位移下降56%，由此可见主体结构的施作可有效降低紧邻地铁车站附属结构的位移影响。

（2）基坑开挖对地铁车站附属结构平行基坑边线方向的位移影响较小，单侧开挖卸荷对紧邻地铁车站的水平位移影响以垂直基坑边线方向的位移为主。

（3）随着基坑深度的增大，地铁车站附属结构呈现先沉降后隆起的竖向位移特点，由此可见，对于紧邻地铁车站附属结构的基坑工程，施工过程应重点关注基底的隆起变形以达到保护结构安全的要求。

（4）基坑开挖诱发地铁车站附属结构的最大X向位移为0.84mm，最大Y向位移为0.17mm，最大竖向位移为2.7mm，最大总位移为4.3mm。由此可见，地铁车站附属结构在紧邻基坑开挖卸荷的影响下呈现竖向位移为主的特点。

综上分析可得，地铁车站附属结构的位移变化与基坑深度成正相关，地铁车站附属结构在紧邻基坑开挖卸荷的影响下呈现竖向位移为主的特点。主体结构的施作可有效降低紧邻地铁车站附属结构的位移影响。对于紧邻地铁车站附属结构的基坑工程，施工过程应重点关注基底的隆起变形以达到保护结构安全的要求。

2.2.2 无坑底搅拌桩加固的模拟结果

无坑底搅拌桩加固条件下基坑开挖对紧邻地铁车站附属结构的位移影响如表4所示，基坑施工过程地铁车站附属结构的最大总位移曲线如图3所示。

表4 无坑底搅拌桩加固条件下基坑施工过程地铁车站附属结构的位移汇总表（单位：mm）

图3 无坑底搅拌桩加固条件下基坑施工过程地铁车站附属结构的最大总位移曲线

根据表4及图3可分析得出无坑底搅拌桩加固条件下的模拟结果：

（1）随着基坑开挖深度的增加及基坑支撑的施作，地铁车站附属结构的水平位移呈现以垂直基坑边线方向位移为主的特点，基坑开挖对地铁车站附属结构平行基坑边线方向位移的影响较小。

（2）相较于水平位移，基坑开挖对地铁车站附属结构的竖向位移影响较大，地铁车站附属结构以隆起变形值为主，地铁车站附属结构的竖向位移与基坑深度成正相关。

2.2.3 结果对比分析

综合表3、表4的位移结果，可得坑底搅拌桩加固对地铁车站附属结构位移影响的对比图，如图4、图5、图6所示。

根据图4、图5、图6可分析得出：

图4 坑底加固施作与否车站附属结构的水平位移对比曲线

图5 坑底加固施作与否车站附属结构的竖向位移对比曲线

图6 坑底加固施作与否车站附属结构的总位移对比曲线

（1）坑底搅拌桩加固的条件下，随着基坑开挖深度的增加，地铁车站附属结构的水平位移差值分别为0.09mm、0.18mm、0.16mm、0.15mm，地铁车站附属结构水平位移下降幅度分别为64.3%、22.2%、16%、28.8%，由此可见坑底搅拌桩加固可以有效降低基坑开挖对地铁车站附属结构水平位移的影响，位移下降幅度与基坑开挖深度成负相关。

（2）坑底搅拌桩加固的条件下，随着基坑开挖深度的增加，地铁车站附属结构的竖向位移差值分别为0.8mm、0.7mm、0.7mm，地铁车站附属结构竖向位移下降幅度分别为21.6%、14%、33.3%，由此可见坑底搅拌桩加固可以有效降低基坑开挖对地铁车站附属结构竖向位移的影响，位移下降幅度与基坑开挖深度成负相关。

综上分析可得，坑底搅拌桩加固可以有效降低基坑开挖对地铁车站附属结构水平和竖向位移的影响。比较这两个方向，坑底搅拌桩加固技术对水平位移的控制效果更好。

3 结束语

通过三维有限元法，动态模拟了深基坑实际施工过程，并针对坑底搅拌桩加固进行了三维数值模拟对比分析，所得结论如下：

（1）地铁车站附属结构的位移变化与基坑深度成正相关，地铁车站附属结构在紧邻基坑开挖卸荷的影响下呈现竖向位移为主的特点。主体结构的施作可有效降低紧邻地铁车站附属结构的位移影响。

（2）紧邻地铁车站附属结构的基坑工程，施工过程应重点关注基底的隆起变形以达到保护结构安全的要求。

（3）坑底搅拌桩加固可以有效降低基坑开挖对地铁车站附属结构位移的影响，相较于地铁车站附属结构的竖向位移，坑底搅拌桩加固对地铁车站附属结构的水平位移的控制效果更好。