深基坑开挖对现有地铁车站变形影响模拟研究

黄文辉

（中铁四局集团第三建设有限公司，天津 300163）

0 引言

随着城市地下空间的发展，越来越多的地下工程将会对现有地下工程造成影响[1-3]。深基坑开挖将引起紧邻既有地下工程的变形，这是一个十分复杂的过程，首先开挖释放出临空面，引起应力变化，继而引起隧道变形，其内部应力场分布、位移场特征和影响因素非常复杂。目前，还没有一个较成熟且合理的理论来表征这种变形[4-5]。采用数值模拟手段在工程施工前对可能产生的不利影响作出评估，是安全、高效扩展城市地下空间的重要手段[6-7]。为了得到有根据、有可靠性的评估结果，需要选择合适的模拟方法、建立与实际情况足够相似的模型。

1 工程概况

拟建工程为一紧邻地铁车站的泵站深基坑。基坑拟采用明挖法施工，东西向长约31m，南北向宽约22.45m，深16.05m。拟建泵站基坑位于某地铁站西侧，雨水泵站基坑支护结构（护坡桩）距地铁站地下结构最小距离约41.17m，雨水泵站基坑支护结构（护坡桩）距离地铁站护坡桩最小距离约40.16m，泵站基坑槽底比地铁车站底板浅约11.5m，基坑临时封底标高比车站顶板深约2.0m。

2 影响评估

2.1 评估思路

在前期通过搜集、整理有关地质情况；随后根据工程的状况开展检测分析；最后通过数值分析，预估开挖造成的地铁车站及区间轨道的变形，以此来综合评价车站结构是否安全，地铁轨道是否可以安全运行。对于地下工程，主要采用两种简化的力学计算模型[8-10]：一是连续介质模型，也称地层-结构模型，即将地层与工程结构同时视为计算范围，考虑地层与结构的共同作用，多用于多个结构与地层协调变形的分析；二是作用-反作用模型，也称荷载-结构模型，该模型只以建筑物作为计算对象，将地层中的岩土体视为对支护结构的荷载源，多用于结构内应力场及位移场的分析。在该工程中，深基坑开挖引起的地下结构变形是依靠地层关系来体现的，因此采用地层-结构模型进行变形分析。

目前，常采用有限元方法、有限差分法等来进行地层-结构模型的分析。基于该项目模型连续、小位移的特点，采用有限元方法，计算重点是基坑及管线施工过程对地铁结构所产生的影响。得到位移结果后，根据安全要求，提出基坑及管线施工时控制地铁车站与轨道的位移监测标准和施工措施。

2.2 模型建立

考虑基坑开挖影响范围，三维评估模型范围为：沿既有地铁线路方向长度150m，线路法向方向200m，土层厚度60m。新建结构包括拟建管线开槽及顶管竖井，既有结构包括地铁高架区间及地铁暗挖区间。评估范围示意图和模型示意图如图1 所示。

图1 三维模型示意图

该计算模型中地下岩土体采用实体单元模拟，针对土层分层，赋予各不同土层以不同的材料力学参数。模拟边界条件的选取时，采用位移边界条件，顶面取为自由边界，不施加任何自由度约束；其他则限制法向位移的自由度。计算荷载考虑以下方面，第一，地铁结构自重；第二，岩土体自重应力；第三，考虑地面各个结构，超20kPa。在本构公式的选取与各个部分材料力学参数的选择上：对于混凝土材料构筑的车站主体部分，使用线弹性本构构筑刚度矩阵；对于各层中岩土体，则采用D-P 本构模型。安全评估按最不利情况分析施工对既有线的影响，模拟分三步进行：第一步完成泵站开挖施工；第二步完成出水管东西向地铁车站主体；第三步完成管线邻近上穿西北风道。

2.3 模拟结果

在确定上述材料本构关系与力学参数后，施加合适的边界条件。下一步将分析各工序下车站隧道结构的横向位移和竖向位移。为了反映目标地铁结构的位移情况及规律，对各阶段在施工完成后既有结构的位移云图进行研究，分析既有结构的位移结果和规律。着重对地铁高架区间、暗挖隧道区间和车站主体部分等重点结构进行模拟分析，如图2-图5 所示，模拟结果分析如下：

图2 高架区间变形云图

图3 暗挖结构变形云图

图4 车站主体结构变形云图

图5 车站变形云图

第一，地铁高架构造的竖向位移最大值计算结果为0.395mm，方向向上，发生在邻近管线侧桥梁墩台；横桥向横向位移最大值计算结果为0.314mm，顺桥向横向变形最大值计算结果为0.157mm，偏向管线开挖侧，发生在邻近管线侧桥梁墩台。

第二，间暗挖结构竖向位移最大值计算结果为0.224mm，方向向上，发生在穿越位置区间侧墙；同时，横桥向横向变形最大值计算结果为0.116mm，位置处于偏向管线开挖侧，发生在穿越位置区间侧墙。

第三，站后折返线区间结构竖向变形位移最大值计算结果为0.581mm，方向向上，最大位移处在穿越位置区间侧墙；横桥变形最大值计算结果为0.404mm，其位置倾向于管线开挖侧，最大位移处在穿越位置区间侧墙。既有车站主体结构竖向变形最大值为计算结果为0.046mm，方向向上，最大位移处在穿越位置车站侧墙；横桥变形最大值计算结果为0.039mm，倾向于管线开挖侧，发生在穿越位置车站侧墙。

第四，另一既有车站结构的竖向变形最大值计算结果为0.381mm，方向向上，发生在完成开挖卸载阶段，位于邻近基坑开挖侧结构侧墙。1 号风道及侧墙结构的竖向变形最大值为1.17mm，上浮，发生在完成开挖卸载阶段。

2.4 模拟结果评估

在建立三维地层-结构模型后，对地铁车站结构与轨道的位移进行有限元计算分析可以得出竖向变形和横向变形位移，以及相应的变形云图，通过分析得出如下结论：第一，依据对可能存在危险的点进行分析，水泵站基坑工程会引起现有地铁结构及轨道的变形位移，经计算分析，该变形值较小，在地铁运营安全容许范围内。第二，施工时监测措施与评估结果相比对研究，可确保地铁系统的正常运转。

2.5 监测结果耦合

项目开展后，在典型位置处的结构布置监测点进行长期位移监测，监测结果随时间变化如图6 所示。

图6 位移监测结果图

位移监测结果均处于预警值之内，同时也略小于数值模拟估计值，符合有限元方法离散化过程中添加内部自由度约束导致结果偏大的特点。位移监测数据充分说明了前期模拟的准确性与安全预留上的可靠性。

3 结语

通过对未开始施工的深挖基坑项目进行数值模拟，评估其对现有地下结构可能造成的影响，提供有效的项目评估依据。数值模拟方法为后续项目的监控量测、施工工作提供了一定的参考与建议，评估结果与后续监测数据相匹配、相符合。