基坑施工对邻近既有地铁车站及隧道区间结构的影响分析

伍源豪 谷任国

(华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

随着我国城镇化进程的深入推进，各类民用、工业建筑和城镇基础性设施建设进程也相应加快，在方便居民生活和推动经济发展的同时，也带来了城镇建设用地的紧缺，城市建设转向地下空间发展的程度加大，随之而来的则是愈来愈多的基坑工程出现在地铁车站及其隧道区间结构附近。而在既有地铁沿线进行基坑施工时，必定要考虑到其对周边地铁车站及其区间结构的影响，如何减小基坑施工对地铁车站及其区间结构的变形及稳定性的影响成为基坑施工中的重难点问题。

针对上述问题，国内外专家学者从基坑稳定性、基坑开挖施工对周边地铁沿线的影响、基坑支护桩受力后变形大小、有限元软件数值模拟及基坑内部支护结构计算等方面开展了论证研究。魏纲[1]通过对国内基坑工程实测数据进行分析，对基坑开挖影响下的既有盾构隧道变形机制开展理论研究，进而提出隧道最大隆起值的经验预测公式。张治国等[2]考虑基坑开挖引起坑底和四周坑壁土体同时卸荷产生的影响，提出基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响的两阶段分析方法。郑刚等[3]采用有限元方法对隔离桩的作用机制进行参数分析，研究隔离桩对土体深层位移及隧道位移的控制机制。陈晓丹等[4]在监测数据基础上，分析岩溶强发育区邻近基坑施工对建成后地铁隧道变形影响主要因素，并提出工程控制措施和处理方案。吕高乐等[5]运用有限元数值软件模拟软土地区双侧深基坑开挖对邻近地铁车站及盾构隧道的影响研究，分析双侧深基坑施工过程中地铁车站及盾构隧道变形情况，并得出地铁车站及盾构隧道变形规律。刘波等[6]分别从基坑开挖对既有隧道的影响机制、隧道变形的影响区、变形预测方法以及隧道影响控制方法四个方面论述当前研究成果，并提出亟待解决的主要问题。

本文在过往研究成果的基础上，针对新开挖基坑对既有地铁车站及区间隧道结构的影响[7]以及对既有结构的保护要求，采用Midas gts的有限元分析方法，对某基坑支护工程进行数值模拟，考虑基本的假设条件，基坑施工的开挖工序、支护结构等，研究基坑开挖、基坑降水时对地铁车站及其区间结构的位移、内力影响，以此来对既有地铁车站及隧道结构的安全性进行分析和评估，并为类似的基坑支护工程设计、施工及对周边建筑的保护提供技术参考。

1 工程概况

基坑工程东侧为空地，用地红线距基坑开挖底边线约1.0m；基坑南侧为空地，用地红线距基坑开挖底边线约1.0m；基坑西侧为新新大道，地铁车站附属设施距离基坑开挖底边线约39.0m；北侧为地铁区间隧道，地铁退让线距基坑开挖底边线3.1m。根据基坑与车站、区间平面关系图1、2可知，地铁车站与区间紧邻分析工点的隧道基坑，其中距离最近约为6.9m。基坑开挖施工会引起场地土层应力场的变化，引起土层变形，可能对周边的建（构）筑物产生一定的影响。

图1 基坑与车站平面关系图

图2 基坑与地铁区间平面关系图

本基坑面积约为9490m2，基坑深度约13.7～17.7m，基坑北侧采用1000mm 地连墙+三道内支撑，其余采用Φ 1200@1400+2～3道内支撑，如图3所示。

图3 支撑平面布置图

2 三维数值模拟分析

2.1 三维有限元模型

数值模拟分析中的场地地层主要根据该地铁车站及隧道区间附近的基坑工程勘察资料归并得到，并趋于不利地层考虑。场地地层自上而下依次为：素填土、粉质黏土、砂质黏性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中风化花岗岩，岩土层参数见表1所示。

表1 岩土层参数

总体模型计算区域选取时，充分考虑隧道施工对区间结构的边界效应，参阅相关文献，结合实际经验，以建筑物外轮廓水平向几何尺寸取3～5倍，竖直向2～4倍为原则（见图4所示）。计算模型侧向加水平约束，底部加竖向约束，顶面为自由面，不加约束。计算过程中的主要荷载包括各土层的重力、地面超载20kPa，主体结构自重，每层15kPa，共480kPa，及围护结构重力，并约束有限元模型底部的竖向位移，计算模型各侧面的法向位移。

图4 计算区域选取原则

模型中各土层和构件材料均考虑自重，自重方向Z轴向下，模型中土体采用理想弹塑性模型，遵循莫尔-库伦屈服准则，上述相关结构则采用弹性模型。模型中土体采用三维实体单元，地铁盾构区间、车站结构采用壳单元模拟。地铁车站梁柱及基坑支护的内支撑、冠梁和腰梁选用梁单元来模拟。总体计算模型含113706 个单元，22835个节点。数值模拟分析所建立的三维有限元模型如图5所示。

图5 整体模型有限元网格

2.2 分析工况

本文采用总应力分析法，分析工况包含16个施工步，具体如表2所示。本文主要针对基坑开挖施工对既有地铁车站及区间结构影响的力学特性进行分析，考虑的是基坑开挖施工引起的增量位移，故对既有车站及区间施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。

表2 数值模拟分析工况

地铁车站、隧道结构、基坑支护结构的计算模型如图6所示。

图6 车站结构与既有地铁车站及区间结构有限元网格图

2.3 计算结果

本文重点分析了基坑开挖施工过程中开挖土体对既有地铁车站及区间结构内力、变形的影响，即数值模拟分析中的工况5、7、9、11、13、15、16，其分析内容包括各结构的结构内力和增量位移。计算结果见图7～图9 和表3所示。

表3 位移计算结果汇总

图7 围护支护结构各方向最大位移计算结果

图8 车站结构各方向最大位移计算结果

图9 区间结构各方向最大位移计算结果

2.4 地铁车站及区间结构强度验算和车站结构侧墙裂缝宽度验算

由于基坑的开挖会使地铁车站侧墙及区间结构产生一定的增量位移，在增量位移的影响下，需要对侧墙和区间结构的承载能力进行验算。拆除第一道支撑时相对车站建造时的弯矩的变化量如图10所示，相对隧道建造时的应力变化量如图11所示。

图10 拆除第一道支撑时相对车站建造时的弯矩变化量

图11 拆除第一道支撑时相对隧道建造时的应力变化量

同时，根据既有车站侧墙极限弯矩设计值及其配筋，验算基坑开挖引起车站结构侧墙的弯矩变化时的裂缝宽度。基坑施工引起各结构内力及裂缝宽度汇总如表4所示。

表4 基坑施工引起各结构内力及裂缝宽度汇总

3 结束语

本文基于 MIDAS 有限元分析软件，建立基坑开挖施工与某地铁车站及区间结构的三维计算模型，对基坑开挖引起的既有地铁车站及区间结构的变形和力学特性进行了模拟分析与评估，数值模拟研究结果表明：

（1）基坑开挖工程是影响既有地铁车站及区间结构变形的主要因素。支护结构位移最大值为-8.41mm，其计算结果满足规范要求。

（2）基坑施工及塔楼荷载施加引起的地铁车站主体结构水平X方向最大位移为0.543mm，Y方向最大位移为-0.259mm；竖向最大位移为0.033mm。施工引起的地铁车站结构位移均应小于限值。

（3）基坑施工及塔楼荷载施加引起的地铁隧道区间结构水平X方向最大位移为1.146mm，Y方向最大位移为-4.490mm；竖向最大位移为-3.398mm。叠加目前现状累计沉降值约为-3.768～-4.278mm。整体上基坑施工及塔楼荷载施加对地铁区间结构影响较小。

总之，基坑施工及塔楼荷载施加引起车站侧墙弯矩增量远小于抗弯承载力设计值，基坑施工及塔楼荷载施加对地铁车站结构影响不大；基坑开挖施工过程中，区间结构的应力变化量较小，对区间结构影响较小。基坑施工及塔楼荷载施加引起车站侧墙裂缝变化影响极小，满足车站裂缝控制要求。