通過數值模擬確定鄰近深基坑開挖對既有地鐵車站的影響研究

通過數值模擬確定鄰近深基坑開挖對既有地鐵車站的影響研究

趙鎮林

隨著我國城市化進程的不斷發展，地下空間的開發與利用越來越受到重視，因此產生大量位于城市繁華地段的基坑工程。而城市基坑工程周圍往往存在市政管網、地下管廊、地鐵車站等其他市政設施，施工環境非常復雜。此類基坑的開挖不僅涉及到基坑本身的安全與穩定，同時還可能對臨近的建筑物、構筑物造成影響。地鐵車站有嚴格的變形限制，而基坑開挖勢必造成周圍土體的變形，如果施工不當，則會影響鄰近地鐵隧道的運行甚至造成安全問題。

圖1 基坑支護結構平面布置圖

一、工程概況

擬建項目位于已運營武漢軌道交通2號線范湖站西南側，項目總建筑面積145641m2，地下73308m2，該基坑大面積開挖深度為22.7m，公寓塔樓區域開挖深度23.90m，酒店塔樓區域開挖深度24.4m；采用1000mm鋼筋混凝土連續墻+4道鋼筋砼內支撐梁支護；底部均采用構造連續墻做止水帷幕。連續墻嵌固深度位10m，基坑底部均采用構造連續墻做止水帷幕，連續墻進入中風化巖層不小于1m。圖1為該基坑支護結構的平面布置圖：

二、模型的建立

建立三維計算模型，土體采用四面體單元；圍護結構采用plate結構單元模擬，支撐和立柱采用beam單元模擬；立柱樁采用embend單元，結構與地層之間采用Goodman接觸單元模擬，接觸面強度折減系數采用0.65。放坡2.5m厚土層自重荷載取值48kpa，地面超載取20kpa。模型平面尺寸位300m×300m，高度為70m。模型邊界距離開挖面長度大于3倍開挖深度。計算模型如圖2所示：

圖2 計算模型

三、計算結果分析

本次計算主要目的是分析地鐵周邊擬建深基坑施工對既有地鐵車站的影響，根據計算工況分別選取每個工況的地面變形及基坑圍護結構變形進行比較分析。

1.計算工況

（1）工況一：計算初始地應力場；

（2）工況二：施做地下連續墻、加載放坡深度2.5m厚土層重力荷載。

（3）工況三：施做第一道桁架支撐，基坑開挖至第二道桁架撐標高。

（4）工況四：施做第二道桁架支撐，計算基坑開挖至第三道桁架撐標高。

（5）工況五：施做第三道桁架支撐，計算基坑開挖至第四道桁架撐標高。

（6）工況六：施做第四道桁架支撐，計算基坑開挖至坑底標高。

2.計算結果分析

根據數值模擬計算得出每個工況下的地連墻變形云圖及地表變形云圖。同時通過對各工況變形云圖分析研究可以了解到：工況六下各類變形均為最大，連續墻最大變形達到了68mm，地表最大變形達到了50mm，通過對各工況的比較可知：隨著基坑的不斷開挖，地表及連續墻變形不斷加大，當開挖至基坑底部時，各類變形最大。

深基坑距離車站附屬結構最近距離為20m，距離車站附屬結構與主體結構之間的變形縫為48m。車站附屬結構地板埋深為10m，因此重點考察三維模型中兩點的沉降量，A點：距離深基坑最近的附屬結構底板邊緣點，B點：車站附屬結構底板變形縫位置。通過這兩個點的沉降量可以考察車站附屬結構及車站主體結構的沉降變形情況。

基坑開挖至地面以下-9.4m標高（第三道支撐標高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結構地板最大沉降為3.0mm，最小沉降為1.5mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-14.9m標高（第三道支撐標高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結構地板最大沉降為7.5mm，最小沉降為2.0mm，差異沉降為5.5mm。

基坑開挖至地面以下-20.0m標高（第四道支撐標高）后，開挖到坑底后，地鐵附屬結構地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為3.0mm，差異沉降為9.0mm。

基坑開挖到坑底后，地鐵附屬結構地板最大沉降為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降為10.0mm，地鐵車站主體沉降量小于4mm，差異沉降更小。

通過計算分析，深基坑開挖引起的車站主體結構沉降量小于4mm，在變形控制標準范圍之內；車站附屬結構最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結構與主體結構之間設置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對結構受力的影響，但是過大變形可能導致變形縫漏水。

四、結論

1.通過計算分析，地鐵周圍深基坑開挖引起的車站主體結構沉降量小于4mm，在變形控制標準范圍之內；車站附屬結構最大沉降量為14.0mm，最小沉降為4.0mm，差異沉降10.0mm，盡管車站附屬結構與主體結構之間設置變形縫，能夠消除一部分沉降變形對結構受力的影響，但過大變形可能導致變形縫漏水。因此，深基坑支護結構應加強水平向支撐剛度，尤其臨近地鐵車站一側基坑桁架支撐剛度，并加強地鐵附屬結構變形監測，變形控制標準為6mm。

2.基坑支護結構設計必須滿足的條件：（1）各層鋼筋混凝土桁架支撐最小水平向支護剛度不得小于30MN/m；基坑圍護結構最大水平向變形不得超過40mm，否則應采取其它措施減小基坑變形。（2）連續墻建議采用止水效果較好的剛性接頭形式；連續墻接縫及止水帷幕施工質量極為重要，必須施工到位防止連續墻接縫漏水漏砂導致地鐵車站結構發生較大沉降變形。（3）項目位于長江一級階地，承壓水頭較高、水頭補給較快，基坑開挖過程中應做到按需降水，加強地下水位監測，保持地下水位低于開挖面1m左右即可，應防止盲目抽水導致基坑內外水頭差過大，引起圍護結構過量變形或地連墻接縫涌水涌砂。

（作者單位：中鐵隧道勘測設計院有限公司）