深基坑開挖對在建地鐵車站變形影響分析

曹 洋

（鎮江市公共住房投資建設有限公司 江蘇鎮江 212000）

1 工程概況

本工程周邊環境復雜，北側地下室外墻邊線距用地紅線10.10m，紅線外為規劃道路；東側為后期用地；南側地下室外墻邊線距用地紅線26～40m，地下室外墻邊10m左右為已施工完成的8、9號樓（以封頂），紅線外為規劃道路；西側地下室邊線距用地紅線最近約5.0m，紅線外為后期待建學校空地。南側與軌道交通線工程醫院站區間相臨，地下室外墻邊線距用地紅線約42.38m。基坑總面積約為9300.00m2，周長420.00m。

2 工程與水文地質條件

場區地貌單元屬于長場地地貌單元為長江Ⅲ級階地，局部有小的沖溝發育，沖溝內分布有可塑狀態粘性土。地勢較平坦，地面標高變化在29.87～30.68m。擬建場地內未發現斷層構造通過，主要地層連續，也未發現新構造運動痕跡，故場地是穩定的，適宜建筑。根據鉆探揭露，結合原位測試成果，地質勘察土層范圍內主要涉及土層如下：

①雜填土（Qml）：雜色，主要由碎石及黏性土、建筑垃圾等組成，局部為基礎和混凝土地坪，堆積時間大于十年，局部為新近回填。

②層粉質黏土（Q4al）：灰褐色夾黃褐色，可塑，含鐵錳質氧化物斑點，無搖震反應，切面光滑，干強度中等。

③層粉質黏土（Q3al）：黃褐-褐黃色，局部褐紅色，硬塑，含鐵錳質結核及灰白色高嶺土團塊，切面光滑有光澤、無搖振反應、干強度高、韌性高。

④層粉質黏土（Q2al+pl）：淺黃色，硬塑，含少量鐵錳質氧化物夾大量灰白色高嶺土，稍有光澤，無搖振反應、干強度高、韌性高。

④1層含礫粉質黏土（Q2al+pl）：棕紅色，硬塑，含少量鐵錳質氧化物，夾少量灰白色高嶺土，團塊狀，礫石含礫約5%，粒徑0.5～2.0cm，多呈次圓狀。

⑤2層含黏性土粉細砂（Q2al+pl）：淺黃色，中密，飽和，主要成分為石英、長石，含25～40%的黏性土。

⑥卵石（Q1al）：棕黃色，中密，飽和，主要成分為石英、長石，粒徑6～9cm，約占50%，其余由粉細砂充填。

⑦1層強風化泥巖（S2f）：棕黃色，結構構造已大部分破壞，巖芯較完整，多呈土柱狀，由黏土礦物水云母、高嶺石和少量石英、長石粉砂屑等組成。

⑦2層中風化泥巖（S2f）：黃綠色，泥質結構，層狀構造，泥質膠結，裂隙不發育。巖芯較完整，多呈柱狀、長柱狀，節長5～40cm，巖芯采取率80～95%，RQD80～90%，屬極軟巖類，巖石基本質量等級為Ⅴ類。

各層物理力學參數，見表1。

表1 土層物理力學參數

擬建場地鉆探揭露深度范圍內地下水類型有上層滯水、孔隙承壓水兩種：

（1）上層滯水：主要賦存于雜填土①中，受地表水及大氣降水的滲透補給，水位及水量隨季節變化，未形成統一穩定的水位。勘探期間測得上層滯水穩定水位埋深為1.1～9.2m。

（2）孔隙承壓水：與周邊湖泊有水力聯系，主要賦存于下部粉砂（地層代號⑤-2）和卵石（地層代號⑥）的孔隙之中，水量較豐富，擬建場地內承壓水穩定水位其埋深分別為15.8～16.1m。

3 圍護結構的選擇

本工程基坑圍護方案選擇時考慮了如下因素：

（1）基坑開挖深度大，安全要求等級高；

（2）基坑距用地紅線近，基坑支護結構不能超出用地紅線范圍；

（3）基坑距離周邊建筑物較近，支護結構及周邊建筑變形要求高；

（4）局部施工場地有限，不能采用放坡卸土方案。

由于本基坑施工難度較大，必須選擇一種確保安全、經濟的同時又具有成熟設計與施工經驗的基坑圍護方案，以達到高效、經濟目的。

基坑支護方案選擇思路為：受用地紅線的限制以及建筑物變形要求高的特點，可供選擇的支護方案為灌注樁+內支撐方案、灌注樁+錨桿、懸臂樁方案，其余場地空曠位置采用放坡支護。該方案目前已有很多成功案例[1～3]。靠近地鐵車站處支護剖面如圖1所示。

圖1 支護結構剖面

4 有限元模型分析

根據本基坑與鄰近地鐵結構的空間立體關系以及基坑工程支護結構設計及施工特點，選取了一個典型斷面進行有限元計算分析。MIDAS平面有限元模型中，采用平面應變單元模擬地層、圍護結構，采用梁單元模擬車站主體結構[4～5]。計算模型范圍以基坑外輪廓為基準，外擴不小于30m（約2倍基坑深度）而建立。有限元模型的邊界條件為；模型底部約束豎向位移，模型左右兩側約束水平向位移。

按照最不利工況原則，根據平面位置關系，現對本基坑選取兩個典型較不利剖面進行二維計算：

地下室基坑開挖對地鐵工程某醫院站的影響分析。模型參數同圖2。

圖2 有限元分析模型

為反映初始應力狀態及施工過程，本次計算共分7個施工步驟進行，如表2。

通過數值計算，車站主體結構的橫向位移云圖詳見圖3。

表2 施工工況

圖3 工況4車站主體結構橫向位移云圖（車站主體結構施工完成）

由圖3可以看出，車站主體結構完成時，地鐵產生約0.0564mm的位移。下一步工況將地鐵車站主體結構的位移歸零來分析基坑施工開挖期間，車站主體的位移。

圖4 工況5車站主體結構橫向位移云圖（位移重置為零）

圖5 工況6車站主體結構橫向位移云圖（基坑施工灌注灌注樁）

由圖5可以發現，基坑施工鉆孔灌注樁期間，地鐵車站主體產生約0.0316mm的位移，該位移較小，滿足設計要求，如圖6所示。

當基坑開挖至坑底處時，地鐵車站主體的水平位移為0.029mm。根據城市軌道交通結構安全控制指標值（表3）可知，該位移是滿足要求的。

圖6 工況7車站主體結構橫向位移云圖（土方開挖，開挖到基底）

表3 城市軌道交通結構安全控制指標值

地鐵車站主體結構的豎向位移云圖詳見圖7～10。

圖7 工況4地鐵區間豎向位移云圖（車站主體結構施工完成）

圖8 工況5車站主體結構豎向位移云圖（位移重置為零）

由圖3～10可知：通過利用MIDAS/NX對該項目最不利斷面的分析，由基坑二維平面整體水平、支護結構位移以及對地鐵車站的變形影響分析的結果可知，該支護體系是合理的。

主要計算分析基坑施工開挖對地鐵的影響，由計算結果可知，當完成基坑土體開挖后，車站主體結構的最大水平變形為0.294mm<10mm（向基坑方向）；車站主體結構的最大豎向變形為2.216mm<10mm（沉降）。

圖9 工況6車站主體結構豎向位移云圖（基坑施工灌注灌注樁）

圖10 工況7車站主體結構豎向位移云圖（土方開挖，開挖到基底）

5 結論

（1）通過二維模型計算可知，地鐵車站結構變形都在可控制范圍內。計算結果與理正計算結果相比較偏小，均在合理范圍以內，說明設計是合理的。

（2）本基坑方案采用的圍護結構安全可靠的，且對周邊環境的影響較小。但由于地下工程施工的不確定性和不可預見性，在施工過程中尚需采取相應的技術措施，確保周邊地鐵的安全。