基坑開挖對側方既有地鐵車站區間影響的數值分析

杜明禮 余建河

(1.江蘇中匯巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221004；2.陜西宏基建筑勘察設計工程有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著地鐵建成通車，地鐵沿線人流量增大，周邊無疑成為了開發建設的黃金地帶，因此地鐵兩側新建工程項目越來越多。為了最大化的利用城市有限的土地，新建建筑往往會開挖地下室基坑，而基坑的開挖必然擾動周邊圍巖，改變地鐵車站及區間結構受力狀態，引起地鐵結構變形，如何控制側方既有地鐵車站及區間結構的變形，是基坑開挖的關鍵問題。

以深圳羅湖某地鐵側方的基坑工程為例，通過三維有限元分析，對基坑開挖引起的側方地鐵車站及區間結構變形的影響進行分析研究，為優化設計和施工提供有益的參考。

1 工程概況

1.1 項目情況

擬建項目位于深圳市羅湖區，主要建(構)筑物為4棟超高層住宅樓及相關多層配套設施，共68層～70層，總高219 m，其中地下室5層，設計開挖深度約22 m，基坑周長658.4 m，開挖面積16 402 m2。項目基坑西側緊鄰地鐵3號線田貝站站廳及部分田貝—翠竹區間隧道，項目基坑北側緊鄰地鐵7號線區間隧道。

本基坑臨近地鐵、建筑和市政道路管線，基坑支護結構若失效、土體過大變形均將對基坑周邊環境或主體結構施工安全產生嚴重影響。基坑采用整體順作方案，采用咬合樁+三道內支撐支護。咬合樁葷樁采用直徑1 400@2 100 mm的混凝土灌注樁，素樁采用直徑1 400@2 100 mm的素混凝土灌注樁，樁頂設置1 400×1 000 mm的冠梁，支撐節點設置立柱，立柱樁為1 200 mm混凝土灌注樁。采用咬合樁作為止水帷幕，咬合樁葷素樁互相咬合，形成封閉止水墻，確保止水帷幕穩妥可靠。鄰近地鐵側設置一排三軸攪拌樁，防止對地鐵產生不利影響。

1.2 地質概況

①雜填土：色雜，松散，主要由粉質黏土及含約20%～50%的建筑垃圾、碎塊、塊石、混凝土等回填，土質不均勻。填土層堆填年限約8年～15年。各孔均見該層。層厚1.50 m～7.80 m；層頂高程18.45 m～20.50 m。

②淤泥質土：場地內局部分布。灰黑色，飽和，流～軟塑，成分以黏粒為主，富含有機質及腐殖質，含約15%～40%的細砂，土質不均勻。層厚0.60 m～3.10 m；層頂埋深4.00 m～7.80 m；層頂高程11.84 m～15.91 m。

③砂質黏性土：灰黃、褐黃色，可～硬塑，成分以粉粘粒為主，不均勻含約3%～10%的石英礫粒，切面較粗糙，韌性中等，干強度中等，局部孔段該層分布有強風化巖夾層。層厚0.80 m～17.50 m；層頂埋深1.50 m～12.10 m；層頂高程7.07 m～17.33 m。

④全風化混合巖：黃褐、灰褐色，原巖結構、構造基本破壞，成分除石英外，其余礦物多已風化呈土狀、砂狀，巖芯泡水易軟化、崩解。層厚2.00 m～13.50 m；層頂埋深4.80 m～24.00 m；層頂高程-4.41 m～14.69 m。

1.3 基坑與地鐵車站及區間的關系

基坑在平面上呈L形，位于軌道7號線南側，軌道3號線東側，如圖1所示。軌道3號線區間隧道距離基坑支護結構約12 m，A出口及排風井距離支護結構約6 m，基坑與地鐵關系剖面圖如圖2～圖4所示。

由于基坑與地鐵車站及區間水平距離較小，且基坑開挖可能引起地鐵隧道周邊圍巖產生變形，從而引起地鐵結構變形。因此如何在基坑開挖過程以及項目實施完成后確保地鐵隧道的運營安全，是本項目需要重點考慮的問題。

2 數值分析

利用Midas GTS NX有限元分析軟件，在合理的計算區域內，采用合適的本構模型建立三維有限元模型模擬本項目基坑開挖過程。

在實際過程中最不利情況是基坑開挖到底，因此按照最不利工況原則，根據本基坑與鄰近地鐵車站及區間的平面及立面關系以及基坑工程支護結構設計及施工特點，分析基坑開挖過程中支護結構和地鐵結構的變形情況。

2.1 有限元模型

采用2D板單元模擬地鐵結構、1D梁單元模擬基坑支護結構、3D實體單元模擬巖土體。以基坑外輪廓為基準，外擴3倍基坑開挖深度作為模型計算范圍，如圖5所示。

2.2 工況模擬

基坑開挖引起周邊巖土體變形，從而引起側方地鐵結構產生朝向地鐵側的位移。基坑采用分層分區開挖，模擬計算按如下工況進行：step1施工基坑圍護結構，并開挖至第一層支撐底標高，施工第一層支撐；step2土方整體開挖至第二層支撐底標高，施工第二層支撐；step3土方整體開挖至第三層支撐底標高，施工第三層支撐；step4土方整體開挖至基坑底。

2.3 計算結果分析

通過數值計算得到隧道結構最大水平與施工工況關系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，隨著基坑逐步開挖，側方地鐵結構水平變形逐漸增大。

側方地鐵結構水平變形最大值出現在step4土方整體開挖至基坑底，水平變形云圖如圖7～圖9所示。

分析結果表明，當基坑開挖完成后，隧道結構發生的水平變形最大，地鐵3號線田貝站結構最大水平位移為5.58 mm，地鐵3號線區間隧道結構最大水平位移為3.80 mm，地鐵7號線區間隧道結構最大水平位移為3.89 mm。根據《城市軌道交通安全保護第三方檢測控制指標》有關規定：“城市軌道交通隧道結構設施絕對沉降量及水平位移量≤10 mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)”，基坑工程開挖施工引起的地鐵結構水平變形滿足規定要求，基坑開挖過程中側方地鐵車站及區間結構是安全穩定的。

3 結語

1)基坑開挖會對側方地鐵車站及區間結構產生變形，基坑開挖過程應密切關注基坑周邊位移和地鐵實測位移。

2)根據數值計算分析，基坑開挖引起的側方地鐵車站及區間結構變形值小于地鐵安全保護區監測控制指標要求，基坑開挖不會影響側方地鐵車站及區間的正常運營。

3)基坑采用排樁+內支撐、局部采用復合土釘墻的支護形式，支護體系剛度較大，可有效控制基坑的變形，減少對地鐵隧道結構的擾動影響作用是比較明顯的。

4)基坑分層分區開挖對側方地鐵隧道的變形的抑制作用明顯。

5)地鐵結構位移最大值發生在基坑開挖的最后工況，因此基坑支護施工時應減少基底的暴露時間，盡早施作地下結構并回填。