復雜基坑開挖對雞鳴寺地鐵站及區間隧道的變形影響分析

毛昆明，陳 磊，唐擁軍

（1.金陵科技學院建筑工程學院，南京 210009；2.中國聯合工程有限公司，杭州 310052；3.廣西水利科學研究院，南寧 530023）

地鐵結構設施對變形要求較為嚴格，隨著城市建設的不斷發展，既有地鐵隧道鄰側或者上方進行建筑施工的活動日益增多。其中，基坑工程對地鐵隧道的影響最為突出。基坑工程對鄰近地鐵隧道的影響主要表現在引起后者的變形，嚴重時還將引起隧道結構的破壞，威脅到地鐵的安全運行。因此，針對基坑開挖對地鐵隧道結構安全性影響安全性進行評估具有很重要的工程實際意義，不少學者對此進行了研究[1～10]。

雞鳴寺站是南京地鐵3號線、4號線的換乘站，周邊有一大型復雜基坑正在施工，因此需分析鄰近施工引起的地鐵結構變位是否在允許的范圍內，確定其是否滿足地鐵安全和使用的要求。

1 有限元建模

根據基坑和區間幾何尺寸大小，結合基坑開挖施工對臨近環境影響范圍的現場監測經驗，基坑開挖深度為6～21 m，本模型計算深度取40 m，基坑長約650 m，寬約600 m。基坑距離地鐵結構最近處約10 m。對計算區域內涉土體、基坑支護結構、地鐵結構、隧道結構進行了三維精細建模，土體采用實體單元，基坑支護、地鐵結構結構采用板單元。基坑分區采用的樁基圍護按照等效剛度的原則等效為同等剛度的地連墻結構形式，并考慮基坑周邊10 m范圍內作用20 kPa的車輛載荷。根據計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元464 792個。建立的“地鐵結構-基坑-圍護”計算模型見圖1。

根據本工程的地質勘察報告中的土工試驗取值，各層土的c、φ取直剪固快試驗指標計算，地質土層的主要物理參數見表1。

表1 土質物理參數

圖1 有限元模型圖

由于基坑周邊環境復雜，基坑的面積較大，因此采用分部開挖的方式，施工順序為基坑A→基坑B→基坑C，其中B基坑底部還有一個坑中坑。A基坑深約6 m，設1道支撐；B基坑深約21 m，設3道支撐；C基坑深約6 m，設一道支撐。

分析步的設置影響計算結果的精度，如果設得過多，結果自然精確，但計算用時長；如果太少，則結果不精確，更有可能跳過關鍵變形步，使得計算結果失真。因此本模型的分析步采用與實際主要支撐工序相結合的方法。B 基坑深度最深，開挖對地鐵車站隧道的影響最大，因此B基坑的每一道支撐都做了一個工作步；A基坑和C基坑的深度較淺，因此將開挖、設支撐、澆筑底板等合成一個工作步，具體分析步設置見圖2。

圖2 施工工序圖

2 有限元計算結果分析

2.1 基坑變形分析

基坑位移主要控制參數見表2，基坑變形云圖見圖3。

本文主要關注地鐵結構的變形，因此圖3 只給出基坑3 個典型工況（step1 開挖A 基坑至坑底、step4 開挖B 基坑至坑底、step6 開挖C 基坑至坑底）的坑底隆起及地面沉降云圖（隱去了支撐模型，云圖能看得清晰）。從圖3 可以看出，開挖A 基坑時，坑底隆起2.3 mm，地面沉降2.1 mm；由于B基坑的面積及深度均大于A基坑，因此B基坑開挖結束時，其坑底隆起值最大，達到19.7 mm，地面沉降為19.9 mm；C基坑為L型狹長淺基坑，因此開挖時引起的變形較小，此時坑底隆起20.1 mm，地面沉降20.0 mm。

表2列出了基坑3個方向的最終變形及控制標準，均在控制范圍內，因此基坑變形安全。

表2 基坑位移主要控制參數 mm

圖3 基坑變形云圖

2.2 地鐵結構位移分析

基坑工程由于開挖卸載，基坑側壁發生側向位移，坑底產生一定的隆起變形，地面發生沉降，也帶動鄰近的地鐵結構隧道發生側向和豎向變形，其變形量的大小是判別基坑變形和穩定的重要依據。地鐵結構變形云圖見圖4～圖6。地鐵結構各方向位移時序圖見圖7。

從圖4 可以看出，A 基坑離4 號線遠，因此開挖A 基坑時，4 號線車站及隧道的各個方向位移都較小，3號線車站位移也不大，但是其隧道由于離A基坑很近，所以位移較大，尤其是X和Y方向位移明顯（見圖7a）。

根據圖5、圖7，B 基坑開挖時，3 號線隧道位移緩慢增加，但X 方向增幅稍大（見圖7a），并且位移最大處往車站方向偏移。3號線車站的位移則劇烈增加，并且豎向（Y 向）沉降為主要運動方向（見圖7b）。4號線隧道也開始產生位移，Z方向位移最大，X方向位移最小（見圖7c）。4號線車站的位移則相對復雜，在B基坑開挖過程中，X方向的位移始終最小；開挖到第一道支撐時，Z 方向位移最大；從開挖至第二道支撐至坑底，Y方向位移（即沉降）最大（見圖7d）。開挖B基坑底部坑中（step5）坑對地鐵結構的位移影響幾乎沒有。

C 基坑為L 型狹長淺基坑，開挖時引起的地鐵結構的累計變形很小（見圖6、圖7），step6 分析步的位移均無明顯變化。

圖4 地鐵結構變形云圖（step1）

圖5 地鐵結構變形云圖（step4）

圖6 地鐵結構變形云圖（step6）

圖7 地鐵結構各方向位移時序圖

表3 為地鐵結構變形表，列出了基坑開挖結束后，車站及區間隧道各個方向的最大位移以及連接處的差異變形和差異沉降，以及根據隧道變形計算出的變形曲率半徑和相對變曲。所有數據均小于《地鐵設計規范》（GB50157-2013）規定的控制值，結果均滿足要求，說明項目采用的施工及支護方案合理有效，使基坑開挖對地鐵結構的影響在安全范圍內。

表3 地鐵結構變形表 mm

注：表中UZmax、UXmax、UYmax分別為Z、X、Y向最大水平位移；Sh和Sv分別為水平和垂直差異變形；Rc 和Cr 分別為隧道的變形曲率半徑和相對變曲。

3 結語

（1）本項目采用的施工及支護方案合理有效，基坑3個方向的變形在各個施工階段均在標準控制范圍內；3、4 號線區間隧道的變形曲率半徑和相對變曲、車站結構變形、車站與隧道連接處差異變形、車站主體與附屬變形縫處差異沉降也均符合要求。

（2）從位移云圖可以看出，整個地鐵結構各個方向的位移最大處在不斷變換位置，兩條地鐵區間、車站均出現過，因此監測點布置的位置應隨施工流程逐漸變換。

（3）地鐵結構周邊開挖復雜基坑時，使用有限元軟件進行預測性評估分析很有必要，確保使用有限的傳感器能監測到必要的部位，消除安全隱患。