地鐵站基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響分析及安全控制技術

劉 斌

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

0 引言

隨著城市化進程的加快，地鐵工程迅猛發展。新建基坑的地鐵站往往鄰近已運營的車站，易導致既有建（構）筑物失穩。因此，如何降低基坑開挖的擾動影響十分重要，必須采取相應的安全控制技術。

1 工程概況

成林道站位于天津市河東區成林道、紅星路交口東側，功能定位為4，5號線的換乘站。4號線成林道站采取地下2層島式站臺結構形式，起止里程右DK31+243.351—右DK31+505.068，中心里程右DK31+375.908。4號線成林道站1號風道位于車站主體南側，1號風道西側緊鄰5號線成林道車站，1號風道南側為5號線成林道站2號風道，距2號風道最近距離約為11.7m。F出入口位于車站主體南側，與5號線車站2號風道的最近距離為33.5m。

2 三維有限元模型創建

基坑開挖具有較強的擾動性，易導致圍護結構和既有車站受到不同程度的影響，為保證軌道交通的安全運行，需展開全面分析。對此，施工單位可以以Midas軟件為工具創建三維有限元模型，從而輔助相關施工的順利進行。

2.1 計算模型

施工單位需要在綜合現場地形條件、基坑及車站建設位置、尺寸等具體情況的基礎上創建三維數值模型，并以此為依據組織計算與分析工作，從而提高模擬的真實性，準確呈現基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響。建模基本原則如下。

1）鉆孔樁和SMW工法樁為板單元模擬的方式；現場的各支撐和環梁裝置均為梁單元模擬。

2）連續墻、頂板、中板、底板及盾構管片結構部分均為板單元模擬；柱體結構均為梁單元模擬。

3）基坑內外部分布有土體，該部分為實體單元模擬的方式。

按上述原則創建三維計算模型，共涉及47 568個單元、24 644個節點，如圖1所示。

圖1 三維計算模型

2.2 本構模型選擇

為便于模擬與分析，施工單位可根據地鐵車站及隧道的變形特點，視其與現場土體變形是否具有協調性。與土體剛度相比，車站結構的剛度相對較大，因此結構與土體的變形具有差異性，而結構的變形量更小，故若僅存在小變形現象，則可以將兩者視為同等變形。另外，從軌道運行安全狀況的層面來看，該假設也符合要求。

施工現場軟土分布量較大，引入修正Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，目的在于以直觀的方式呈現出巖土的非線性特征，以便提高模擬結果的可靠性。

2.3 計算工況

基坑開挖過程中易對鄰近地鐵車站的正常運營帶來影響，本次模擬重點探討此方面的問題。為保證分析結果的全面性，需明確6種工況，如表1所示。

表1 計算工況

2.4 邊界條件選取

土體四周邊界法向方向均設置約束，通過此方式限制法向的位移；地面為自由面；對于土體底邊界，分別將其x、y、z方向固定。

2.5 基坑開挖對鄰近地鐵車站的影響結果

根據基坑開挖的特點，繪制施工過程中鄰近地鐵車站的實際運行狀況圖，包含水平位移和豎向位移兩方面，如圖2所示。由此得知，當基坑開挖至坑底時，車站靠近基坑一側的地下連續墻受到影響，其產生的水平位移為2.16mm，豎向位移增加至2.18mm。

圖2 車站的水平位移和豎向位移

根據模擬結果展開進一步的分析可知：施工單位需加強對臨近軌道交通車站一側的防護，具體可選擇鉆孔灌注樁+支撐的形式，且需對坑內外土體輔以加固措施，以最大限度減少既有建筑的變形量，并增強圍護結構的穩定性，從而為基坑開挖創造良好的條件。

3 軌道交通安全保證措施

3.1 明挖順作

綜合考慮基坑周邊建設條件，通過明挖順作的方式有序組織基坑施工。其中，1號風道基坑長50.98m，寬29.92～40.22m，深17.874～19.676m；F出入口坑長56.433m，寬度包含3種建設標準，即 8.4，9.9，11.4m，深 2.500～13.338m。通過對F出入口的分析可知，該處的抗浮安全系數為1.11，大于1.05，符合要求。

3.2 圍護結構支護形式及地質條件

1）1號風道施工中，圍護結構選擇的是地下連續墻形式，基本規格為厚800mm、長35m，支撐裝置的組成包含4道混凝土支撐（第1道為800mm×1 000mm鋼筋混凝土支撐，除此之外均為1 200mm×1 000mm鋼筋混凝土支撐，間距均為6m）和1道換撐（800mm鋼支撐，間距為3m）。鑒于支撐跨度較大的特點，宜在基坑中部增設格構柱，柱下配置規格為1.2m、長20m的鉆孔樁基礎。但對其展開驗算后可知，其抗浮安全系數為0.88，相比于安全要求而言依然有差距，因此增設800mm×1 100mm的壓頂梁和5根抗拔樁（此樁體結構所處位置為鄰近5號線車站主體側柱下），最終該系數值提升至1.255，大于 1.150，因此達標。

2）1號風道基坑底部的地質條件特殊，以粉土層居多，與此同時，地下連續墻底部分布大量的粉質黏土和粉土層，現階段尚未隔斷第2層承壓水粉土和粉砂，根據現場情況展開驗算后可知，第2層承壓水抗突涌系數為1.02，不達標。鑒于此，在坑內增設減壓井。

3）施工現場局部地區的粉質黏土組分復雜，其中砂質粉土等已經發生輕微液化現象，通過地下連續墻可有效隔斷液化土層。F出入口爬坡段基底處則存在大量的粉質黏土，該部分對結構施工的影響較大，因此，對出入口底板采取加厚、增加配筋的應對措施，以便最大程度降低液化造成的影響。

3.3 基坑監測

為保障周邊環境安全，反映基坑狀況，施工單位必須對運營中5號線車站結構豎向及水平位移、軌道橫縱向高差、鋼軌軌距、變形縫張開量、裂隙進行監測。

在運營地鐵5號線主體結構縱向軸線方向，在車站軌行區及結構側墻設置觀測點，每8m布置1個觀測點，橫斷面線以軌道中心線、結構側墻為準。監測應貫穿于外部作業的全過程，直至外部作業完成且監測數據趨于穩定后方可結束。在外部作業重要工序施工期間不宜低于1～2d監測1次，軌行區應采取自動化監測。

1號風道及F出入口對圍護墻頂豎向及水平位移、測斜、圍護墻鋼筋應力、支撐內力、地表沉降、地表裂縫、基坑內外地下水位、管線等項目進行監測。用水準儀定期觀測各點，并對比分析初始數據，從而繪出變形、沉降曲線圖；同時，根據業主提供的地面沉降允許值，將所測得沉降值與之進行比較，若較為接近，則立即加固地層，而且主體施工時要盡量做好防水工作，以免周圍地層因地下水流失而出現下沉。基坑開挖及結構施工中，監測頻率隨著開挖深度及底板澆筑后的時間進行隨時調整。開挖深度H≤5m，1次/2d；5m＜H≤10m，1次 /d；H＞10m，2 次 /d。底板澆筑后T≤7d，2 次 /d；7d＜T≤28d，1次 /d；28d＜T，1次 /3d。數據穩定后，1次 /月。

3.4 土方開挖及主體結構施工

1）以現場地質條件、自然環境為基本參考，合理控制縱橫向邊坡坡度，遵循分段、分區、對稱的基本開挖原則，避免超挖現象。機械挖土施工期間，應保證坑底預留土層厚度達到200～300mm，該部分由人員挖除并整平，以免機械設備擾動坑底。基坑開挖應分段完成，達到設計標高后需及時澆筑墊層混凝土，避免基坑變形。土方開挖前做好準備工作，委托專業檢測機構全面分析基坑支護結構的施工情況，保證其具有隔水封閉的效果。在確保基坑開挖處不存在滲漏現象的前提下方可組織大面積開挖作業，否則存在風險。

2）基坑開挖成型且滿足質量要求后，需在坑內修筑排水溝和集水井，以免發生坑底積水現象。土方開挖必須按照分層、對稱的方式有序操作，各工況達到設計標高后，需根據現場情況搭建支撐裝置，應最大限度縮短無支撐的暴露時間，不可超過8h。

3）土方開挖的順序和主體結構施工時，先對鄰近5號線車站沿行車方向進行寬21～24m的基坑開挖與底板（底板應伸過車站變形縫2～5m）施工，混凝土達到設計強度后，進行另一部分基坑開挖與底板施工。而且每部分施工時應注意從北往南（與軸垂直）退挖施工底板，直至側墻、中板完成施工，頂板達到設計強度后，管線復位、回填覆土、恢復交通。

4 結語

由于基坑開挖的擾動性較強，因此易導致鄰近地鐵車站的正常運營狀況受到影響。對此，施工單位可適當引入有限元三維模型分析基坑開挖對鄰近地鐵車站的具體影響，并提出相應的安全控制措施，以保障實際施工的安全。