基坑施工對鄰近既有軌道交通車站結構的影響評估

劉露超 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著我國城市規模和經濟建設的飛速發展，城市化進程逐步加快，城市人口急劇增加，城市交通供需矛盾日趨緊張，地面交通已無法適應日益增長的運量需求，城市軌道交通已成為城市緩解交通問題的首選方案。伴隨著城市軌道交通線路的增加以及沿線周邊各類建筑工程的開發、施工等影響城市軌道交通結構安全的外部作業大幅度攀升，近年來危及城市軌道交通運營安全的結構受損事件時有發生，城市軌道交通的安全性也受到了越來越多的關注。外部作業對城市軌道交通結構的影響也是設計、施工等各環節需重點考慮的問題。

關于基坑施工對既有軌道交通結構的影響也已經有了豐富的研究成果。丘建金等結合工程實際情況，運用三維數值分析方法對圍護樁施工前、后各工況進行詳細分析，并據此在樁基施工前采取一系列治理措施；張立明等基于臨近地鐵線路的某大型深基坑工程，對基坑設計和施工方案、施工期間地鐵結構監測數據進行分析；侯凱結合某大型深基坑工程的設計、施工及監測數據，通過有限元計算，分析基坑開挖施工力學特征，研究基坑施工對臨近地鐵車站的變形影響；袁運濤等對某實例工程作了詳細介紹，從設計及施工的角度論述在基坑開挖過程中所采用的各種方法，結構實測結果證實其有效性。

本文以合肥市某鄰近既有軌道交通車站結構的深基坑施工為例，通過有限元數值模擬分析的方法，模擬基坑施工全過程中車站結構的變形歷程，分析施工全過程對車站結構的安全影響。利用數值計算結果，結合理論分析，對工程實施提出工程建議，并給出變形控制指標。

圖1 基坑與車站平面位置關系圖

1 工程概況

1.1 基坑工程及軌道交通概況

本項目基坑面積約9500m，周長約400m（約110m×90m長×寬），基坑開挖深度0.85m～5.2m。臨近軌道交通車站側基坑開挖深度約4.2m，采用900@1200懸臂鉆孔灌注樁作為支護結構，樁長8.9m，嵌固深度6.0m；其余部位采用一級自然放坡作為支護結構，坡比為1:1.8～1:1.2，坡面采用掛網噴射80mm厚混凝土處理。本項目基坑無降水施工。

既有軌道交通車站為合肥軌道交通“T”形換乘站。車站4號線部分外包總長260.0m，標準段寬度22.7m，標準段底板埋深約為16.9m，為雙層三跨鋼筋混凝土箱型框架結構；車站7號線部分外包總長177.1m，標準段寬度23.1m，標準段底板埋深約為25.3m，為三層三跨鋼筋混凝土箱型框架結構。車站共設置4組風亭、6個出入口。

根據相關設計資料，本項目基坑位于既有車站4號線部分南側，本項目地下室側墻結構距離車站側墻結構最小水平間距約13.01m，基坑開挖長度約107.2m。

1.2 工程地質、水文地質簡況及地質參數

根據本項目巖土工程勘察報告，場地位于南淝河二級階地，地層從新到老為：雜填土①層：以粉質黏性土為主，含大量建筑垃圾、磚渣、生活垃圾等，層厚0.5m～10.7m；粉質黏土②層：可塑～硬塑，中壓縮性；黏土⑥層：硬塑～堅硬，中壓縮性，層厚7.1m～16.8m；黏土⑦層：可塑，中壓縮性，層厚0.60m～4.80 m。

擬建場地共觀測到兩層地下水，地下水類型為上層滯水（一）、基巖裂隙水（四），其中上層滯水（一）主要賦存于人工填土中，受大氣降水補給，水量微弱，基巖裂隙水（四）主要賦存于殘積土及全、強風化砂質泥巖中，具有承壓性，富水性為極貧乏～貧乏。地層物理力學特性指標詳見表1所示。

圖2 基坑與車站剖面位置關系圖

土層物理力學參數表 表1

1.3 現狀調查

根據現場調研，既有軌道交通車站結構基本完好，除局部存在滲水濕漬、磕碰破損及局部結構存在混凝土伸縮性裂縫外無明顯承載力裂縫。車站結構如圖3所示。

圖3 車站結構基本完好

2 數值模擬分析

2.1 計算假定

根據實際情況，有限元數值計算模型假定：

①地表面和各土層均呈勻質層狀分布；

②不考慮巖體的構造應力，自重應力是唯一的初始地應力；

③從簡化問題方面出發，在模擬計算時將忽略地下水的滲透作用，假設土體的變形不受時間因素的影響，也就是忽視土體的固結和蠕變。

2.2 模型概況

為了研究本項目施工對既有軌道交通結構的影響，采用數值計算軟件Midas GTS NX進行三維全過程施工模擬。為了消除邊界效應，建立整個地面以下三維模型計算范圍為X×Y×Z=230m×200m×50m（長×寬×高），模型除地表為自由表面外其他均為法向約束。采用“地層—結構”模型分析，將模型中的土體視為各向同性、連續的彈塑性體，采用實體單元模擬。圍護樁、車站結構等結構均采用各向同性彈性模型，其中車站結構采用板單元模擬，車站立柱、地下室立柱以及圍護樁采用梁單元模擬。樁土間的連接單元為剛性連接。根據實際情況和模型計算需要，模型參數見表2所示。

巖土與結構物理力學參數 表2

圖4 三維有限元網格

2.3 計算工況

為分析施工全過程對車站結構的安全影響，按實際基坑施工步驟模擬車站結構的變形歷程。第一步：模擬軌道交通結構施工，計算土體的初始的應力場，并將土體位移場和速度場清零，作為初始狀態；第二步：基坑圍護樁施工；第三步：開挖支護第一階段；第四步：開挖支護第二階段；第五步：地下室結構施工階段；第六步：地上結構施工階段。

2.4 結果分析

2.4.1 車站結構變形分析

①豎向位移

從不同施工階段車站結構豎向變形云圖可以看出：車站結構各部位最大豎向變形均發生在基坑開挖完成階段，其變形規律為靠近基坑的車站主體結構及附屬結構均出現上浮變形，距離基坑較遠的車站主體結構出現沉降變形，同時最大豎向變形位于靠近基坑側車站側墻中部，變形值為0.32mm。

②水平位移（Y向）

從不同施工階段下車站結構水平變形（Y向）云圖可以看出：車站結構各部位最大水平變形均發生在基坑開挖完成階段，其變形規律為水平變形均為朝向基坑方向，同時最大水平變形位于靠近基坑側車站側墻中部，變形值為0.24mm。

2.4.2 車站結構內力分析

通過計算分析，施工過程中車站結構受力最大斷面位于車站4號線部分小里程段中間區域，故截取上述受力最大區域橫斷面進行內力分析及配筋驗算。

根據不同施工階段下車站內力包絡值及車站結構配筋情況，經驗算：結構裂縫值均小于變形控制值。

2.4.3 小結

施工過程中，車站結構出現豎向位移和水平位移，其中豎向位移主要為隆起。車站結構最大隆起位移值為0.32mm，最大水平位移值0.24mm（朝向基坑方向）。

車站結構變形情況 表3

水平變形、水平位移中“+”表示朝向基坑方向、“-”表示遠離基坑方向。

通過三維空間有限元分析本項目的圍護樁施工、基坑開挖、地下室結構施工、回填、地上結構施工等對已建軌道交通車站結構的影響。根據計算結果，車站結構豎向位移和水平向位移均小于變形控制值，表明本項目施工對鄰近車站結構安全風險總體可控，通過合理、安全的施工技術和安全保護措施能夠確保對車站結構的安全保護。

3 結構安全控制指標與建議

3.1 結構安全控制指標

根據相關技術要求及本工程特點，并結合分析計算結果和工程類比經驗，同時考慮到現有常規測量儀器的監測精度，并為后期其他工程預留一定的安全儲備，綜合考慮確定本項目施工引起的車站結構安全控制指標，如表4所示。

結構安全控制指標 表4

3.2 建議及要求

①圍護樁施工時，應采取有效措施防止塌孔危害軌道交通結構的安全，雜填土等較差土層范圍建議采用鋼護筒。嚴禁采用沖擊鉆施工，并采用其他有效措施減小圍護樁施工對土體的擾動。圍護樁施工建議采用“跳打”“對稱打設”的原則進行施工。

圖5 基坑開挖完成階段車站結構豎向變形云圖

圖6 基坑開挖完成階段車站結構水平變形云圖

圖7 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面彎矩云圖

圖8 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面剪力云圖

圖9 基坑開挖完成階段車站受力最大斷面軸力云圖

②開挖過程中應采用分段分層開挖施工，并優先開挖遠離軌道交通側基坑，每段開挖長度為10m～20m，每層開挖深度不超過2.0m，開挖后每層作業面暴露時間不得超過24h。

③施工時，應對車站進行嚴格的動態變形監測，在車站結構內及周圍土體布置測點，主要的監測項目包括地面隆起（沉降）量、車站結構的變形量（包括豎向位移量、水平位移量）等，出現變形量或變形速率較大時，加密監測和加強分析。

④本項目基坑圍護結構與其地下室結構側墻之間的空隙，建議采用素混凝土回填密實，不得采用雜填土、建筑垃圾等性質較差或不穩定的材料。