深基坑開挖對既有地鐵車站結構的影響研究

劉 勇

（中鐵上海設計院集團有限公司 天津分院，天津 300073）

隨著城市建設規模不斷擴大，人們越來越來重視建筑結構的安全性；深基坑開挖對周圍建筑結構會產生一定的影響[1]。既有地鐵車站周邊存在待建深基坑工程的情況較為常見，而基坑開挖可能會擾動周邊圍巖,改變地鐵車站及區間結構受力狀態,引起地鐵結構變形[2]，嚴重者甚至造成一定的損壞。本文根據天津某地鐵周邊深基坑工程情況，運用有限元軟件Midas GTS NX模擬其開挖工況，對既有地鐵結構的變形進行分析，從而為既有地鐵結構的保護提供依據。

1 工程概況

某項目鄰近地鐵車站出入口，地下二層，基坑深度約為9.05 m，框架結構，灌注樁基礎，地下室側墻距離地鐵出入口最小水平凈距約16.4 m。基坑支護采用1道鋼筋混凝土桁架撐+鉆孔灌注樁+止水帷幕形式；鄰近地鐵一側止水帷幕采用CSM或TRD水泥土地下連續墻，墻深23.0 m、厚700 mm，其余區段止水帷幕采用三軸水泥攪拌樁。見圖1。

圖1 待建深基坑工程與地鐵出入口位置關系

2 本構模型選取

本構模型的選取直接影響計算結果的可靠性。各數值分析軟件中，均包含多種本構模型，地下結構一般為混凝土或鋼材料，采用各向同性彈性模型；土體則有摩爾-庫倫模型、Drucker-Prager模型、D-P塑性和蠕變的耦合模型以及修正劍橋模型、修正摩爾-庫倫模型等，不同模型具有不同適用性。修正的摩爾-庫倫模型能有效地對基坑工程進行數值模擬，其數值結果耦合性較好，能給出較為合理的圍護支擋結構變形、土體變形、周邊環境變形情況，可以滿足工程實例三維有限元數值模擬要求[3]。因此，本次計算土體選取修正摩爾-庫倫本構模型[4]，結構采用線彈性本構模型，模擬基坑開挖對周邊地鐵結構的影響。

3 數值計算

3.1 計算模型

采用Midas GTS NX巖土有限元軟件建立整體三維元模型進行計算分析。為消除模型邊界效應，基坑以外四面取4倍的開挖深度，X軸方向取390 m，Y軸方向取280 m，Z軸方向取45 m。模型計算采用混合四面體單元，共劃分單元322 172個，節點60 111個。見圖2和圖3。

圖2 整體模型

圖3 結構模型

3.2 計算假設

1）認為各土層均呈勻質水平層狀分布且同一土層為各向同性，結構體的變形、受力均在彈性范圍內。

2）將基坑支護結構的圍護樁通過抗彎剛度折減，等效成連續的板單元。

3）樁基與土層之間為摩擦接觸。

4）采用施工步來模擬整個施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時間效應。

3.3 模型邊界條件

模型頂面為自由面，無約束；底面約束豎向位移[5]；四個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。

3.4 計算參數

為了更好地反映基坑開挖施工過程對地鐵結構的影響，計算中土體采用小應變硬化的本構模型。土體相關參數來自工程地質勘查報告和工程經驗。見表1。

表1 土體及結構力學參數

地鐵結構、樁基等的力學參數見表2。

表2 模型結構體計算參數

3.5 分析步設置

為方便計算，在不影響計算結果的前提下，對相關工序進行合并計算，本次計算共分6個步驟。

第一步，形成初始應力場，施作既有地鐵結構，位移清零。

第二步，施工地下室樁基及圍護結構。

第三步，地下室基坑第一步土體開挖并架設第一道支撐。

第四步，地下室基坑開挖至坑底。

第五步，施工地下室結構。

第六步，拆除地下室基坑第一道支撐并回填覆土。

4 計算結果

既有地鐵出入口結構整體以沉降為主并向基坑內移動，水平及豎向位移均在距離深基坑最近處數值最大，分別為3.01、3.93 mm；隨著與距離基坑加大，豎向及水平位移減小。見圖4和圖5。

圖4 地下室施工完成后地鐵出入口結構位移

圖5 地塊地下室施工過程中地鐵出入口最大位移

5 結論與建議

1）深基坑施工期間對既有建筑物的變形影響總體可控，但應重點關注與在建深基坑相鄰處。在設計方案中，地塊基坑支護設計應充分考慮地鐵保護加強措施，在保證支護剛度足夠、分步開挖距離合理的情況下，對控制支護結構水平變形和周邊地表沉降是十分有利。

2）深基坑開挖過程中，基坑底部及邊緣土體向隆起趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵結構產生一定的沉降和水平位移；特別是在拆除基坑支撐時，出入口沉降值明顯增大，應重點關注拆撐工況，必要時對基坑加設支撐以保證安全。