地鐵車站基坑施工對周邊環境的影響研究

摘要：地鐵車站大多數均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會對周邊構造物造成不同程度的影響。以合肥市某地鐵車站為研究對象，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環境穩定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對周邊構造物位移的影響。研究結果表明，選定合適的鋼支撐位置，及在較為經濟條件下確定支撐樁插入深度，對于保持深基坑及周邊土體穩定性影響重大。在開挖過程中，隨著開挖深度的加深，地下連續墻同一點的水平位移逐漸增大。地下連續墻樁體水平位移隨著埋深增大，呈現先增大后減小的變化趨勢。隨著開挖深度的加深，地表同一點的沉降值逐漸增大。地表沉降值隨著距離基坑邊緣的增大，呈現先上升后降低的變化趨勢。隨著開挖深度的加深，建筑物的沉降值逐漸增大，但均保持在安全范圍內。

關鍵詞：地鐵車站;深基坑;數值模擬;水平位移;沉降

0" "引言

隨著城市化不斷加快，人口的不斷增多，城市的交通擁堵程度不斷加劇。為了緩解城市的交通壓力，國內大中城市地鐵陸續修建了多條地鐵。地鐵車站的建設是地鐵建設過程中的難題之一。地鐵車站大多數均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會對周邊構造物造成不同程度的影響。

開展地鐵車站深基坑的對周邊構造物研究相當重要。國內外已經有大量的學者做了相關研究。張亞奎等[1]通過構建FLAC3D模型對深基坑開挖過程進行模擬研究，分別闡述了深基坑開挖過程中基坑周圍地面位移、周邊建筑物的沉降變化規律。胡安峰等[2]以深圳地鐵一號線為研究對象，分析研究了基坑開挖過程中周邊地面沉降和建筑物傾斜的原因，并針對該問題提出了相應的解決辦法。朱瑞鈞等[3]通過構建深基坑周邊建筑物計算模型，分析總結計算值與實際值偏差的原因，進而提出了影響沉降的主要因素。馬威等[4]通過構建ABAQUS深基坑模型，對比分析影響基坑開挖的因素，研究得出深基坑周圍不同位置建筑物沉降的變化規律。艾鴻濤等[5]以上海地鐵七號線為研究對象，構建深基坑開挖模型，分析總結了周圍地面位移、周邊建筑物的沉降以及鄰近鐵路軌道的沉降規律。王遠征等[6]以武漢地鐵二號線為研究對象，通過對地鐵車站深基坑施工階段的劃分，提出了控制周邊建筑物沉降的施工措施。

基于以上學者的研究可知，深基坑的開挖對周邊構造物造成不同程度的影響，本文將在以上研究的基礎上，以合肥市某地鐵車站為研究載體，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環境穩定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對周邊構造物位移的影響。

1" "工程概況

本研究以合肥市某地鐵車站為研究載體。該車站處于道路交叉口地面以下，為雙層島式車站。基坑尺寸為長202.45m，寬21.3m，最深埋深19.6m，最淺埋深17.3m。基坑支護采用內支撐，基坑頂部采用一道鋼筋混凝土支撐，基坑下部全部為鋼支撐，基地布置長為23.5m等間距的鉆孔灌注樁。

基坑周邊環境較為復雜，臨近基坑西部包括：一棟地面17層、地下1層的建筑物，基礎為鋼筋混凝土端承型樁基。一棟地面4層、地下1層的精密儀器實驗室，基礎為鋼筋混凝土條形基礎。4棟6層商業住宅小區，基礎為鋼筋混凝土獨立基礎。臨近基坑西南側有1棟4層的醫院，基礎為筏板基礎。

2" "有限元模型的建立

根據原始工程概況，本研究擬采用MADAS/GTS建立基坑開挖有限元模型分析研究地鐵車站基坑開挖過程。構建的模型尺寸為長330m，寬240m，深58m，其中基坑部分長為210m，寬為21.3m，深度為18.1m。模型圖和基坑開挖圖如圖1所示。各土層的物理性質參數表1所示。構建的基坑模型土層分布從上向下依次為表1中的Ⅰ～Ⅵ。

基坑開挖模擬采用分步開挖，通過設置使各支撐單元參與工作，布置開挖過程中的各工況如表2所示。

3" "數值計算結果分析

深基坑的開挖易引起土壓力變化，導致附近土體的土壓力驟增，從而引起坑內支撐結構位移，進而導致周圍土體出現下沉或隆起。周圍土體出現下沉或隆起，會造成周邊建筑物地基產生不均勻沉降，導致周圍建筑物出現開裂、變形等嚴重質量災害，對周邊人的生命財產安全產生很大威脅。本文以坑內支撐結構、周邊土體和周邊建筑物的沉降和水平位移，來分析深基坑開挖過程對周邊建筑物的危害。

3.1" "基坑穩定性影響分析

3.1.1" "鋼支撐對基坑穩定性的影響

通過改變第一、二道鋼支撐的位置，分析基坑位移的變化。設計了以下3種實際工況進行研究，工況設計內容如表3所示，向上移動為+，向下移動為-。

對3種工況與設計工況進行模擬分析研究，結果如圖2所示。對于工況一，由于兩道支撐同時上移2m，從而引起上部支撐加強，下部支撐減弱。由模擬結果可知：上部樁體位移減小趨勢明顯，下部樁體位移明顯增大，與實際工況對比，樁體位移的最大值有所增大，最大值所處的位置有所下移。

對于工況二，由于兩道支撐同時下移2m，從而引起上部支撐減弱，下部支撐加強。由模擬結果可知：上部樁體位移增大趨勢明顯，下部樁體位移明顯減小，與實際工況對比，樁體位移的最大值略有增大，最大值所處的位置有所上移。

對于工況三，由于第一道鋼支撐上移2m，第二道鋼支撐下降2m，從而引起上下部支撐加強，中間部分缺少支撐。由模擬結果可知：上下部分樁體位移均增大，與實際工況對比，樁體位移的最大值增大明顯，最大值所處的位置有所上移。該種工況對深基坑穩定性最為不利。

由以上3種工況的對比分析研究可知，鋼支撐處于基坑中不同位置時，基坑穩定性呈現不同的狀態，設計工況的鋼支撐布置相較于其他3種工況對基坑穩定性是最為有利的。

3.1.2" "支護結構對基坑穩定性的影響

支護結構對基坑穩定性影響的一個主要因素，就是支護樁的入土深度。本文通過改變地下連續墻的入土深度建立模型，來研究支護結構對基坑穩定性的影響。構建以下3種工況進行分析，如表4所示。

對3種工況與設計工況進行模擬分析研究，結果如圖3所示。對于不同的入土深度，樁體的水平位移隨著樁體入土深度的增大而減小。對比工況一和設計工況，入土深度由22m增加到24m，樁體的水平位移呈現較大幅度的減小，對土體穩定性的效果明顯增強。分析對比設計工況和工況二，入土深度由24m增加到26m，樁體的水平位移呈現較緩的減小，對增強土體穩定性的效果減弱。

分析對比工況二和工況三，入土深度由26m增加到28m，對增強土體穩定性的效果更低，說明了入土深度在24m以下，入土深度的增加對周圍土體穩定性的作用明顯，經濟性較好。入土深度由24m繼續增加，對改變周圍土體穩定性的作用不是特別明顯，經濟效益較低。綜合考慮提高土體穩定性和經濟效益，將合理的連續墻入土深度定為24m，即設計工況的入土深度。

3.2" "開挖過程計算結果分析

由以上對比分析研究的結果，鋼支撐的位置和支護樁均采用設計工況，對增加基坑穩定性具有較好的效果。分別在開挖過程中，對地下連續墻位移、周邊地表沉降、基地隆起以及周邊建筑物的沉降進行分析。開挖1、開挖2、開挖3分別為基坑開挖至7m、12.5m、18m。

3.2.1" "地下連續墻位移分析

模擬基坑開挖過程，在開挖過程中選取ZQT7觀測點的水平位移值進行分析，得到樁體不同深度水平位移如圖4所示。

對于開挖1，圍護樁的水平位移，隨著樁體深度的加深呈現拋物線的變化形態，在樁體深度為5.5m左右出現最大值，水平位移為5.2mm。由該深度向兩端水平位移值逐漸減小，深度0點的水平位移值最小，位移值為1.2mm。

對于開挖2，曲線形狀與開挖1相似，但樁體位移值有較大幅度增大，圍護樁的水平位移最大值出現在深度為11.5m位置處，最大值為16.2mm，由該深度向兩端水平位移值減小的趨勢較為明顯。這表明鋼支撐起到的作用較大，對圍護樁的水平位移起到了較好的抑制作用。在樁頂位置，圍護樁的水平位移較開挖1更小。在樁底位置處，圍護樁的水平位移圍為5.1mm，比開挖1大3.7mm。

對于開挖3，曲線形狀與開挖2相似，但樁體位移值有較大幅度增大，圍護樁的水平位移最大值出現在深度為14.9m位置處，最大值為25.3mm。在樁頂位置，圍護樁的水平位移較開挖1變化不大。在樁底位置處，圍護樁的水平位移為10.8mm，比開挖1大5.7mm。開挖過程中，樁體的水平位移值均保持安全狀態。

3.2.2" "周邊地表沉降位移分析

模擬基坑開挖過程，在開挖過程中選取ZQT7觀測點的豎向位移值進行分析，得到該點的沉降位移變化如圖5所示。

對于開挖1，地表沉降值隨著與基坑觀測邊距離的增大呈現先增大在減小的變化趨勢，在距離基坑觀測邊為11.6m處出現最大值，沉降位移為9.6mm。由該深度向兩端沉降位移值逐漸減小，在基坑邊緣位置處最小，沉降位移值為0.5mm。

對于開挖2，曲線形狀與開挖1相似，但地表沉降位移值有較大幅度增大，地表沉降最大值出現在距離基坑觀測邊為12.1m處，最大值為14.6mm。由該深度向兩端水平位移值減小的趨勢較為明顯。在基坑邊緣位置處，地表沉降值與開挖1相同。

對于開挖3，曲線形狀與開挖2相似，但地表沉降位移值仍有較大幅度增大，地表沉降最大值出現在距離基坑觀測邊為12.9m處，最大值為20.8mm。開挖過程的地表的沉降位移均處于安全狀態。

分析認為，地表沉降值出現先增大在減小的變化趨勢，原因在于，基坑開挖引起周圍土體應力場大小，由近到遠呈現逐漸減小的趨勢。但靠近連續墻樁體位置的土體與樁體有一定摩擦，從而限制了土體沉降，進而引起地表沉降值呈現先增大在減小的變化趨勢。

3.2.3" "周邊建筑物沉降位移分析

通過對監測點12、13、20、21在開挖1、2、3階段的沉降量進行監測，得到如圖6所示的位移變形曲線。由圖6可知，各監測點監測的沉降位移值，均隨著開挖深度的增大而增大，均在開挖階段3達到最大值。監測點12的沉降值始終保持最大，該監測點的沉降值極值為10.4mm。監測點13次之，監測點21、20均保持較低的水平。相關規范規定，基坑開挖對建筑物沉降影響的預警值為20mm，該基坑開挖均保持在預警值之下，因而該基坑開挖對建筑物沉降的影響保持在安全范圍之內。

4" "結論

地鐵車站大多數均位于地下，埋深一般較深，深基坑開挖過程中，不可避免地會對周邊構造物造成不同程度的影響。本文以合肥市某地鐵車站為研究對象，建立了MADAS/GTS有限元模型，比較分析地鐵車站深基坑周邊環境穩定性的影響因素，并分別分析基坑開挖過程中對周邊構造物位移的影響。從文中可得到以下結論：

鋼支撐的支撐位置和地下連續墻插入土體深度，是基坑及基坑周圍土體保持穩定的重要因素。選定合適的鋼支撐位置以及較為經濟的條件下確定支撐樁插入深度，對于保持深基坑及周邊土體穩定性影響重大。

開挖過程中，隨著開挖深度的加深，地下連續墻同一點的水平位移逐漸增大，地下連續墻樁體水平位移隨著埋深的增大呈現先增大后減小的變化趨勢。隨著開挖深度的加深，地表同一點的沉降值逐漸增大，地表沉降值隨著距離基坑邊緣的增大呈現先上升后降低的變化趨勢。隨著開挖深度的加深，建筑物的沉降隨值逐漸增大，但均保持在安全范圍內。

參考文獻

[1] 張亞奎. 深基坑開挖對近鄰建筑物變形影響的研究[D].北京：北京工業大學，2003.

[2] 胡安峰，張光建，王金昌，等.地鐵換乘車站基坑圍護結構變形監測與數值模擬[J].巖土工程學報，2012，34（S1）：77-81.

[3] 朱瑞鈞，高謙，齊干.深基坑支護樁周邊建筑物沉降分析

[J].重慶建筑大學學報，2006（2）：52-55.

[4] 馬威. 深基坑開挖對地層及鄰近建筑影響的數值分析[D].武漢：華中科技大學，2007.

[5] 艾鴻濤. 臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析[D].上海：同濟大學，2008.

[6] 王遠征. 某基坑施工全過程鄰近建筑物沉降控制研究[D].武漢：華中科技大學，2012.