基坑復合變形模式下對鄰近不同位置既有地鐵車站的影響研究

摘要：以深基坑鄰近既有地鐵車站為工程依托，利用有限元軟件建立了考慮土體小應變的數值模型，通過將現場實測結果與數值模擬結果對比分析，從而對數值模型進行了驗證，并詳細的描述了既有地鐵車站的變形和內力響應規律。基于驗證的數值模型，針對坑外不同位置處既有地鐵車站的變形和彎矩進行了參數分析。研究表明：在基坑開挖過程中，由于橫撐的控制效果，圍護結構的變形較小，并呈現出復合型變形模式;受基坑開挖的影響，既有車站在靠近基坑側墻上部發生最大水平變形量為1.73mm，在頂板處發生最大的沉降變形量為-0.657mm;既有車站位于圍護結構水平變形最大位置附近時，既有車站受基坑的開挖影響較大，且既有車站變形較大處往往彎矩的增幅也較大。在實際施工過程中，應對車站變形較大處進行重點監測。

關鍵詞：基坑施工;數值模擬;既有車站變形與內力;圍護結構復合變形

0" "引言

全面加強基礎設施建設，對暢通國內大循環，促進國內國際雙循環，擴大內需，推動高質量發展，均具有重大意義。其中，地下空間的開發和利用已成為基礎設施建設的重中之重。城市地下空間的大規模開發，必然會出現鄰近既有地鐵車站的深基坑工程。既有地鐵車站對變形要求較為嚴格，在保證既有地鐵安全運營的前提下進行深基坑的正常施工，是目前工程界亟待解決的難題。

現階段，針對深基坑施工對既有地鐵車站、隧道的影響，學者們仍多以現場實測和數值模擬方法進行研究。王立新等[1]以西安某新建基坑為工程依托，利用現場實測和數值模擬方法，對既有地鐵車站的變形特性進行了深入的分析。鄭剛等[2-4]采用數值方法，研究了圍護結構不同變形模式下，坑外不同位置處隧道的變形響應，并對相應影響區進行了劃分。基于西安地鐵5號線車站基坑鄰近區間隧道和車站施工，王立新等[5]采用數值模擬方法，對不同凈距狀態下，基坑開挖引起的既有車站、隧道的響應進行了研究。章潤紅等[6]采用HSS模型通過數值計算，研究了基坑開挖過程中，鄰近隧道的埋深、隧道和基坑之間的凈距以及剛度比等關鍵因素對地鐵結構內力和變形的影響。江智鵬[7]以蘇州軌道交通1號線星海街站為工程依托，利用數值方法，分析了地鐵車站兩側基坑的對稱開挖和非對稱開挖方式對既有地鐵車站變形的影響。建議當具備對稱開挖基坑條件時，應采取兩側基坑同時開挖的方法減少對既有地鐵車站的影響。

由于地鐵車站的剛度和規模遠大于隧道，導致地鐵車站受基坑開挖影響的程度遠小于隧道。學者們針對基坑開挖對既有隧道的響應進行了大量研究，但在一定程度上忽視了基坑開挖對既有地鐵車站的影響。現階段，絕大多數基坑圍護結構的變形模式為復合型。鑒于此，為得到基坑圍護結構復合變形模式下對鄰近不同位置既有地鐵車站的影響，本文以北京某深基坑工程為依托，利用Plaxis 2D建立了深基坑與既有地鐵車站的二維數值模型，并利用實測數據對數值模型進行了驗證。進一步通過數值模型研究在深基坑施工過程中，坑外不同位置處既有地鐵車站變形和內力的響應。

1" "基坑圍護結構變形模式

現有的研究成果表明[8-9]，受內支撐（橫撐或錨索）布置方式、剛度以及施工方法等因素的影響，基坑的變形模式可歸納為4種，分別為懸臂型、踢腳型、內凸型和復合型。現分別對不同變形模式的特點進行闡述：

1.1" "懸臂型

當基坑開挖時未設置支撐，或開挖較淺還未及時設置支撐時，圍護結構的變形表現為懸臂型，如圖1a所示。

1.2" "踢腳型

當圍護結構坑底以下位于軟土地區，且勘入深度不足時，圍護結構的底部產生較大的水平變形，此時表現為踢腳型，如圖1b所示。

1.3" "內凸型

當圍護結構開挖初期頂部設置了剛度較大的水平支撐，隨著基坑開挖的進行，圍護結構頂部未發生明顯變形，而在圍護結構中部發生明顯的水平變形，此時表現為內凸型，如圖1c所示。

1.4" "復合型

當圍護結構頂部的水平支撐剛度較小時，隨著基坑的開挖，圍護結構頂部同樣產生水平變形，但該水平變形小于圍護結構中部的水平變形，此時表現為復合型，如圖1d所示。

隨著基坑深度的逐漸增加，在施工過程中必須要輔以水平支撐來保證圍護結構的穩定性。鄭剛等指出，當圍護結構發生踢腳型變形時，對坑外既有結構豎向變形的影響更為劇烈，影響程度更大。另外，圍護結構發生踢腳型變形極易導致整體失穩。因此現階段，深基坑的變形模式仍是以內凸型和復合型為主。

2" "工程概況

北京市某新建地鐵車站緊鄰既有地鐵車站，新建車站為地下三層雙柱三跨島式站臺車站。新建車站主體結構長183.20m，標準段寬22.9m。新建車站共設置2個出入口、3個風道及3個換乘通道。新建車站主體結構采用明挖法進行施工，基坑標準段深約為25.20m。圍護結構采用直徑為1.0m鉆孔灌注樁，并設置四道內撐。其中，第1道支撐為混凝土支撐，后3道支撐為鋼支撐。鉆孔灌注樁樁間采用掛鋼筋網（Φ6.5@150mm×150mm）、噴射100mm厚的混凝土。

在新建車站北側存在一既有地鐵車站，該地鐵車站與新建車站擬通過換乘通道進行換乘。既有車站為一雙層雙跨島式地下車站，其頂部埋深3.90m。該既有車站與新建車站平行，與新建車站圍護結構之間的凈距大約為14.4m，如圖2所示。

工程場地下的土層主要以黏質粉土和粉質黏土為主，且土層分布較為均勻。工程場地范圍內的土層由上至下，分別為雜填土、砂質粉土、黏質粉土、粉質黏土、黏質粉土、粉質黏土。根據地勘報告可知，在地表以下18.45～19.7m存在一層潛水，在施工過程中采用降水進行地下水的處理。因此在本工程施工中不考慮地下水的影響。

3" "有限元模型建立及參數選取

本文利用采用Plaxis 2D有限元軟件，建立了新建基坑與既有地鐵車站的二維模型。為了消除邊界效應，最終確定模型的長200m，寬60m，如圖3所示。在數值模型中，土體采用實體單元進行模擬。基坑圍護結構，既有車站頂板、中板、底板、側墻和中柱采用板單元進行模擬，其中將中柱根據抗彎剛度等效的原則折算為板。混凝土支撐和鋼支撐采用點對點錨桿進行模擬。模型底部設置為固定邊界，模型兩側設置為法向固定邊界，模型頂部設置為自由邊界。

對基坑開挖數值分析的本構模型的選擇，有較多學者進行了深入研究[10-13]，均認為基坑開挖條件下的土體本構模型，應考慮土體變形特性的應力路徑相關性和壓硬性，并明確指出，采用土體硬化模型（Hardening Soil Model）和小應變模型（HS-small）進行基坑開挖的數值模擬較為合適。鑒于此，在模型中土體采用小應變模型，且模型中的土體輸入參數可通過地勘報告以及經驗[14-16]確定，如表1所示。模型中支護結構和既有車站的參數如表2所示。

4" "模型驗證與既有車站響應

4.1" "模型驗證

在實際施工過程中，采用測斜管對樁身變形進行了實時監測，并選取3根樁的實測結果與數值結果進行對比，如圖4所示。從圖4可以看出，數值結果和實測結果的變形模式均為復合型。不同圍護樁的變形實測結果存在一定的差異。圍護結構最大水平變形的數值結果為9.6mm。Z1號樁的實測結果最大，達到了12mm，而Z3號樁的實測結果最小，僅為7mm。

總體來看，圍護樁的數值結果介于實測結果之間，且與實測結果擬合度較高。另外，還對坑外地表沉降的數值結果和實測結果進行了對比分析，如圖5所示。坑外地表沉降的實測值為5.2mm，而數值結果為3.4mm，實測結果稍大于數值結果。地表沉降的實測結果和數值結果的變形趨勢較為一致，沉降最大值均出現在距離圍護樁8m附近。

4.2" "既有車站響應

4.2.1" "變形

圖6為在施工前、后既有地鐵車站的變形對比。由圖6可以看出，既有車站發生朝向基坑的水平變形，最大值為1.73mm，變形最大位置發生在靠近基坑的側墻上部。在豎向變形方面，既有地鐵車站在靠近基坑一側發生沉降變形。隨著與基坑距離的增加，車站的沉降值逐漸變小，并轉變為隆起。其中，車站的沉降最大位置發生在頂板處，為-0.657mm;隆起的最大位置發生在底板處，為0.244mm。

由于既有地鐵車站與基坑的凈距為14.4m，相對較遠，因此既有地鐵車站的變形相對較小。以北京市地鐵軌道的控制指標（隆起2mm，沉降3mm，水平變形2mm）來看，既有地鐵車站的變形滿足要求。

4.2.2" "內力

受基坑開挖的影響，既有地鐵車站在發生變形的同時，內力也發生相應的改變。圖7為基坑施工完成前、后，既有地鐵車站的彎矩和剪力的對比。其中，施工前后各關鍵部位的彎矩和剪力已在圖7中標明。由圖7可以明顯看出，既有車站不同位置處的彎矩和剪力的變化程度較小，說明基坑開挖對既有車站結構的影響較小，可忽略不計。結合對既有車站變形的分析可知，基坑施工對既有車站結構的影響有限，只需要重點關注道床的變形滿足要求即可。

5" "復合型變形對坑外不同位置地鐵車站位置影響

5.1" "計算模型與工況

以本文的依托工程為基礎（見圖2）進行后續的參數分析，仍采用二維平面應變模型。同時，為了簡化計算，不考慮多層土對計算結果的影響，僅采用第四層的粉質黏土進行計算。其余計算參數仍按前文進行選取，在此不再贅述。

鄭剛等通過對坑外不同位置隧道的變形響應分析，指出坑外的不同位置，對既有隧道的變形存在顯著差異。為了分析基坑外不同位置處既有地鐵車站，在圍護樁同一變形下的變形和內力響應，本文對距離坑外不同位置處的地鐵車站工況進行了模擬。

利用既有地鐵車站與圍護結構的凈距與基坑開挖深度的比值（Lt/H，Lt為圍護結構與地鐵車站的凈距，H為基坑的開挖深度），和地鐵車站的中板埋深與基坑開挖深度的比值（Ht/H，Ht為既有車站中板的埋深）的歸一化參數，來表征地鐵車站的不同位置。參數Lt、Ht和H已在圖2中給出，共設置12個工況，如表3所示。

5.2" "計算結果

5.2.1" "變形

圖8為地鐵車站處于坑外不同位置時的變形示意圖。各個工況下既有地鐵車站最大水平變形，最大沉降變形和最大隆起變形已在圖8中標注。值得說明的是，未標明隆起變形的工況，則表示既有車站僅發生沉降變形。

由圖8可以明顯看出，隨著既有地鐵車站與圍護結構的凈距增加，既有車站的變形呈現逐漸減小的趨勢。在既有地鐵車站與圍護結構的凈距一定情況下，當既有地鐵車站位于圍護樁水平變形最大位置附近時，既有地鐵車站受基坑的開挖影響越大，對此應引起注意。不同位置處的地鐵車站的變形均以水平變形為主，沉降變形次之，隆起變形最小，且隆起變形僅在Ht/H=1、Lt/H=0.25和Ht/H=1.5、Lt/H=0.25兩個工況下較大，在其余工況下均較小。據此可認為，基坑復合變形下對坑外既有地鐵車站的影響主要是水平變形和沉降。

由于既有地鐵車站所處位置的差異性，最大水平變形發生的位置也存在一定的區別。當Ht/H=0.5時，由于圍護結構的最大變形發生在既有車站底板以下，既有車站發生斜向下的變形。在Lt/H=0.25和Lt/H=0.5情況下，既有車站的水平變形最大值發生在側墻下部。然而，在Lt/H=0. 5和Lt/H=0.75情況下，既有地鐵車站的水平變形最大值轉移到側墻上部。當Ht/H=1和1.5時，不同工況下的圍護結構的水平變形最大值均發生在側墻上部。對于既有地鐵車站最大沉降位置來說，除工況Lt/H=0.25和Lt/H=0.5外，其余工況均發生在車站頂板處。

圖9為不同埋深下既有車站最大水平變形和最大沉降變形隨歸一化凈距（Lt/H）的關系。由圖9可以看出，隨著歸一化凈距的增加，既有地鐵車站的最大水平變形呈現出非線性減小并收斂的趨勢。最大沉降在工況Ht/H=0.5和1.0時呈現出先增大后減小的趨勢。這是因為當既有地鐵車站距離圍護結構較近時（Lt/H=0.25），由于既有車站的剛度較大，抑制了中夾土的沉降變形。當既有車站與圍護結構的凈距Lt為0.5H時，既有車站對中夾土的抑制效果逐漸減弱，中夾土的沉降在逐漸增加，因此既有車站的沉降變形有增大趨勢。但隨著既有車站與圍護結構的凈距逐漸變遠，地鐵車站逐漸遠離基坑開挖的影響區，地鐵車站受到的擾動在逐漸減弱，因此車站最大沉降出現了先增大后減小的趨勢。

5.2.2" "彎矩

受基坑開挖的影響，既有地鐵車站發生變形的同時還伴隨著內力的改變。其中，彎矩易導致混凝土開裂和剝落等現象，因此受到了研究和設計人員的重點關注。坑外不同位置處既有地鐵車站的彎矩如圖10所示。圖10標出了關鍵位置處的彎矩值。需要說明的是，括號外數值代表基坑開挖施工后的彎矩值，而括號內數值代表基坑開挖施工前的彎矩值。

由圖10可知，當既有地鐵車站處于坑外不同位置時，中板與中柱的彎矩值較小，而頂板、底板以及側墻的彎矩值較大，說明中板與中柱受基坑開挖的影響較小，而頂板、底板以及側墻受基坑開挖的影響較大。結合圖8的車站變形可知，在車站整體變形最大位置附近的彎矩增加幅度也最大。因此，在實際施工過程中，應對車站變形較大處進行重點監測，防止因結構超過極限承載力而出現混凝土開裂、剝落等現象。

6" "結論

本文以北京某基坑鄰近既有地鐵車站為工程依托，利用有限元軟件Plaxis 2D建立了數值模型，通過現場實測數據對所建立的模型進行了驗證，并對既有地鐵車站的變形和內力進行了分析。基于圍護結構的復合變形模式，進一步對坑外不同位置的地鐵車站受基坑開挖的影響進行了參數分析。通過以上分析研究，取得的結論如下：

在依托工程中，不同圍護樁實測結果的最大變形分別為12mm和7mm，而數值結果為9.6mm。圍護結構的水平變形介于實測結果之間，且與實測結果的擬合度較高，證明了采用小應變模型可以較為準確的模擬基坑開挖。

通過數值方法對依托工程的研究發現，既有地鐵車站的變形相對較小。既有車站在靠近基坑的側墻上部發生的最大水平變形量為1.73mm。在靠近側墻的頂板處發生最大沉降變形量為-0.657mm。另外，通過對施工前后內力的對比，發現既有地鐵車站各關鍵部位的彎矩和剪力變化程度較小，說明了基坑開挖對既有車站的的影響較小。

通過對坑外不同位置地鐵車站的參數分析，證明了既有地鐵車站的變形和圍護樁的變形息息相關。當既有地鐵車站位于圍護樁水平變形最大位置附近時，既有地鐵車站受基坑的開挖影響越大，應值得引起注意。

在既有車站變形較大處往往彎矩的增幅也較大，因此在實際施工過程中，應對車站變形較大處進行重點監測，防止因結構超過極限承載力而出現混凝土開裂、剝落等現象。

參考文獻

[1] 王立新，王強，李炳龍，等.基坑卸載對臨近地鐵車站影響的數值模擬研究[J/OL].西安理工大學學報， 2022.

[2] 鄭剛，王琦，鄧旭，杜一鳴.不同圍護結構變形模式對坑外既有隧道變形影響的對比分析[J].巖土工程學報，2015，37（7）：1181-1194.

[3] 鄭剛，杜一鳴，刁鈺，鄧旭，等.基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究[J].巖土工程學報，2016，38（4）：599-612.

[4] 鄭剛，鄧旭，劉暢，等.不同圍護結構變形模式對坑外深層土體位移場影響的對比分析[J].巖土工程學報，2014，36（2）：273-285.

[5] 王立新， 李儲軍， 汪珂， 等.黃土地區基坑近接施工變形控制標準數值模擬研究[J].鐵道標準設計，2020， 64（4）： 123-129.

[6] 章潤紅，劉漢龍，仉文崗.深基坑支護開挖對臨近地鐵隧道結構的影響分析研究[J].防災減災工程學報， 2018， 38（5）： 857-866.

[7] 江智鵬. 基坑開挖方式對軌道交通結構變形影響分析[J].鐵道工程學報， 2019， 36（6）： 86-90.

[8] 龔曉南，高有潮.深基坑工程施工設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社， 1998.

[9] 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊（2版）[M].北京：中國建筑工業出版社， 2009.

[10] 宋廣，宋二祥.基坑開挖數值模擬中土體本構模型的選取[J].工程力學，2014，31（5）：86-94.

[11] 徐中華，王衛東.敏感環境下基坑數值分析中土體本構模型的選擇[J].巖土力學， 2010， 31（1）： 258-264+ 326.

[12] 楊赟.小應變土體硬化模型參數對基坑數值計算的影響分析[D].天津：天津大學， 2013.

[13] 周恩平.考慮小應變的硬化土本構模型在基坑變形分析中的應用[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學， 2010.

[14] 羅敏敏，陳赟，周江.小應變土體硬化模型參數取值研究現狀與展望[J].工業建筑，2021，51（4）：172-180.

[15] 汪中衛，王海飆，戚科駿，等.土體小應變試驗研究綜述與評價"[J].巖土力學，2007，28（7） ：1518-1524.

[16] 王衛東，王浩然，徐中華.上海地區基坑開挖數值分析中土體"HS-Small模型參數的研究[J].巖土力學，2013，34（6）：1766-1774.