基坑開挖對既有軌道交通結構的影響分析

李明輝

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

隨著我國各城市經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市軌道交通等基礎設施加速建設，鄰近既有軌道交通建筑物的施工對既有結構的影響不容忽視，因此采取一定的保護措施是非常有必要的。以基坑工程為例，從基坑開挖至回筑整個施工工程改變既有軌道交通原有應力場，開挖卸荷導致基底發(fā)生隆起，支護的變形直接影響既有軌道交通結構的安全性。

場地工程地質條件及水文地質條件對基坑工程的支護結構形式密切相關，尤其對于軟粘土地層，支護結構的穩(wěn)定有利于控制結構變形。地下水位的變化也會對周圍環(huán)境與地基土的物理力學性質產(chǎn)生影響。

基坑開挖土體卸荷，圍護結構會產(chǎn)生向坑內的位移，同時周邊土體發(fā)生沉降，地表結構和圍護結構的變形隨著基坑開挖深度逐漸增大，變形過大會導致周邊建筑物發(fā)生結構失穩(wěn)或者破壞。

李澤基等等運用Midas GTX NX有限元軟件分析了基坑開挖對既有地鐵車站及區(qū)間的變形規(guī)律，并得出結論，在基坑開挖工程中采取必要的保障既有結構的措施能夠有效減小既有結構的變形，既有結構不會產(chǎn)生明顯的隆起或沉陷。

既有軌道交通工程結構發(fā)生變形或不均勻沉降對生命財產(chǎn)安全造成嚴重威脅，在鄰近既有結構施工時確保既有軌道交通工程結構安全尤為重要，鄰近既有軌道交通工程結構進行施工作業(yè)時，不但要確保新建工程安全，同時要考慮新建工程與既有軌道交通結構間的相互影響。

文章以某軌道交通臨時風道基坑鄰近既有軌道交通車站的基坑為工程背景，通過建立三維有限元模型，進行數(shù)值模擬分析，模擬從基坑開挖至回筑全過程施工對既有軌道交通車站結構變形及內力影響。

1 工程概況

1.1 新建臨時風道基坑概況

本項目新建臨時風道共兩個基坑，分為I區(qū)基坑和II區(qū)基坑，其中I區(qū)基坑開挖深度約為10 m，基底位于⑥3層砂質粉土，采用明挖法施工。基坑西側圍護結構借用既有軌道交通原有的0.8 m地下墻，墻長27.5 m；基坑其余各側圍護結構采用A850SMW工法樁，墻長約20 m。II區(qū)基坑開挖深度約為21 m，坑底位于⑨1層粉質粘土，采用明挖法施工。基坑東側利用主體1.4 m厚地下連續(xù)墻，墻長約69 m；基坑南側、西側采用1.0 m厚地下連續(xù)墻；基坑北側采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，墻長約51 m，隔斷?4粉砂層第二承壓含水層。

臨時風道的I區(qū)、II區(qū)基坑緊鄰既有軌道交通車站主體結構，基坑地連墻距車站主體地連墻凈距約0.5 m。

1.2 既有軌道交通車站結構工程概況

既有車站主體結構標準段為地下雙層雙跨，兩端設備段為雙層三跨，北端端頭井為單層三跨，南端端頭井為雙層三跨，換成結點為三層三跨鋼筋混凝土矩形框架結構。

圖1 臨時風道I區(qū)、II區(qū)基坑與既有車站平面位置關系

主體結構與圍護結構組成共同受力的復合式結構。車站頂板覆土厚度約3.0 m。車站主體結構全長約204 m，標準段結構凈寬約18 m、凈高約10.6 m。

2 水文地質

根據(jù)勘察資料，自上而下分別為人工填土層（Qml），厚度 1.40~4.30 m，全新統(tǒng)上組陸相沖積層（Q4 3al），厚度 1.90~4.30 m，全新統(tǒng)中組海相沉積層（Q42 m），厚度 7.80~9.60 m，全新統(tǒng)下組沼澤相沉積層（Q41 h），厚度1.40~2.70 m，全新統(tǒng)下組陸相沖積層（Q4 1al），厚度 3.40~5.00 m。

3 計算模型建立

采用MADIS有限元分析軟件建立三維有限元模型進行計算分析，模型以南北向為Y軸，東西向為X軸，豎直方向為Z軸建立三維模型計算分析，為消除模型邊界效應，X軸方向取 350 m，Y軸方向取 300 m，Z軸方向取115 m。模型計算采用混合網(wǎng)格單元，共劃分單元 205 158個，節(jié)點91 527個。計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖2、3。

圖2 整體模型示意圖

圖3 臨時風道I區(qū)、II區(qū)基坑與既有車站空間位置關系

4 施工工況設定

在不影響計算結果的前提下，為方便計算對相關工序進行合并計算，計算共分為 8個步驟完成，具體施工步驟見表1。

表1 臨時風道基坑施工步序表

4.1 架設第四道支撐并開挖至坑底

圖4 架設第四道支撐并開挖至坑底內力及變形云圖

5 計算結果分析

通過計算分析可知：車站主體結構豎向位移隨著土體開挖卸荷，隨著開挖深度的增大向上逐漸增大，當開挖至基底時達到最大值，隨著回筑結構加荷，豎向位移逐漸減小。車站水平位移隨著開挖深度增大先向基坑側發(fā)生變形，隨著基坑支撐架設又發(fā)生遠離基坑側位移，當回筑至頂板時，由于側壓力小于初始側壓力導致既有車站結構發(fā)生側向水平位移。通過分析計算云圖可知，車站最大主應力和既有車站結構底板最大彎矩最大值在車站擴大端位置處。具體計算結果見表2。

表2 計算結果分析統(tǒng)計表

6 結論及建議

通過對既有軌道交通車站結構進行有限元計算分析得出如下結論：

（1）外部基坑工程作業(yè)施工會對近鄰的軌道交通結構產(chǎn)生一定的影響，會引起既有結構變形。（2）采取及時架設支撐并控制開挖速度可以有效控制既有結構變形。（3）基坑開挖一定程度上會導致既有結構產(chǎn)生一定的應力變化和內力重分布。主要表現(xiàn)為對既有車站端頭位置影響較大。

對施工過程中的建議：

（1）土體小應變影響的三維數(shù)值分析能夠較好反映地下工程施工對既有結構體位移、變形的影響，其計算結果能夠與實際工程經(jīng)驗很好地吻合。但由于有限元模型及土體本構關系的特點，計算值及影響范圍可能會與實際值有一定差異。應最終以信息化施工、適時修正為指導施工的原則。

（2）施工過程中應控制地面超載及堆載，地面施工荷載（堆載）。外部基坑施工場地的出土口及施工道路應遠離既有軌道交通結構進行布置，城市軌道交通結構上方及旁側嚴禁超荷堆載。

（3）基坑工程應遵循分區(qū)、分塊、分層、對稱、限時、先支撐后開挖的原則，實行信息化施工。基坑開挖應采取分區(qū)分坑作業(yè)措施減小基坑開挖體量。

（4）開挖至坑底應迅速封閉底板，減少坑底暴露時間，控制基坑開挖對地鐵結構的影響。