擬建地鐵換乘廳基坑開挖對既有線路影響的數值分析

馮 浩

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 100000）

0 引言

近年來，隨著我國城鎮化的快速推進，城市人口越來越多，造成城鎮交通越來越擁堵，極大地影響了人們的快速出行及生活品質的提高。地鐵的建設一方面可有效緩解城市交通擁堵，另一方面不占用昂貴的地面空間，且可利用清潔能源等優點，在各類城市得到廣泛采用[1-4]。

隨著地鐵建設線路的遞增，新建線路在土方開挖、側墻開洞以及降水施工中必然會對既有線路產生影響，可能引起既有線路結構產生變形或位移超限。因此，如何預測新建路線施工對既有線路結構的影響至關重要。本文以某地鐵施工項目為例，通過有限元軟件Midas GTS NX分析地鐵換乘廳基坑開挖對既有線路的影響，以供相關技術人員參考。

1 工程概況

某擬建地鐵工程為17號線二期紅星橋站與既有地鐵3號線、遠期16號線換乘轉換廳段，工程位置見圖1。

圖1 工程位置示意圖

本工程為地下1～2層現澆框架結構，基坑深度10.67～20.57m，沿馬鞍東路長度78.4m，寬度18.72m，基坑安全等級為一級，綜合考慮周邊環境條件、工程地質和水文地質條件、基坑特點、施工工期、施工技術及工程造價等因素，根據圍護結構計算及類似既有工程經驗，圍護結構采用Φ1000@1800旋挖樁。豎向采用1～3道支撐,第1道支撐為混凝土支撐。基坑降水采用坑外+坑內降水，施工期間分層降水，基坑初步開挖時降至基底以下1m，待開挖一半深度后，采用分層分段分槽開挖，并降水至既有區間結構底部。

擬建工程上跨既有3號線紅～前區間，結構豎向凈間距2.74～2.9m，區間隧道采用盾構法施工[5]，最大埋深18.9m，隧道結構為圓形管片襯砌，管片結構特征如下：管片內徑為5.4m；管片厚度為300mm；管片外徑為6.0m。具體情況如圖2所示。

圖2 擬建工程與3號線盾構區間剖面關系

2 基坑開挖數值模型構建

2.1 計算模型

本次分析采用大型通用巖土工程有限元軟件Midas GTS NX，建立三維分析模型。結合工程項目實際情況，考慮邊界影響，采取上邊界自由，側面水平約束，下表面固定約束的模式，模型的應力考慮自重的影響，采取自上而下依次遞增的方式。

2.2 基本假定

（1）土體為各向同性、均質的理想彈塑性體；

（2）初始地應力在模型計算只考慮土體自重應力；忽略巖土體構造應力，使巖土體在自重作用下，土體達到平衡，而后再進行結構施工的開挖；

（3）模型中所選用的地層參數，參照工程地勘報告中所給出的土體參數[6]。

2.3 模型參數

盾構襯砌采用板單元模擬，圍護樁采用實體單元模擬，上部基坑結構采用板單元模擬，支撐采用梁單元模擬。土體采用修正摩爾-庫倫本構模型，整個模型X方向尺寸為98.17m，Y方向尺寸為127m，Z方向尺寸為50m，具體參數設置如表1所示。

表1 地鐵基坑圍護結構及區間隧道結構參數

前后左右邊界約束相應方向位移，底部邊界約束XYZ方向位移，頂部邊界為自由面。通過鈍化土體單元模擬開挖，激活梁單元實現支撐。地面超載取20kPa。所建立的三維有限元分析模型如圖3所示。

圖3 三維計算模型示意圖

2.4 模擬過程

有限元模擬的過程如下：初始地應力平衡，位移清零→圍護樁施工→基坑降水，一層開挖→二層開挖→三層開挖→拆撐+結構施工→覆土回填。

3 基坑開挖模擬結果與工程措施建議

3.1 基坑位移模擬結果分析

根據位移模擬結果可知：開挖至基坑底，基坑主體結構未施做時，坑底土體出現一定程度的向基坑開挖臨空面的位移，主要表現為周邊土體的沉降，既有區間結構也發生一定的位移[7]。經計算，得到既有區間結構產生的最大變形及位移如圖4所示。

圖4 主要工序車站位移圖

3.2 基坑安全模擬結果分析

經MIDAS GTS NX模擬計算可知：擬建工程基坑開挖期間，在降水至既有隧道結構底部的工況下，既有線區間結構左線最大豎向位移+1.4mm，右線最大豎向位移+1.2mm，左線最大水平位移2.3mm，右線最大水平位移3.6mm，既有區間結構位移均在結構安全儲備范圍內，即在基坑開挖時既有線結構是安全的。滿足《地鐵保護區內施工作業對地鐵既有線結構監測要求》的相關要求[8]。

3.3 基坑開挖工程措施建議

但是，此工程基坑自身風險及周邊風險都很大，且既有線已在運營中，需提前采取對基坑及既有區間的保護措施，工程措施建議如下：

（1）基坑開挖前應編制基坑專項方案；

（2）基坑開挖前對基坑影響范圍內的既有區間管片連接情況進行檢查，必要時采用緊固螺栓、縱向拉板等措施進行加固處理；

（3）開挖時分層分槽開挖，減小卸載覆土時對既有隧道結構的影響；開挖過程中不得出現反坡，不應超挖和掏底；開挖至一半時，對上跨3號線隧道范圍內土體進行注漿加固；

（4）基坑施工期間加強對既有隧道的監測，控制豎向位移；

（5）采用信息化施工，嚴格控制施工操作；

（6）做好基坑降排水工作。

4 結束語

通過建立地層-結構模型，利用MidasGTS NX軟件，對新建地鐵17號線二期A換乘廳基坑施工對既有線路影響情況進行了模擬計算，根據計算結果可知：

（1）在降水至既有盾構區間結構底部的工況下，地鐵3號線區間結構左線最大豎向位移+1.4mm，右線最大豎向位移+1.2mm，左線最大水平位移2.3mm，右線最大水平位移3.6mm，滿足《地鐵保護區內施工作業對地鐵既有線結構監測要求》規定的水平位移與豎向位移控制指標要求。

（2）根據計算情況認為本工程實施方案基本可行，在各項指標控制良好的情況下，對既有地鐵3號線紅星橋站及紅～前區間隧道結構影響較小，可滿足軌道交通結構安全要求。