基坑施工對鄰近既有地鐵車站及隧道區間結構的影響分析

伍源豪 谷任國

(華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

隨著我國城鎮化進程的深入推進，各類民用、工業建筑和城鎮基礎性設施建設進程也相應加快，在方便居民生活和推動經濟發展的同時，也帶來了城鎮建設用地的緊缺，城市建設轉向地下空間發展的程度加大，隨之而來的則是愈來愈多的基坑工程出現在地鐵車站及其隧道區間結構附近。而在既有地鐵沿線進行基坑施工時，必定要考慮到其對周邊地鐵車站及其區間結構的影響，如何減小基坑施工對地鐵車站及其區間結構的變形及穩定性的影響成為基坑施工中的重難點問題。

針對上述問題，國內外專家學者從基坑穩定性、基坑開挖施工對周邊地鐵沿線的影響、基坑支護樁受力后變形大小、有限元軟件數值模擬及基坑內部支護結構計算等方面開展了論證研究。魏綱[1]通過對國內基坑工程實測數據進行分析，對基坑開挖影響下的既有盾構隧道變形機制開展理論研究，進而提出隧道最大隆起值的經驗預測公式。張治國等[2]考慮基坑開挖引起坑底和四周坑壁土體同時卸荷產生的影響，提出基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。鄭剛等[3]采用有限元方法對隔離樁的作用機制進行參數分析，研究隔離樁對土體深層位移及隧道位移的控制機制。陳曉丹等[4]在監測數據基礎上，分析巖溶強發育區鄰近基坑施工對建成后地鐵隧道變形影響主要因素，并提出工程控制措施和處理方案。呂高樂等[5]運用有限元數值軟件模擬軟土地區雙側深基坑開挖對鄰近地鐵車站及盾構隧道的影響研究，分析雙側深基坑施工過程中地鐵車站及盾構隧道變形情況，并得出地鐵車站及盾構隧道變形規律。劉波等[6]分別從基坑開挖對既有隧道的影響機制、隧道變形的影響區、變形預測方法以及隧道影響控制方法四個方面論述當前研究成果，并提出亟待解決的主要問題。

本文在過往研究成果的基礎上，針對新開挖基坑對既有地鐵車站及區間隧道結構的影響[7]以及對既有結構的保護要求，采用Midas gts的有限元分析方法，對某基坑支護工程進行數值模擬，考慮基本的假設條件，基坑施工的開挖工序、支護結構等，研究基坑開挖、基坑降水時對地鐵車站及其區間結構的位移、內力影響，以此來對既有地鐵車站及隧道結構的安全性進行分析和評估，并為類似的基坑支護工程設計、施工及對周邊建筑的保護提供技術參考。

1 工程概況

基坑工程東側為空地，用地紅線距基坑開挖底邊線約1.0m；基坑南側為空地，用地紅線距基坑開挖底邊線約1.0m；基坑西側為新新大道，地鐵車站附屬設施距離基坑開挖底邊線約39.0m；北側為地鐵區間隧道，地鐵退讓線距基坑開挖底邊線3.1m。根據基坑與車站、區間平面關系圖1、2可知，地鐵車站與區間緊鄰分析工點的隧道基坑，其中距離最近約為6.9m。基坑開挖施工會引起場地土層應力場的變化，引起土層變形，可能對周邊的建（構）筑物產生一定的影響。

圖1 基坑與車站平面關系圖

圖2 基坑與地鐵區間平面關系圖

本基坑面積約為9490m2，基坑深度約13.7～17.7m，基坑北側采用1000mm 地連墻+三道內支撐，其余采用Φ 1200@1400+2～3道內支撐，如圖3所示。

圖3 支撐平面布置圖

2 三維數值模擬分析

2.1 三維有限元模型

數值模擬分析中的場地地層主要根據該地鐵車站及隧道區間附近的基坑工程勘察資料歸并得到，并趨于不利地層考慮。場地地層自上而下依次為：素填土、粉質黏土、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中風化花崗巖，巖土層參數見表1所示。

表1 巖土層參數

總體模型計算區域選取時，充分考慮隧道施工對區間結構的邊界效應，參閱相關文獻，結合實際經驗，以建筑物外輪廓水平向幾何尺寸取3～5倍，豎直向2～4倍為原則（見圖4所示）。計算模型側向加水平約束，底部加豎向約束，頂面為自由面，不加約束。計算過程中的主要荷載包括各土層的重力、地面超載20kPa，主體結構自重，每層15kPa，共480kPa，及圍護結構重力，并約束有限元模型底部的豎向位移，計算模型各側面的法向位移。

圖4 計算區域選取原則

模型中各土層和構件材料均考慮自重，自重方向Z軸向下，模型中土體采用理想彈塑性模型，遵循莫爾-庫倫屈服準則，上述相關結構則采用彈性模型。模型中土體采用三維實體單元，地鐵盾構區間、車站結構采用殼單元模擬。地鐵車站梁柱及基坑支護的內支撐、冠梁和腰梁選用梁單元來模擬。總體計算模型含113706 個單元，22835個節點。數值模擬分析所建立的三維有限元模型如圖5所示。

圖5 整體模型有限元網格

2.2 分析工況

本文采用總應力分析法，分析工況包含16個施工步，具體如表2所示。本文主要針對基坑開挖施工對既有地鐵車站及區間結構影響的力學特性進行分析，考慮的是基坑開挖施工引起的增量位移，故對既有車站及區間施工引起的位移和初始應力場引起的位移進行清零。

表2 數值模擬分析工況

地鐵車站、隧道結構、基坑支護結構的計算模型如圖6所示。

圖6 車站結構與既有地鐵車站及區間結構有限元網格圖

2.3 計算結果

本文重點分析了基坑開挖施工過程中開挖土體對既有地鐵車站及區間結構內力、變形的影響，即數值模擬分析中的工況5、7、9、11、13、15、16，其分析內容包括各結構的結構內力和增量位移。計算結果見圖7～圖9 和表3所示。

表3 位移計算結果匯總

圖7 圍護支護結構各方向最大位移計算結果

圖8 車站結構各方向最大位移計算結果

圖9 區間結構各方向最大位移計算結果

2.4 地鐵車站及區間結構強度驗算和車站結構側墻裂縫寬度驗算

由于基坑的開挖會使地鐵車站側墻及區間結構產生一定的增量位移，在增量位移的影響下，需要對側墻和區間結構的承載能力進行驗算。拆除第一道支撐時相對車站建造時的彎矩的變化量如圖10所示，相對隧道建造時的應力變化量如圖11所示。

圖10 拆除第一道支撐時相對車站建造時的彎矩變化量

圖11 拆除第一道支撐時相對隧道建造時的應力變化量

同時，根據既有車站側墻極限彎矩設計值及其配筋，驗算基坑開挖引起車站結構側墻的彎矩變化時的裂縫寬度。基坑施工引起各結構內力及裂縫寬度匯總如表4所示。

表4 基坑施工引起各結構內力及裂縫寬度匯總

3 結束語

本文基于 MIDAS 有限元分析軟件，建立基坑開挖施工與某地鐵車站及區間結構的三維計算模型，對基坑開挖引起的既有地鐵車站及區間結構的變形和力學特性進行了模擬分析與評估，數值模擬研究結果表明：

（1）基坑開挖工程是影響既有地鐵車站及區間結構變形的主要因素。支護結構位移最大值為-8.41mm，其計算結果滿足規范要求。

（2）基坑施工及塔樓荷載施加引起的地鐵車站主體結構水平X方向最大位移為0.543mm，Y方向最大位移為-0.259mm；豎向最大位移為0.033mm。施工引起的地鐵車站結構位移均應小于限值。

（3）基坑施工及塔樓荷載施加引起的地鐵隧道區間結構水平X方向最大位移為1.146mm，Y方向最大位移為-4.490mm；豎向最大位移為-3.398mm。疊加目前現狀累計沉降值約為-3.768～-4.278mm。整體上基坑施工及塔樓荷載施加對地鐵區間結構影響較小。

總之，基坑施工及塔樓荷載施加引起車站側墻彎矩增量遠小于抗彎承載力設計值，基坑施工及塔樓荷載施加對地鐵車站結構影響不大；基坑開挖施工過程中，區間結構的應力變化量較小，對區間結構影響較小。基坑施工及塔樓荷載施加引起車站側墻裂縫變化影響極小，滿足車站裂縫控制要求。