大型基坑近距離開挖對既有地鐵車站結構安全影響研究

豐友山 胡長勇

【摘? ? 要】：針對大型基坑開挖對鄰近既有地鐵車站結構安全的影響，以實際工程為例，采用Midas GTS 有限元軟件對基坑開挖進行模擬分析，研究了基坑不同開挖階段時風亭及出入口結構的位移及變化規律，通過與實際監測數據比較得出，模擬結果與實際數據一致，該計算能模擬出施工的變形情況。

【關鍵詞】：基坑開挖；地鐵車站；結構安全

【中圖分類號】：TU753【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2024）01-56-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.016

收稿日期：2023-04-14

作者簡介：豐友山（1989 - ）， 男， 碩士， 湖北黃岡人， 工程師， 從事地下結構設計工作。

Study on the Safety Influence of ExistingSubwaySationSructureBased on the

Ecavation of Large Foundation Pit

FENG Youshan， HU Changyong

（China Rail Way Liuyuan Group Co.Ltd.， Wuxi 214000， China）

【Abstract】： Focusing on the safety influence of the existing subway station structure caused by the excavation of large foundation pit， this paper takes an actual project as an example， uses the Midas GTS finite element software to simulate and analyze the excavation of foundation pit， and studies the displacement and variation patterns of the wind pavilion and entrance structure during different excavation stages of the foundation pit， by comparing with actual monitoring data， the simulation results are consistent with the actual data， this calculation can simulate the deformation situation during construction.

【Key words】：excavation of foundation pits; subway stations; sructure safety

地鐵建設必將帶動周邊經濟的發展，周圍新建工程越來越多；而城市空間資源有限，建筑物距離既有地鐵車站的距離也越來越近。依據國家相關地鐵安全保護條例或規范[1]，位于車站保護區內新建工程要考慮施工活動對軌道交通設施的結構安全影響[2～4]，若施工不當，導致車站結構損壞， 嚴重至車站坍塌，對車站運營和人民群眾的安全產生重大影響，會使國家經濟嚴重損失。本文以無錫市鄰近地鐵車站附屬結構的某新建小學施工為例，通過Midas GTS軟件模擬分析，研究了施工過程中附屬結構的變形，為后續安全施工提供指導參考。

1 工程概況

擬建小學地下建筑面積約14 129.26 m2，基坑開挖尺寸為132 m×120 m×5.25 m，地下一層、地上3～5層，筏板基礎+承臺預制樁基礎，臨地鐵側圍護結構采用長18.05 m的SMW工法樁懸臂支護，兼做隔水帷幕，型鋼采用“隔一插一”形式。基坑北側及東側需作為臨時施工場地，采用長12.8 m的拉森鋼板樁懸臂支護，坑內因開挖承臺形成的高差統一采用1∶1臨時放坡。地下室基坑與既有車站風亭及出入口最小凈距分別為8.4、6.7 m。見圖1。

基坑范圍內土層主要為①雜填土、②粉質黏土、③粉質黏土、④粉砂層、⑥黏土層，基底以上約3 m范圍和基底以下約3 m范圍主要為②粉質黏土、③粉質黏土。見表1。

在先施工部位開挖敞口集水井，集水明排。基坑土方分層分段開挖；開挖前，在基坑內按間距約20 m布設降水井，中部結合土方開挖設置敞口集水井，降低坑內地下水位，同時基坑四周坡頂位置設置截水溝，攔截基坑外側地表水。

2 數值模擬分析

2.1 計算模型

采用Midas GTS 建模分析，基坑開挖區域較大，按實際工程中分區開挖簡化計算，模型尺寸為217 m×143 m×50 m，基坑埋深5.25 m。盾構管片、車站結構、圍護結構（抗彎剛度等效）采用2D板單元，梁、柱采用1D梁單元，樁基采用植入式1D梁單元，土體采用實體單元，地面超載取20 kPa，建筑物地上部分按15 kPa/層考慮。臨車站側地下室基坑止水帷幕隔斷④、⑤承壓含水層，地鐵圍護結構隔斷④1、④2承壓含水層，臨車站側地下室基坑坑內降水不會對坑外水位造成影響，故計算分析不考慮坑內降水對坑外水位的影響。

本構模型采用修正的莫爾-庫倫模型。模型邊界側向加法向約束，底部加固定約束，頂部自由。見圖2。

施工模擬計算分3個區實施：先施工1區，然后施工2區，最后施工3區。

基坑開挖方案：先施工兩側圍護結構及開挖土體，再施工中間圍護及開挖中間的土體。

2.2 計算結果

2.2.1 變形結果

3區開挖時豎向位移達到最大值為5.99 mm，為開挖深度的0.11%；因單側開挖，引起結構產生向基坑側的水平位移最大值為1.87 mm，為基坑開挖深度的0.04%，變形結果均較小，滿足規范變形控制值10 mm的要求。見圖3。

結構整體呈上浮趨勢，土體開挖時變形較大，地下室施工及上部結構回筑時變形有所回落。基坑土體開挖相當于既有結構周圍卸載過程，為保持平衡，基坑會產生相應的變形，造成此時結構變形均相對較大；上部結構施工時相當于一個加載過程，可以彌補一部分土體開挖產生的卸載，結構變形會有部分恢復。其中開挖3區時結構變形達到最大，3區為基坑預留核心土體，土體卸載時變形影響較大，此時施工應加強結構變形監測，防止變形過大，必要時可以增加支撐。總之，結構整體及局部變形可控，均滿足規范要求。

2.2.2 位移

選取3區開挖這一最不利工況進行分析。距離基坑較近的風亭及出入口結構受施工影響較大，結構產生較大的變形。變形較大的地方也是結構薄弱點，基坑施工時需要重點關注，保證既有結構安全，必要時需采取合理的相關措施。見圖4。

2.3 監測結果

依據監測單位反饋，基坑開挖期間出入口及風亭結構垂直位移累計值為2.1 mm（隆起），水平位移累計值為-7.6 mm（向主體結構方向），側墻垂直度變化累計值為 0.22‰。

基坑開挖過程中出入口及風亭水平位移達到了預警值，經分析，認為出入口及風亭結構變形主要由降雨和卸載造成，后經長期追蹤監測，結構趨于穩定，結構測項變化都較小，均不超過5 mm。

3 結論與措施

1）小學建設過程中對既有地鐵車站附屬結構變形產生了一定的影響，尤其是靠近基坑較近的結構變形均相對較大，但各項變形指標均滿足規范控制值10 mm的要求，滿足結構安全要求。

2）模擬計算結果與基坑監測數據吻合，整體均產生向上的變形，距離基坑較近的風亭及出入口變形較大。

3）基坑開挖范圍內存在較厚的①1填土，對基坑工程非常不利。圍護結構施工宜采取改善泥漿性能等措施，保證成孔及成樁質量。

4）嚴格控制近地鐵側基坑暴露時間，地鐵側應分區分段開挖，以確保安全；開挖工序及結構回筑工序應嚴格按照分區工序執行。

5）臨地鐵側的基坑需在圍護結構及止水帷幕施工完畢并達到強度后才能開挖。開挖需分層、分段實施，每層厚度不應＞2.5 m。基坑開挖應遵循分區分塊的原則進行，實時監測，信息化施工。

6）在施工中建議按模型計算變形較大的位置重點監測，制定相應的應急措施及方案，保證車站安全運營。

參考文獻：

[1]CJJ/T 202—2013，城市軌道交通結構安全保護技術規范[S].

[2]王浩然，王衛東，徐中華. 基坑開挖對鄰近建筑物影響的三維有限元分析[J]. 地下空間與工程學報， 2009， 5（S2）：1512-1517.

[3]萬家和. 基坑開挖對鄰近地鐵車站及區間線路軌道的影響研究[D]. 北京：中國地質大學， 2011.

[4]陽彬武. 基坑開挖對臨近地鐵結構安全影響分析[J]. 施工技術，2018，47（S1）：873-875.