深基坑近接施工對既有運營地鐵車站穩定性的影響研究

鄭 元

南通軌道交通集團有限公司運營分公司 江蘇 南通 226001

地鐵車站作為城市地下交通系統的關鍵組成部分，承載著大量乘客和重要的社會功能。然而，深基坑施工對地鐵車站的穩定性產生直接影響。深基坑施工過程中的土體變形、土壓力變化和地層穩定性改變是主要因素。本研究旨在通過數值模擬和現場監測數據分析，深入研究深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的影響機理。綜合數值模擬和實測監測數據，分析地鐵車站結構響應，驗證研究結果，揭示深基坑近接施工對地鐵車站的影響程度和可能風險。同時，提出評估指標、應對措施和管理策略，以確保地鐵車站在深基坑施工中的安全運營和結構穩定性。以期促進城市地鐵系統的可持續發展，提高地鐵車站在深基坑施工過程中的安全性和可靠性，為乘客提供安全、高效的出行環境[1]。

1 深基坑施工對土壓力、地層穩定性的影響機理

1.1 土壓力變化機理

深基坑施工中，挖掘過程會使土壤失重，引起土壤體積的減小。這個體積減小會引起孔隙水壓力的變化，從而改變土體內部的有效應力分布。這一機理是Terzaghi的有效應力原理，這個原理解釋了土體受力和孔隙水之間的相互作用，對于預測土體在施工過程中的變形和穩定性具有重要的指導意義。有效應力原理可表述為：σ' = σ - u，其中σ'代表有效應力，σ'代表總應力，u代表孔隙水壓力。基坑開挖會導致土壤體積變化，進而改變孔隙水壓力和有效應力。

1.2 地層穩定性影響機理

基坑開挖會改變地下土層的應力狀態，由于土體的強度受應力狀態的影響，應力狀態的改變可能導致土體發生失穩。根據Mohr-Coulomb模型，土體的剪切強度主要取決于兩個因素：一是凝聚力，它是土體內部的微觀摩擦和黏結力產生的；二是摩擦力，它是由土體內部的顆粒間摩擦產生的。這個模型可以預測在哪些應力條件下，土體可能會發生剪切破壞。Mohr-Coulomb模型是常用的描述土體強度特性的模型，其表達式為：τ = c + σ' tanφ，其中τ代表剪切應力，c代表凝聚力，σ'代表正應力，φ代表內摩擦角。根據這個模型，可以計算在特定應力條件下，土體是否會發生破壞。

2 地鐵車站結構對外部環境變化的響應理論

2.1 結構力學分析

地鐵車站結構通常采用混凝土或鋼筋混凝土材料，這些材料在受力后會產生形變。根據彈性力學理論，材料的形變與其受到的應力成正比，比例常數被稱為楊氏模量。這種關系可以幫助理解地鐵車站結構在受到地下土體應力改變后會發生多大的形變。對于線彈性材料，應力σ和應變ε之間的關系為：σ = Eε，其中E代表楊氏模量。

2.2 振動響應分析

基坑施工通常伴隨著振動產生，這些振動可能對地鐵車站結構產生影響。振動的影響可以通過動力學模型進行分析。對于單自由度系統，其運動狀態可以通過一個二階微分方程來描述，其中涉及到系統的質量、阻尼和剛度三個重要參數，這些參數決定了系統對振動的響應特性。一般可以采用單自由度振動模型，其微分方程形式為：mx'' +cx' + k*x = F(t)，其中m代表質量，c代表阻尼系數，k代表剛度，x代表位移，F(t)代表外力。

2.3 相關數學模型

2.3.1 土壓力和地層穩定性模型

分析土壓力的變化，通常需要采用固結理論，如Terzaghi的一維固結理論。這個理論通過一個偏微分方程描述了土體在壓實過程中孔隙水壓力和土體變形之間的關系，是理解和預測土體固結行為的重要理論基礎。地層穩定性的分析則需要采用土體穩定性的計算方法，如Bishop法或Morgenstern-Price法，這些方法都是通過計算土體可能的滑動面上的剪切力和正應力，判斷土體的穩定性。土壓力的變化可以通過Terzaghi的一維固結理論進行模型分析。其主要方程為：?u/?t = Cv * ?2u/?z2，其中u代表孔隙水壓力，t代表時間，z代表深度，Cv代表固結系數。地層穩定性可以通過Bishop法或Morgenstern-Price法進行分析，這兩種方法都是求解土體滑動面上的剪切應力和正應力，以評估土體的穩定性。

2.3.2 結構響應模型

地鐵車站結構的響應分析通常采用有限元模型。有限元模型可以考慮土體和結構之間的相互作用，用于預測地鐵車站結構在特定土體應力和外部荷載作用下的響應行為。通過建立合適的有限元模型，可以模擬地鐵車站結構的變形、應力分布和穩定性等響應。

綜合上述內容，深基坑施工對土壓力、地層穩定性的影響機理需要考慮土體壓力變化和地層穩定性的變化。同時，地鐵車站結構對外部環境變化的響應可以通過結構力學分析和振動響應分析進行研究。適用的數學模型包括土壓力和地層穩定性模型以及結構響應模型，這些模型可以用于預測和評估深基坑施工對地鐵車站和土體的影響[2]。

3 數值模擬及現場監測

3.1 模型建立和參數設置

在進行數值模擬前，需要建立一個準確反映地鐵車站和深基坑系統的數值模型，并設置合適的參數。

3.1.1 地鐵車站模型建立

為了建立準確的地鐵車站模型，需要考慮以下方面：①詳細描述地鐵車站的幾何形狀和結構布局，包括站臺、站廳、軌道、扶梯以及其他相關構件；②將地鐵車站劃分為適當的單元或區域，以便進行模擬和分析。例如，可以將車站劃分為上部結構、地基和地下水等區域；③選擇合適的建模工具，如三維建模軟件或計算機輔助設計軟件，以便準確地建立地鐵車站的幾何模型。

3.1.2 深基坑模型建立

深基坑模型的建立需要考慮以下因素：①根據深基坑的設計圖紙和施工方案，準確描述深基坑的幾何形狀和尺寸，包括基坑的開挖深度、形狀以及支護結構等；②將深基坑劃分為適當的單元或區域，以便進行模擬和分析。例如，可以將基坑劃分為開挖區域、支護結構區域和周邊土體區域；③選擇合適的建模工具，如三維建模軟件或計算機輔助設計軟件，以便準確地建立深基坑的幾何模型。

3.1.3 材料參數設置

為了準確地模擬地鐵車站和深基坑系統的行為，需要設置適當的材料參數，包括但不限于以下內容：①地鐵車站材料參數：確定地鐵車站結構和構件的材料特性，如混凝土、鋼材等的彈性模量、泊松比、抗剪強度等；②地鐵車站土體參數：根據實際情況和土壤試驗數據，設置地鐵車站所在區域的土體參數，如土的彈性模量、泊松比、抗剪強度等；③深基坑支護材料參數：根據支護結構的材料特性，設置支護材料的彈性模量、泊松比、抗剪強度等；④深基坑土體參數：根據實際情況和土壤試驗數據，設置深基坑周圍土體的參數，如土的彈性模量、泊松比、抗剪強度等。通過合理設置模型和參數，可以確保數值模擬的準確性和可靠性，從而更好地研究深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的影響[3]。

3.2 深基坑近接施工模擬

在模擬深基坑近接施工時，可以采用數值分析方法，如有限元方法，來模擬土體的變形和結構的受力情況。①設定施工步驟和時間序列：根據實際施工方案，確定深基坑的開挖過程、支護安裝過程等施工步驟，并設置時間序列來模擬施工的逐步進行。②地鐵車站土體模型建立：將地鐵車站所在的土體區域建立為有限元模型，考慮地鐵車站的土體-結構相互作用。③深基坑施工模擬：根據施工步驟和時間序列，進行深基坑的開挖和支護結構的安裝模擬，包括土體的變形、支護結構的受力等。④考慮施工階段的不同：對于不同的施工階段，可以采用不同的邊界條件和加載方式，以模擬實際施工的變化過程。

3.3 地鐵車站結構響應模擬

為了評估深基坑近接施工對地鐵車站結構的影響，可以進行地鐵車站結構的響應模擬，以分析其變形、應力和穩定性。①結構模型建立：將地鐵車站結構部分建立為有限元模型，考慮結構的幾何形狀和材料特性。②邊界條件設置：根據實際情況，設置地鐵車站結構模型的邊界條件，包括地鐵車站與土體的約束、荷載施加方式等。③施加載荷模擬：考慮地鐵車站運營期間的動態荷載，模擬列車通過、人流荷載等的作用。④結構響應分析：通過數值模擬方法，計算地鐵車站結構的變形、應力分布和穩定性情況。⑤結果分析和評估：對模擬結果進行分析，評估深基坑近接施工對地鐵車站結構穩定性的影響，確定可能存在的問題和潛在風險。

4 深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的評估

4.1 結合數值模擬和監測數據進行評估

為了全面評估深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的影響，應綜合利用數值模擬和實測監測數據進行評估。將數值模擬結果與實測數據進行對比和驗證，以驗證模擬的準確性，并得出更可靠的評估結論。數值模擬結果與監測數據對比：將數值模擬得到的地鐵車站結構變形、應力分布等結果與實測監測數據進行對比。比較兩者之間的一致性和差異，分析差異的原因，并判斷數值模擬的準確性和可靠性。敏感性分析：通過對數值模擬模型中的參數進行敏感性分析，評估不同參數對評估結果的影響程度。例如，調整土體的彈性模量、支護結構的剛度等參數，觀察其對地鐵車站穩定性評估結果的影響[4]。

4.2 評估指標和方法

在評估深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的影響時，可采用以下評估指標和方法，以綜合評估地鐵車站的穩定性和安全性。

結構變形評估：通過數值模擬和監測數據分析，評估地鐵車站結構的變形情況。可以使用指標如最大變形量、變形速率等來評估結構的穩定性。同時，可以根據變形的分布情況，判斷是否出現局部破壞或不均勻沉降等問題。

應力分析：通過數值模擬和監測數據分析，評估地鐵車站結構的應力分布情況。可以使用指標如最大應力、應力集中程度等來評估結構的承載能力和穩定性。同時，根據應力的分布情況，判斷是否存在過大的局部應力集中現象。

穩定性評估：綜合考慮結構變形、應力分布等因素，對地鐵車站的整體穩定性進行評估。可以使用指標如安全系數、穩定性指數等來評估結構的整體穩定性。同時，結合實際情況，考慮地鐵車站的安全儲備能力和運營要求，判斷結構的穩定性是否滿足要求。

5 應對措施和管理策略

5.1 風險評估和管理

深基坑近接施工對地鐵車站穩定性可能帶來一定的風險。為了有效管理風險并采取適當的措施，以下是一些專業具體的建議：

風險評估：通過綜合分析數值模擬結果、實測監測數據和相關文獻資料，對深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的風險進行評估。考慮施工過程中的不確定性和可能發生的不良事件，如土體塌陷、結構破壞等，以及對車站運營和乘客安全帶來的潛在威脅。

風險管理計劃：制定詳細的風險管理計劃，包括明確風險管理的目標、策略和措施，確定風險管理的責任分工和時間計劃。建立風險管理團隊，包括相關專業人員和利益相關方，確保有效的溝通和協調。

風險控制措施：根據風險評估結果，采取相應的風險控制措施，如優化施工方法、加強地下水管理、合理調整施工時間等。同時，制定應急預案和災害管理措施，以應對意外事件和緊急情況。

5.2 結構加固和支護設計

為了增強地鐵車站結構的穩定性和抵抗深基坑近接施工的影響，可采取以下專業具體的結構加固和支護設計措施：

支護結構設計：根據地質條件、基坑尺寸和施工階段，設計合理的支護結構，如鋼支撐、土釘墻、混凝土攪拌樁等。考慮支護結構的剛度和穩定性，確保其能夠有效地抵抗土體的變形和承載荷載。

加固措施：根據地鐵車站結構的實際情況，采取加固措施來增強結構的穩定性。例如，對現有結構進行加固，如增加梁柱鋼筋、加固節點、加厚墻體等。還可以考慮在地鐵車站周圍設置加固構筑物，如加固板樁墻、加固鋼筋混凝土墻等。

監測與調控：在施工和運營期間，建立結構的實時監測系統，監測結構變形、應力分布、振動等參數。根據監測數據的變化，及時調整支護結構和加固措施，以保持地鐵車站的穩定性。

5.3 監測和預警系統建設

為了實時監測地鐵車站的穩定性和及時預警可能的風險，可采取以下專業具體的監測和預警系統建設措施：

監測設備選擇：根據地鐵車站的特點和可能出現的問題，選擇合適的監測設備，包括變形測量儀器、位移傳感器、壓力計、振動傳感器等。確保監測設備的準確性和可靠性。

監測方案制定：制定詳細的監測方案，包括監測點的布置、監測頻率、數據采集和傳輸方式等。考慮到深基坑近接施工的特點，加強對地鐵車站結構、地基和周邊土體的監測。

數據分析與預警：建立專業的數據分析和預警系統，對實時監測數據進行分析和處理。設置閾值和預警準則，一旦監測數據超出預警范圍，及時發出預警并采取相應的應對措施。

通過風險評估和管理、結構加固和支護設計，以及監測和預警系統的建設，可以全面提升地鐵車站的穩定性和安全性，并及時應對深基坑近接施工可能帶來的風險和挑戰[5]。

6 結語

本研究深入研究了深基坑近接施工對地鐵車站穩定性的影響機理，并從數值模擬和現場監測數據分析的角度進行了全面評估。研究結果表明，深基坑施工引起的土壓力變化和地層穩定性改變對地鐵車站結構產生了顯著影響。結合數值模擬和實測監測數據的評估，揭示了深基坑施工對地鐵車站的影響程度和潛在風險，并提出了相應的評估指標和管理策略。基于研究結果，強調了風險評估和管理的重要性，包括加固地鐵車站結構、合理控制土體變形和應力變化、建立監測和預警系統等。這些措施可以最大程度地減小深基坑施工對地鐵車站的不利影響，確保地鐵車站的穩定運營和乘客的安全。進一步的研究可以側重于深入理解深基坑施工對地鐵車站的影響機制，并優化相關的管理策略，以滿足城市地鐵系統的可持續發展需求。