基坑施工对邻近地铁车站和区间隧道的影响分析

麦家儿

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥工程师）

1 工程概况

佛山市越秀星汇云锦商业中心项目由A、B、C三个区组成。A区和B区由多栋超高层建筑物构成，设4层地下室（局部5层），并以C区的4个矩形顶管通道连通。

B区的平面尺寸约101m×87m，基坑深约19.4m，北侧紧邻已运营的广佛线的桂城站及桂城站—南桂路站区间（以下简为桂南区间）。B区的基坑采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用1m厚地下连续墙加3道混凝土水平内支撑（圆环撑）的支护体系。

桂城站为广佛线与规划中的佛山3号线的换乘站，已运营的广佛线部分为地下2层结构，规划的佛山3号线部分为地下3层结构。已运营的桂南区间的左线隧道原采用盾构法施工；右线隧道约113m长采用明挖法施工，并已预留联络线的接口条件，右线其余部分系采用盾构法施工。B区基坑与桂南区间明挖段的最小距离约3.06m，与桂南区间盾构段的最小距离约24.72m，与桂城站主体的最小距离约19.08m，与桂城站Ⅱ号出入口的最小距离约10.39m。本基坑工程与既有广佛线地铁车站及区间的平面位置关系见图1—图2。

图1 本基坑工程与桂城站及相邻区间的平面关系图

场址地层从上往下依次为：①填土、②－1淤泥质土、②－2淤泥质粉细砂、②－4粉质黏土、③－1粉细砂、③－2中粗砂、④－1可塑状粉质黏土、⑤－2硬塑状残积土、⑥全风化泥质粉砂岩、⑦强风化泥质粉砂岩、⑧中风化泥质粉砂岩和⑨微风化泥质粉砂岩。本基坑底部和桂城站、桂南区间底板大部分处于③－2中粗砂层中。B区基坑北侧3m范围内采用φ850mm三轴水泥搅拌桩加固淤泥质土层和砂层。

图2 B区基坑与广佛线桂南区间隧道关系剖面图

2 地铁保护控制标准

既有地铁变形控制标准可分为隧道结构变形控制标准和轨道结构变形控制标准两类［1］。隧道结构变形控制是安全评估最为关键的计算内容，而轨道结构变形控制更多是体现在动态监测及预警方面。国内目前可参照的隧道结构变形控制标准有《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》和深圳市地铁有限公司《城市轨道交通安全保护区施工管理办法（暂行）》。这两个规定或管理办法关于隧道结构变形控制的核心内容大致相同：①结构最大位移不能超过20mm；②隧道变形曲线的曲率半径必须大于15 000m；③相对曲率不大于1／2 500。

本工程依据上述三个控制值进行基坑设计和对地铁结构的保护。

3 主要研究内容及方法

采用岩土隧道结构专用有限元分析软件Midas／GTS建立三维数值模型，重点分析基坑施工过程对邻近地铁车站和隧道结构变形的影响。在计算分析中做了如下假设：

1）地铁结构变形与该处土体变形一致，即地铁结构网格与土体网格节点耦合共同变形。

2）土体采用修正摩尔—库伦模型，以更符合基坑开挖卸土的情况。

三维有限元模型的参数如表1所示。

表1 三维有限元模型输入参数表

3.1 方案设计阶段

在方案设计阶段，由于支撑型式和平面布置尚未最终定型，采用对撑、桁架支撑或圆环撑也均有可能。为减少三维有限元数值分析模型的建模时间和运行时间，并避免由于方案变化导致的工作反复，采取施加基坑侧向位移来模拟地层损失导致地铁结构变形的简单模型来进行模拟分析。即首先采用理正深基坑设计软件对基坑工程地质勘测的典型钻孔进行分析计算，根据B区基坑围护结构水平支撑道数、刚度等设计输入条件，按弹性地基杆系有限元法可得地下连续墙竖向各点的侧向位移；然后在Midas／GTS三维模型中一次性挖除基坑内土层，并强制对地下连续墙网格节点施加由理正深基坑软件计算所得的侧向位移，由此便可求得地铁车站和区间的变形数值。

图3为方案设计阶段的简单计算模型。经过求解可得在指定基坑发生23.8mm最大位移情况下，桂城站最大侧向变形为6.12mm，桂南区间盾构段最大侧向变形为7.36mm，桂南区间明挖段最大侧向变形为9.68mm，均小于控制值20mm。此时可推测基坑的围护结构支撑方案基本合理，支撑刚度能够满足地铁保护的要求。

图3 方案设计阶段简单计算模型

3.2 施工图设计阶段

3.2.1 三维计算模型

在施工图阶段需分析基坑开挖和地下室回筑各种工况下地铁结构的变形。根据本基坑各道支撑及地下室楼板的标高关系，通过理正深基坑设计软件可知，基坑及地铁结构的最大变形出现在拆除第三道水平支撑之前，故三维分析可在拆除第三道水平支撑时截止。

分析中考虑基坑施工的主要工况如下：①施工地下连续墙、中立柱；②开挖第1层土，施作冠梁；③施作第1道水平支撑、腰梁，开挖第2层土；④施作第2道水平支撑、腰梁，开挖第3层土；⑤施作第3道水平支撑、腰梁，开挖第4层土；⑥施作负4层和负3层楼板，拆除第3道水平支撑。

图4为施工图设计阶段的仿真计算模型。

3.2.2 计算结果分析

图4 施工图设计阶段B区基坑的仿真计算模型

地铁车站和区间隧道最大的矢量位移见图5。桂城站的最大位移是5.76mm，Ⅱ号出入口的最大位移是8.65mm；桂南区间右线明挖隧道的最大位移是9.31mm，右线盾构隧道的最大位移是5.06mm，左线盾构隧道的最大位移是7.10mm，均满足小于地铁保护控制值20mm的要求；桂城站、桂南区间右线隧道和左线隧道的结构变形最小曲率半径分别为34 888m、19 328m、16 205m，均满足大于地铁保护控制值15 000m的要求。

图5 地铁车站和区间最大矢量位移

对于地铁车站和区间隧道的沉降，其很大比例是由于在地面上施加20kPa的超载引起的。例如桂城站与区间接口的端墙处、桂南区间右线隧道和左线隧道最大变形处，由于地面超载引起的沉降分别为4.58mm、4.66mm、4.61mm，由于基坑开挖引起的沉降分别为0.38mm、0.40mm、0.32mm。这是由于本基坑深度只比地铁结构底板埋深稍大，基坑高度范围内土层侧向位移引起地铁结构底板以下土层的地层损失量有限。

关于地铁车站和区间隧道的水平位移，是本工程影响分析的重点。图6—图8分别是桂城站和桂南区间隧道随基坑开挖过程的水平变形仿真计算曲线。

由图6～8可知，桂城站最大水平位移发生在与广佛线区间隧道接口的端墙处，桂南区间右线隧道和左线隧道的最大水平位移发生在距离车站约47m和48m处，即地铁结构最大水平位移均发生在距离基坑最近处；地铁车站和区间隧道的变形随着基坑开挖逐渐增大，基坑开挖到基底（即工况⑤）和拆除第3道水平支撑浇筑负4层和负3层楼板（即工况⑥），地铁结构的变形增量可以忽略不计，两个阶段的水平变形曲线基本重叠，变形趋于稳定。

图6 桂城站水平位移变形仿真计算曲线

图7 桂南区间右线隧道水平变形仿真计算曲线

图8 桂南区间左线隧道水平变形仿真计算曲线

4 结语

本文结合邻近已运营的广佛线桂城站及桂南区间隧道的越秀星汇云锦商业中心项目工程，通过Midas／GTS软件，建立了基坑支护结构、地铁车站、区间隧道和周边土体的三维有限元数值模型，对地铁结构的变形进行了详细的分析，得出以下4点结论：

1）通过在地下连续墙节点上施加水平位移来模拟地层损失的简单模型，在预评估基坑开挖对地铁结构变形影响等方面简单实用，并能考虑多个基坑同步开挖时对地铁结构变形的叠加影响，与施工图设计阶段的三维仿真计算模型相比，计算误差在10%以内。

2）通过动态模拟基坑开挖及回筑工况的仿真模型，分析得到基坑施工引起的车站和区间隧道变形均满足相关规定。从目前基坑施工期间对地铁的监测数据来看，地铁结构的实际变形曲线与理论分析大致相同，最大水平位移为9.52mm，发生在桂南区间右线靠近基坑处。故有限元计算分析为本工程的实践提供了可靠的定量依据。

3）基坑施工使地铁结构一侧的土体发生了水平和竖向卸载，导致地铁车站和区间隧道产生了朝向基坑方向的水平位移和沉降，且变形以水平位移为主。最大水平位移发生在距离基坑最近处。

4）关于地铁结构变形的安全性复核计算，一般以隧道变形曲率半径为控制值，且盾构法隧道比明挖法隧道对变形更加敏感。

［1］李兴高.既有地铁线路变形控制标准研究［J］.铁道建筑，2010（4）：84.

［2］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009：149.

［3］施仲衡，张弥，宋敏华，等.地下铁道设计与施工［M］.陕西：陕西科学出版社，2006.

［4］刘占民.基坑突发事故的应急处理对邻近地铁隧道的影响［J］.城市轨道交通研究，2010（11）：77.

［5］徐军林.地铁车站深基坑对周围建筑物的影响分析［J］.城市轨道交通研究，2011（6）：71.