深基坑开挖对邻近地铁车站基坑影响的计算分析

胡建林 李瑞军 徐永峰 赵 飞 谢 龙

（1.河北建筑工程学院土木工程学院，张家口075000；2.江苏省泗洪县建筑业管理处，泗洪223900）

随着经济的发展，城市建设规模的不断升级，大城市中地面交通日趋饱和，为了缓解交通压力，各个大城市都将目光投向了地下交通工程.地铁在解决城市交通拥堵的问题上起到了举足轻重的地位，地铁一般都是在城市繁华地带进行建设，所以地铁在修建过程中通常会遇到周边管线众多、交通车流量大、临近建筑物多等各种问题，由于地铁工期长，所以在修建过程中经常会遇到在地铁基坑周边同时进行其他基坑的开挖，这时就需要考虑两基坑之间的相互作用与影响.

关于基坑开挖的相互作用与影响国内许多学者［1～3］也进行了大量的研究.曾远［4］通过数值模拟分析，研究了新地铁车站基坑开挖对原有车站变形的影响，主要是通过两车站间距、源头变形、土体弹性模量三个因素进行分析研究.谢秀栋［5］采用FLAC软件进行数值模拟，分析了在邻近运营地铁车站进行基坑开挖时车站和基坑间距不同的情况下，基坑周围土层的变形特点、变形规律，并与没有地铁车站时的位移场进行了比较.本文采用有限元软件模拟分析了地铁车站基坑在施工期间邻近基坑开挖对既有车站基坑的影响，研究了邻近深基坑开挖对地铁车站支护结构位移及基坑周围地表沉降的影响.

1 工程概况

华池街站位于苏州园区华池街与翠园路交叉口，跨华池街布置，为地下二层岛式车站；车站东端为与明挖区间接口，西端为盾构到达井.车站有效站台中心里程：右DK21＋315.000，西端与会展中心站－华池街站区间的设计分界里程为：右DK21＋258.619，东端与华池街站－星港街站区间的设计分界里程为：右DK21＋427.762.结构外包全长169.5m，标准段外包宽度为20.264m，外扩段外包宽度为24.264m.本站采用明挖法施工，一般段基坑深度在15.4m左右，东端盾构井段深约17.6m，围护结构主要采用地下连续墙，标准段地下墙厚600mm，盾构井段地下墙厚800mm.晋合广场基坑施工方法为放坡明挖法，围护结构采用锚喷混凝土，开挖深度约为11.50～13.30m，基坑南侧紧邻华池街站的标准段，相邻段长度约120m，基坑上口距离华池街站围护结构边缘约10m，最近距离仅为8.8m.由于该基坑开挖深度大，影响范围也大，在基坑开挖施工过程中可能对华池街站基坑产生不利影响，所以有必要对该基坑的开挖对相邻地铁站产生的影响进行研究.本文选取两基坑距离为8.8m最不利情况进行分析.

图1 基坑与地铁车站平面位置图

图2 基坑与地铁车站剖面图

2 建模及参数的选取

根据实际工况选取模型尺寸为：高50m，长184m.土体本构模型采用修正剑桥模型，地下连续墙、支撑以及钢筋土钉采用线弹性模型.土体单元采用CPE4I单元，即4节点平面应变非对称单元.地下连续墙、支撑及钢筋土钉采用B21单元，即两节点线性梁单元.选用梁单元需要赋予梁单元横截面特征，其中地下连续墙采用矩形横截面，截面为1m×8m；第一道硂支撑采用矩形横截面，截面积为0.8m×0.8m；第二、三、四道支撑采用环形横截面，外径D＝0.609m，厚度δ＝16mm；钢筋土钉采用圆形横截面，直径为0.11m.地下连续墙弹性模量取2.0×107kPa，泊松比v＝0.3；硂支撑弹性模量取E＝2.5×106kPa，泊松比v＝0.3；钢支撑弹性模量E＝2.62×105kPa，泊松比v＝0.25；土钉弹性模型取E＝2.1×105kPa，泊松比v＝0.3.

表1 各土层的物理力学参数

图3 有限元分析模型

3 地铁车站基坑开挖数值模拟

为了分析研究邻近基坑开挖对车站基坑的影响，首先对无邻近基坑开挖情况下的地铁车站基坑开挖进行数值模拟分析，主要是对在开挖过程中支护结构的水平位移和地表沉降进行研究.

模拟开挖过程如下：

第一步：初始地应力平衡；在进行初始地应力平衡时利用remove语句将地下连续墙、支撑移除，避免对初始地应力产生影响.

第二步：施工地下连续墙以及第一道硂支撑，然后进行地铁基坑的第一层土方的开挖，开挖深度为6.65m.其中地下连续墙及硂支撑的施工采用add语句进行添加，土方的开挖采用remove语句进行.

第三步：施工第二道钢支撑，进行地铁基坑的第二层土方的开挖，开挖深度到9.74m.

第四步：施工第三道钢支撑，进行地铁基坑的第三层土方的开挖，开挖深度到12.50m.

第五步：施工第四道钢支撑，进行地铁基坑的第四层土方的开挖，开挖深度到15.82m.

对地铁基坑施工进行模拟计算结果如图4所示，由于在地铁基坑开挖过程中模型是对称模型，所以以下以左侧的地下连续墙及左侧地表作为研究对象.

由以上分析可见随着开挖深度的增加，地下连续墙的深层水平位移也不断增加，发生最大水平位移的深度也逐渐下移，当开挖到深度15.82m时最大水平位移出现在据地面8m左右的位置，最大水平位移值约为18mm.同时随着开挖深度的增加，基坑周边地表也出现了一定程度的沉降，最大沉降位置为距基坑边缘5m左右，最大沉降值约为23mm.

4 邻近基坑开挖对地铁车站基坑的影响分析

实际工况是在地铁车站基坑已经开挖到最大深度后进行了晋合广场基坑的开挖.模拟开挖过程如下：第一步：初始地应力平衡；在进行初始地应力平衡时利用remove语句将地下连续墙、支撑以及土钉移除，避免对初始地应力产生影响.第二步：施工地下连续墙以及第一道硂支撑，然后进行地铁基坑的第一层土方的开挖，开挖深度为6.65m.其中地下连续墙及硂支撑的施工采用add语句进行添加，土方的开挖采用remove语句进行.

第三步：施工第二道钢支撑，进行地铁基坑的第二层土方的开挖，开挖深度到9.74m.

第四步：施工第三道钢支撑，进行地铁基坑的第三层土方的开挖，开挖深度到12.50m.

第五步：施工第四道钢支撑，进行地铁基坑的第四层土方的开挖，开挖深度到15.82m.

第六步：进行晋合广场基坑的第一层土方的开挖，然后进行第一层土钉的施工.

第七步：进行晋合广场基坑的第二层土方的开挖，然后进行第二层土钉的施工.

第八步：进行晋合广场基坑的第三层土方的开挖，然后进行第三层土钉的施工.

第九步：进行晋合广场基坑的第四层土方的开挖，然后进行第四层土钉的施工.

第十步：进行晋合广场基坑的第五层土方的开挖，然后进行第五层土钉的施工.

地铁车站基坑的水平位移和竖直位移如下图所示.

图8 地铁车站周边土体水平位移图

图9 地铁车站周边土体竖直位移图

为了更好的分析由于邻近基坑开挖对已有地铁车站基坑的影响，对左右侧地下连续墙的水平位移以及基坑周边地表沉降进行单独分析，结果如图10～13所示.

图10 地铁车站左侧地下连续墙水平位移图

图11 地铁车站右侧地下连续墙水平位移图

由图10～11可以看出，当右侧的晋合广场基坑开挖后对地铁基坑左右两侧的地下连续墙均产生了一定的影响，左侧连续墙产生了向坑内的位移，右侧连续墙发生了向坑外的水平位移即连续墙的水平位移由于右侧基坑的开挖发生了一定程度的回弹，这是由于右侧基坑的开挖使得坑外的土压力减小了，由此可见在既有基坑旁开挖新基坑时对原有基坑较远一侧的围护结构产生的不利影响要大于对近侧围护结构的影响.所以在实际设计施工中要重点对远侧围护结构进行监测以防发生事故.

图12 地铁车站基坑左侧地表沉降

图13 地铁车站基坑右侧地表沉降

由图12～13可见右侧晋合广场基坑的开挖对既有的地铁车站基坑左右侧地表沉降均产生了一定程度的影响，由于左侧连续墙向坑内的水平位移加大使得左侧地表沉降也出现了沉降增大的现象，尤其是在距离连续墙较近的地方.由于右侧晋合广场基坑的开挖地铁基坑的右侧的地表沉降也出现了一定程度的增加，所以在实际施工过程中对基坑周边地表的沉降监测也是需要重点进行观测的.

5 结 论

通过上述的计算与分析，得出以下结论：

（1）采用支撑式地下连续墙作为围护结构的基坑开挖后其围护结构的最大水平位移出现在距地面1／3～1／2基坑深度处，墙后地表最大沉降出现在距离围护结构一定距离处.所以在具体的施工过程中要对以上这些重点位置进行重点监测.

（2）根据模拟结果可以看出晋合广场基坑的开挖对既有的地铁车站基坑围护结构以及周边地表沉降均产生了较大的影响，晋合广场基坑的开挖增大了地铁车站基坑左侧连续墙向坑内的水平位移，由于土压力的减小使得车站右侧的地下连续墙的水平位移反而减小，即地下连续墙发生了一定程度上的回弹.由此看来在相邻两基坑的开挖过程中既有基坑的远侧围护结构处于最不利状态需要进行重点关注.

［1］陈东杰.上海铁路南站相邻基坑开挖变形影响研究［J］.建筑科学，2005，21（06）：59～63

［2］海明雷，孙玉永，王炳龙.深大基坑开挖对邻近地铁车站影响研究［J］.华东交通大学学报，2009，26（01）：7～11

［3谢弘帅.深基坑开挖对临近地铁车站基坑影响的有限元计算分析［J］.上海地质，2009（109）：54～58

［4］曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［J］.地下空间与工程学报，2005，1（04）：642～645

［5］谢秀栋，刘国彬，李志高，郭智杰.邻近运营地铁车站基坑开挖土层位移特性分析［J］.地下空间与工程学报，2007，3（04）：742～744＋757