谈新建深基坑工程对既有地铁车站的变形影响

唐 飞 周小华 朱炎兵

(1．武汉地铁集团，湖北武汉 430000;2．中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

随着我国城市化进程的加快，地面空间日趋拥挤饱和，建设用地稀缺，加之地铁周边地理位置优越，所以目前在地铁车站周边进行地下空间开发时，基坑工程距离既有地铁车站越来越近，甚至二者紧邻(见图1)。

基坑的施工会对地铁车站产生一定的影响，只有将此影响控制在一定的范围内，才能确保车站结构的安全及地铁系统正常运营。当前已有学者对这类问题的某些方面进行研究:姚燕明、孙巍［1］以紧靠上海地铁2号线东方路站的明珠二期张杨路车站基坑工程为背景，对既有地铁车站的内力变化情况进行分析;高盟等［2］以紧贴上海地铁2号线静安寺站的越洋广场基坑工程为背景，建立三维数值分析模型模拟基坑开挖过程，对既有车站的受力及变形进行了分析;于松等［3］对既有地铁车站结构单侧卸载工况下变形控制技术进行了研究。

目前，邻近基坑开挖对既有地铁车站影响及控制标准的研究主要在结构变形方面，但少有一致意见。如对于车站底板的竖向位移，在上述文献中的分析中，有的抬升，有的沉降。产生这样迥异的结果，是否与基坑的开挖深度(He)及基坑与地铁车站的距离(D)有关，有待进一步研究。

图1 基坑与地铁车站相对关系图

本文将采用 PLAXIS8．5建立全基坑模型(见图2)，通过36组二维数值模拟，研究不同(He，D)组合条件下，深大基坑工程实施对既有地铁车站的变形影响。

图2 计算模型有限元网格图（单位：m）

1 土层参数

苏州地区水网密布，地下古河道较多，由上而下，典型的地层序列［4］见表 1。

表1 土层物理力学参数

2 计算模型

研究采用控制变量法，设基坑宽度B=60 m，He取值分别为9 m～21 m，增量为4 m，共4个值;D的取值分别为5m～40m，增量为3 m～5 m，共9个值;采用两两组合，共计36组工况。分析模型包含一个宽度为60 m的顺作法基坑以及一个标准的双层双跨岛式车站。计算模型边界距离基坑围护结构120 m，模型二维尺寸为300 m×72 m。模型侧面为位移边界，限制水平移动;底部为固定边界，限制水平移动和垂直移动;模型顶面为地表，取为自由边界。

地铁车站与基坑支护结构尺寸如表2所示。车站的楼板及墙体以及基坑的围护结构(地下连续墙)采用Plate单元模拟，基坑支撑采用Anchor单元模拟。各部分结构单元的EI或EA根据表2所示的尺寸计算获得。为准确模拟土层的变形，粘土采用考虑小应变的硬化土本构模型(HSS);砂土采用摩尔—库仑本构模型(M-C)。

在开始参数化分析前，采用所取参数对只有基坑的模型进行试算。试算结果表明，当基坑开挖深度分别为9 m，13 m，17 m，21 m时，地下连续墙最大侧移量与实测统计平均值十分接近［5］。

3 计算结果分析

基坑开挖至坑底后，新建基坑与地铁车站的变形如图3所示(He=21 m，D=11 m)。由图3可以看出，受侧向基坑开挖的影响，地铁车站结构会呈现出不均匀侧移和轻微的不均匀沉降，这有可能对地铁车站结构的承载力以及列车的运行造成不可接受的影响。

表2 地铁车站和基坑尺寸

图3 基坑开挖后有限元网格变形图

3．1 车站底板变形及轨道横向转角

在邻近基坑开挖过程中，车站结构的初始变形将发生变化，其变化值称之为附加变形。附加变形加剧或减缓了车站结构的初始变形。如图4所示为He=21m，D=5 m和He=21 m，D=35 m两种工况下车站底板在不同施工阶段时的变形图。当车站距离基坑较近时，基坑开挖引起底板顺时针旋转;而当车站与基坑较远时，基坑开挖引起车站底板逆时针旋转。

图4 不同阶段车站底板的变形图

由于列车轨道是铺设在底板上，底板的变形直接影响轨道的平面倾角。当倾角过大时将对列车运营造成影响;忽略底板的水平向和竖向的刚性平移，选取左右线轨道平面转角为变形指标，如图5所示。

图5 底板变量定义

由于底板初始变形的存在，列车左线(靠近基坑一侧，下同)和右线(远离基坑一侧，下同)轨道存在一定的初始转角，其绝对值为8．8×10－5。周边深基坑工程实施造成左线倾角最大绝对值为51．7 ×10－5，右线倾角最大绝对值为18．9 ×10－5。

GB 50299-1999地下铁道工程施工及验收规范规定:轨顶横向高差不大于2 mm，即允许的轨道平面转角为139．4×10－5;在本研究范围(He∈(9，21)，D∈(5，40))内，|ωl|的最大值为 51．7 ×10－5，约为允许转角的1/3，满足轨道横向高差的要求。

3．2 车站侧墙变形

车站侧墙最终相对变形(Δ/L)与(D/He)的关系如图6所示。可以看出，当D较小时，基坑开挖引起的地铁车站侧墙附加位移较大。在左侧墙处，附加位移与初始位移方向相反，因而左侧墙相对变形减小;在右侧墙处，附加位移与初始位移方向相同，因而右侧墙相对变形增大。随着D增大，基坑开挖引起的车站侧墙附加位移逐渐减小，因而车站侧墙最终相对变形左增右减，二者逐渐趋于初始状态的相对变形。可以看出，当D＞1．5He时，基坑开挖对地铁车站左右侧墙最终相对变形的影响可以忽略。

图6 车站侧墙最终相对变形图

3．3 中柱转角

为方便评价基坑开挖引起车站结构倾斜的作用，选取中柱转角α为指标，取顺时针转动为正，逆时针转动为负。α随D/He的变化关系如图7所示，车站左右侧墙以及中柱的附加变形几乎一致。约在D/He=1时，不同开挖深度的基坑引起邻近车站左右侧墙的最终刚性转角相同，且接近于零，此时可认为车站结构未发生旋转。

图7 车站中柱转角变化图

3．4 剪切作用

当基坑与地铁车站距离较近时，地铁车站结构受到剪切作用。主要表现在车站结构发生旋转过程中，由于车站左右侧墙的刚度比底板、中板和顶板要大，这三层楼板的附加变形呈现“波浪状”，但随着距离的增大，“波浪状”逐渐变为“圆弧状”。为衡量不同工况下车站结构所承受的剪切作用，如图8所示，选取车站中柱的转角α与车站底板刚性转角ωr的差值γ为指标。

图8 车站结构剪切变量定义

当基坑与地铁车站距离较近时，车站结构受到的剪切作用较强，|γ|的最大值为34．17 ×10－5;随着距离的增大，|γ|逐渐减小，当D=2He时，γ已处于零值附近，表明此时车站结构所受的剪切作用已经很小，可以忽略。同时，可以看出，邻近基坑开挖深度越大，车站结构受到的剪切作用越强，但其主要存在范围并不显著改变，皆为2He。

4 结语

1)新建基坑引发地铁车站结构出现沉降、不均匀沉降、旋转等类型的变形。当D/He较小时，车站结构呈现顺时针旋转，随着D/He增大，车站结构逐渐变为逆时针旋转。约在D/He=1时，可认为车站结构未发生旋转。2)邻近基坑开挖会引起运营地铁车站结构产生不均匀侧移和不均匀沉降。同时，由于车站结构各部分抗弯刚度(EI)不尽相同，使得车站结构各部分发生局部变形。由于车站左右侧墙刚度较大，因而其变形主要以刚体位移为主。3)当D＞1．5He时，基坑开挖对地铁车站结构变形的最终相对变形的影响可以忽略。4)当基坑与地铁车站距离较近时，车站结构受到的剪切作用较强;同时邻近基坑开挖深度越大，车站结构受到的剪切作用越强，但其主要存在范围并不显著改变，皆为2He。

［1］姚燕明，孙 巍．深基坑开挖对共用连续墙的既有车站结构内力影响的空间分析［J］．岩土工程学报，2006，28(sup):1411-1414．

［2］高 盟，高广运，冯世进，等．基坑开挖引起紧贴运营地铁车站的变形控制研究［J］．岩土工程学报，2008，30(6):818-823．

［3］于 松，许 抒．既有地铁车站结构单侧卸载工况下变形控制技术［J］．建筑施工，2008，30(5):352-355．

［4］王国庆．苏州软土地区的基坑支护工程［J］．江苏地质，2001，25(2):111-114．

［5］朱炎兵，周小华，魏仕锋，等．临近既有地铁车站的基坑变形性状研究［J］．岩土力学，2013，34(10):2997-3002．

［6］张文奇．深基坑开挖对临近地铁的影响分析［J］．山西建筑，2013，39(8):63-65．