同深基坑开挖引起紧邻地铁车站变形特性研究

旷庆华

(长沙市轨道交通集团有限公司,长沙　410000)



同深基坑开挖引起紧邻地铁车站变形特性研究

旷庆华

(长沙市轨道交通集团有限公司,长沙410000)

摘要：紧邻已建成地铁车站单侧基坑开挖卸载会引起车站结构不均匀变形,但目前对其变形机制还缺乏系统认识。结合长沙地区某地铁车站工程实例,基于数值方法对同深基坑开挖引起的紧邻地铁车站结构变形发展变化规律进行分析,并讨论有效控制车站结构变形的主要施工措施。研究结果表明,随着开挖深度的增加,地铁车站围护结构水平变形逐渐增大,且增长的幅度逐渐减小；地铁车站主体结构整体刚度较大,对由基坑开挖引起的土体变形传递具有遮拦作用。

关键词：地铁车站；深基坑；围护结构；数值模拟

1概述

随着我国经济的高速发展和城市地面交通压力的日益加剧，地铁建设成为地下空间开发利用的重要手段[1-3]。然而，由于城市土地资源的愈发紧张，越来越多的基坑工程紧邻已建成地铁车站，后建工程的施工必然会对先建工程产生影响[4-8]。基坑开挖使周边土体的地应力进行重新分布，从而引起已建成地铁车站结构产生相应的内力和变形。基坑施工过程中必须采取严格的工程及监测措施，否则可能影响已建地铁车站的正常使用和安全[9]。

近年来，许多学者对此问题进行了相关研究，并取得了一定成果。李志高等[10]通过有限差分法数值模拟，得到了邻近大刚度地铁车站的基坑开挖位移场的位移传递规律。高盟等[11]建立三维数值分析模型模拟基坑开挖过程，并对各种施工方式及施工参数的影响进行了对比分析。曾远等[12]结合具体工程实例，通过数值模拟分析了基坑开挖时各影响因素对已建地铁车站变形的影响。然而，已有研究针对的工程一般具有基坑较浅、地铁车站周边局部卸载等特点，而对于紧邻地铁车站同深基坑开挖引起的变形特性研究尚少。

本文结合长沙地区某地铁车站工程实例，运用ABAQUS有限元软件对同深基坑开挖引起的紧邻已建成地铁车站变形规律进行了数值模拟分析，并讨论了有效控制车站结构变形的主要施工措施，得出了一些有益的结论，可为工程设计与施工提供参考。

2计算模型的建立

2.1工程概况

长沙轨道交通某地铁车站为地下3层三跨岛式车站，外围总长为167.5 m，标准段净宽为23.5 m。车站端头井基坑深度约35.8 m，标准段基坑深度约32.8 m，顶板覆土约3～3.7 m。车站主体结构采用钢筋混凝土三层三跨箱形框架结构，围护结构采用1.0 m厚地下连续墙。车站主体北侧紧邻拟建车站设备区深基坑，拟建深基坑近既有地铁车站侧与原车站基坑共用地下连续墙，远侧则采用短地连墙支护。由于车站设备区部分与地下商业开发项目相接，地面高程以下约10.0 m的土体采用先行共同开挖的方式处理。根据地质详勘报告，车站位于内陆湖相沉积的白垩地层，车站范围内构造形迹不甚发育，岩层层面稳定、产状平缓，岩性以泥质粉砂岩为主。图1为已建成地铁车站与拟建深基坑的平面布置示意，图2为地铁车站新老工程的剖面相对位置。

图1　拟建深基坑与已建成地铁车站平面布置示意

图2　地铁车站新老工程剖面相对位置

2.2边界条件、网格划分及计算参数选择

根据基坑开挖及支护的实际施工过程，采用分析步的方法进行分步开挖卸载、分步支护。第一步：施工地下连续墙，并进行地应力平衡；第二步：北侧基坑开挖至-5 m；第三步：基坑继续开挖至-10 m；第四步：施作第一道钢筋混凝土支撑，并开挖至-17 m；第五步：施作第二道钢支撑，并开挖至-24 m；第六步：施作第三道钢支撑，并开挖至基坑底。支撑参数见表1。

为简化计算，取车站标准段建立二维模型进行分析，有限元网格如图3所示。地基深度取为100 m，分析区域的总宽度取为200 m，以消除边界的影响。在网格的底部，x、y方向的位移均限定为0，分析区域侧边界的x向位移限定为0。土体、地下连续墙采用实体单元模拟，土体共分6层，本构模型采用理想弹塑性Mohr-Coulomb模型，各计算参数由地质详勘报告及相关土工室内试验得到，见表2。车站结构墙、板、柱及钢筋混凝土支撑采用梁单元模拟，本构模型采用线弹性材料，弹性模量E取为25 GPa，泊松比取为0.2；以线弹性杆单元模拟钢支撑，弹性模量E取为200 GPa，泊松比取为0.25。地下结构与土的接触面采用无厚度接触单元模拟。

表1　基坑各道支撑参数

图3　计算模型网格划分

层号土层h/mγ/(kN/m3)Es/MPacu/kPaφ/(°)①杂填土3.319.58.01512②淤泥质粉质黏土1.2184.01310③粉质黏土1.419.97.53520④黏土3.019.96.54118⑤强风化泥质粉砂岩4.520.91104526⑥中风化泥质粉砂岩16.623.93208032

3计算结果及分析

3.1同深基坑开挖对地铁车站围护结构水平变形的影响分析

图4　不同开挖深度时围护结构水平变形曲线

基坑开挖引起周围地层移动主要是由于开挖卸载引起围护结构两侧产生水土压力差，土体进行内力调整，围护结构发生侧向位移，基坑底部土体隆起，从而产生土体位移。图4给出了不同开挖深度时地铁车站围护结构水平变形随地层深度的变化规律。从图中可以看出，随着开挖深度的增加，基坑内外土面高差不断增大，基坑围护结构水平变形逐渐增加，且增长的幅度逐渐减小。围护结构的最大水平位移一般发生在墙顶，且随着地层深度的增加，水平变形逐渐减小。已建地铁车站围护结构主要发生朝向基坑内的位移，而中排短地连墙则发生背向基坑的位移，这主要是由于基坑工程两侧土压力不平衡所导致的。地铁车站近基坑侧地连墙水平变形稍大于远基坑侧地连墙，而中排短地连墙水平变形最小。地铁车站各位置围护结构最大水平变形随开挖深度的变化规律如图5所示。由图可知，随着开挖深度的增加，围护结构最大水平变形增长的趋势逐渐变缓。当基坑开挖至基底时，近基坑侧地连墙顶部向基坑内最大水平位移为16.1 mm，远基坑侧围护结构最大水平位移为15.3 mm，而中排短地连墙背向基坑最大水平位移仅为4.4 mm。

图5　围护结构最大水平变形随开挖深度的变化规律

图6　不同开挖深度时地铁车站结构水平变形曲线

工程的施工质量；

(3)严格控制由围护结构施工引起的土体扰动，从而减小由施工造成的土体强度降低和土体侧向变形；

(4)基坑工程施工过程中加强监测，坚持信息化施工，及时准确地对监测数据进行处理并根据监测结果及时调整施工参数。

5结语

基于ABAQUS有限元软件，建立模拟基坑施工过程的二维计算模型，分析了紧邻地铁车站同深基坑开挖的工程实例，并进行了相关的变形特性及变形控制措施研究。主要结论如下。

(1)随着开挖深度的增加，地铁车站围护结构水平变形逐渐增大，且增长的幅度逐渐减小。围护结构的最大水平位移发生在墙顶，且随着地层深度的增加，围护结构水平变形逐渐减小。

(2)地铁车站结构整体刚度较大，这对由于基坑开挖引起的土体位移传递具有一定的遮拦效应。近基坑侧与远基坑侧由土体开挖引起的车站结构水平位移相差较小。

(3)合理确定土方开挖步序、严格控制围护结构施工引起的土体扰动、加强基坑工程的质量检测和工程监测是控制车站结构变形、降低施工风险的有效措施。

参考文献：

[1]刘勇，冯志，黄国超，等.北京地铁工程深基坑围护结构变形研究[J].地下空间与工程学报，2009，5(2):329-335.

[2]林湘.纵向倒边盖挖逆作法地铁车站设计探讨[J].铁道标准设计，2014，58(8):123-127.

[3]张鹏，刘春阳，张继清.北京地铁车站结构抗震分析[J].铁道标准设计，2014，58(1):97-101.

[4]刘熙媛，闫澍旺，窦远明，等.模拟基坑开挖过程的试验研究[J].岩土力学，2005，26(1):97-100.

[5]何世秀，韩高升，庄心善，等.基坑开挖卸荷土体变形的试验研究[J].岩土力学，2003，24(1):17-20．

[6]刘继国，曾亚武.FLAC3D在深基坑开挖与支护数值模拟中的应用[J].岩土力学，2006，27(3):505-508．

[7]胡恒，朱厚喜，贾立宏.基坑开挖对临近地铁结构基础的影响分析[J].岩土工程学报，2010，32(增1):116-119.

[8]路嘉锦，杨其新，蒋雅君，等.成都某地铁车站基坑施工风险评估与研究[J].铁道标准设计，2014，58(9):114-117.

[9]Kontogianni Villy A， Tzortzis A， Stiros Stathis C. Deformation and failure of the Tymfristos tunnel， Greece[J]. Journal of Geotechnical Engineering， ASCE， 2004，130(10):1004-1013.

[10]李志高，曾远，刘国彬.邻近地铁车站基坑开挖位移传递规律数值模拟[J].岩土力学，2008，29(11):3104-3108．

[11]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.

[12]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(4):642-645.

3.2同深基坑开挖对地铁车站主体结构水平变形的影响分析

地铁车站结构整体刚度较大，这对由于基坑开挖引起的土体变形传递具有一定的遮拦效应。图6给出了不同开挖深度时地铁车站结构水平变形随地层深度的变化规律。从图中可以看出，随着基坑开挖深度的增加，车站结构水平变形逐渐增大，且近基坑侧与远基坑侧结构的水平位移相差较小。车站结构最大水平位移发生在结构顶部，约为13.3 mm，且随着深度的增加，车站结构水平变形逐渐减小。

4施工风险及变形控制措施

地铁车站设备区深基坑施工对邻近轨道交通结构的影响风险较大，应进行严格的施工管理，并制定详尽的应急预案。同深基坑开挖紧邻已建成地铁车站，对既有结构的变形影响是不可避免的，但这种影响的大小与基坑开挖空间大小、开挖施工组织、基坑周边堆载、基坑降水及止水措施效果等众多因素密切相关，因此需要合理确定设计工况及施工方案。

结合本文工程实例，可采取以下变形控制措施有效降低工程施工风险：

(1)严格控制施工工艺，明确土方开挖步序及各道支撑成形时间要求，有效利用时空效应的规律，并尽可能缩短围护结构无支撑暴露时间；

(2)加强基坑工程的质量检测，严格控制各单项

Study on Characteristics of Subway Station Deformation Induced by Excavation of Adjacent Deep Foundation PitKUANG Qing-hua

(Changsha Metro Group Co., Ltd., Changsha 410000, China)

Abstract：Excavation of foundation pit on one side and removal of load may cause differential deformation of the underground structure of adjacent subway station, and its mechanism has not been systematically understood. With reference to the engineering of a subway station in Changsha, numerical method is employed to analyze the variations of subway station structure deformation induced by excavation of adjacent deep foundation pit, and counter measures are discussed to control the deformation of subway station structure. The results show that with the increase of excavation depth, the horizontal deformation of retaining structure gradually increases, while the amplitude of deformation decreases; and the large integral rigidity of the subway station main structure functions to retain the displacement transfer of soil induced by excavation of foundation pit.

Key words：Subway station; Deep foundation pit; Retaining structure; Numerical simulation

中图分类号：TU473

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.029

文章编号：1004-2954(2015)05-0130-03

作者简介：旷庆华(1970—)，男，高级工程师，E-mail：625868837@qq.com。

收稿日期：2014-10-30； 修回日期：2014-12-01