连接通道施工对既有地铁结构的变形影响分析

黄玲 颜波

（广东省建筑科学研究院集团股份有限公司 广州510500）

0 引言

随着我国城市化进程加快，城市地铁建设已呈井喷式发展，成为了解决城市人口、交通、环境三大问题的重要措施。而将地铁出入口引入到周边商业建筑中，不仅能解决地铁出入口人员疏散问题，也能增大周边建筑的客流量，为周边商户带来更大的经营效益［1］。因此，将地铁出入口与周边商业建筑结合是目前地铁工程或商业建筑建设的一种趋势。

目前地铁周边新建工程的研究主要为新建轨道交通工程或建筑对既有地铁结构的影响分析［2-4］，而对连接通道施工的研究较少。本文将结合某既有车站增设周边商业建筑通道的改造项目，研究连接通道开挖全过程对既有地铁车站出入口、风井、车站主体结构和隧道结构的影响，以期更好地指导连接通道的施工及监测。

1 工程概况

广州某地铁连接通道项目是用于连接某高层商业综合体负2层与地铁车站出入口的结构。其中，地铁车站总长248m，共设4个出入口通道，2组风道，其中1个出入口通道和1组风道与连接通道改造项目相邻。车站位于十字路口下，道路宽为30m，双向六车道，路面车流量不大。某高层商业建筑为地上1栋21层，地下4层的已建项目。拟建地下通道与地铁结构和商业建筑的位置示意图如图1所示。

图1 连接通道与既有结构平面关系图

拟建连接通道的结构形式为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，采用明挖顺作法施工，外包宽5.50m（通道净宽 4.5m），外包长度 10.8m，总建筑面积 59.4m2，开挖最大深度12.4m。基坑围护结构采用钻孔灌注桩加单管旋喷桩桩间止水，钻孔灌注桩直径0.80m，桩心距 0.95m，总计 18 根，成孔最大深度－4.95m，桩长 16.45m，桩顶设 800×700混凝土冠梁，基坑范围内设置1道500×700的水平混凝土支撑，间距3.2m布置1道，采用C20喷射混凝土封堵。基坑外围的止水单管旋喷桩为φ600，深度为进入相对不防水层即可塑状粘性土1.0m，桩数总计20根。

2 计算模型

2.1 模型建立

模型边界条件上部地面为自由面，底部边界固定，左右前后4个面将限制X与Y方向的位移，路面车流和周围的建筑物将给予一定的压力荷载。同时基于有限元的技术原理，模型建立在以下假设的基础上：

⑴ 以地层约束和自重作为初始应力场，并考虑地下水的影响；

⑵ 地铁结构周边建筑物与车流简化为附加压力荷载考虑，单层建筑为 20kPa，车流为 10kPa［5］；

⑶ 根据刚度等效原理，将基坑开挖前的旋喷桩等结构的圆桩等效为方桩，并与冠梁等结构一起模拟为地下连续墙，选用壳单元，采用弹性模型；基坑中的混凝土支撑等选用梁单元，采用弹性模型；

⑷ 将盾构管片视为均质圆环，采用二维梁单元来模拟，对于管片之间的接头作用将通过弱化管片的弹性模量来模拟，弹性模量折减系数取0.8；

⑸ 模型中土体运用实体单元来模拟，模型周围的土层变化不大，根据土层均一化原则，并运用修正摩尔－库伦模型来赋予属性。

因此，以下将根据上述假设等效的结构边界条件，结合工程的实际断面形式建立计算模型，如图2所示，研究基坑开挖对既有地铁结构的影响。

图2 三维有限元计算模型

2.2 计算参数

计算中土体材料参数的选取是在重点参考勘察报告的基础上，结合相关工程经验及文献资料，土体物理力学参数综合选取见表1。地铁车站结构混凝土结构的计算参数可参照GB 50157－2003《地下铁道设计规范》［6］和 GB 50010－2010《混凝土结构设计规范》［7］进行选取。不同的混凝土选用不同的弹性模量，泊松比可按照0.2采用。

表1 岩土体物理力学参数

2.3 计算工况

模型计算主要分析基坑开挖过程对既有邻近地铁车站结构的影响，主要包括基坑开挖卸载及基坑开挖降水改变的车站结构受力和变形。根据设计提供的施工开挖参照为：支护旋喷桩施工→第1层土方开挖→混凝土支撑施工→第2、3层土方开挖。

表2 基坑施工动态模拟计算工况

根据计算特点，组合各种影响因素，选取最不利的条件，基坑采用表2的计算步骤进行动态施工模型分析，以考察不同影响因素对既有地铁结构的变形和力学特性的影响。

在计算过程中，将分别模拟基坑开挖过程中，基坑周围不降水和基坑第2步开挖时周围降水至-3m的情况。

3 计算结果分析

3.1 地铁出入口

当地下水位保持不变时，在基坑施工开挖完成后，靠近拟建连接通道的地铁出入口底板上有最大的变形。在不同的计算步骤下，该观测点在不同方向的位移变形如图3a。可见，由于该观测点位于新建连接通道附近，水平方向的变形较小，主要表现为竖向变形，最大的Z方向变形不大于1mm。其次，混凝土支撑施工时，该观测点在不同方向的位移变形几乎保持不变。由此可见，支撑结构施工对地铁结构的影响较小。

3.2 隧道风井

靠近新建连接通道的地铁风井侧墙在基坑开挖完成后有最大的变形，其在不同的计算步骤下，不同方向的位移变形曲线如图3b。可见，随着基坑的开挖，不同方向的位移变形先减小后增大，最大的位移变形主要表现为竖直方向，不大于0.8mm。其次，由于该观测点位于开挖基坑的右上方，其水平方向变形表现为逐步向基坑处偏移。

图3 在不同计算步骤下的变形曲线

3.3 车站主体结构

车站主体结构在靠近拟开挖通道，与风井连接的侧墙上有最大的总位移变形，在不同计算步骤下的变形曲线如图3c。可知，由于车站主体结构位于开挖基坑的左侧，车站主体结构主要表现为X方向的水平变形，最大值为-0.10mm。

3.4 盾构隧道结构

左线盾构隧道结构的左侧拱腰处在基坑开挖完成后有最大的总位移变形，其在不同计算步骤下的变形曲线如图3d。可见，盾构隧道结构在不同方向的变形均较小，最大值为X方向变形但不大于-0.06mm。这是由于隧道结构离开挖基坑较远，在地下水为保持不变的情况下，对盾构隧道的影响较小。

3.5 地下水位下降

考虑基坑在第2步开挖时，地下水位控制不当，假设由原来的-1.21m降为-3m，地铁结构在基坑开挖后变形最大点在不同方向的变形情况见表3。可见，地下水位的下降将使地铁结构的位移增大，主要表现为Z方向变形。其中，由于地铁出入口最靠近开挖基坑，其变形最大，Z方向位移为-6.98mm。根据CJJT 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》［8］，该变形未超过隧道竖向位移预警值10mm。

由图3和表3可知，在基坑施工过程中，需要严格控制好基坑周围水位的下降幅度，避免地铁结构产生过大变形。其次，应对地铁出入口侧墙及底板，隧道风井和车站主体结构侧墙，两线隧道拱腰等结构的水平X方向和竖直方向的位移变形进行日常监测，以及时监测异常变形。

4 结论

本文以广州某在建的地铁连接通道项目为例，对基坑开挖全过程对既有地铁结构的影响进行数值模拟计算分析，主要有以下结论

：

⑴ 在地下水位保持不变时，靠近开挖基坑的地铁结构主要表现为沉降变形，且位移影响较大；而离开挖基坑较远的结构影响较小，主要表现为向基坑侧偏移的水平变形。

⑵ 开挖基坑的支撑结构施工时，地铁各结构在不同方向的位移变形几乎保持不变，即对地铁结构的影响较小。

⑶ 地下水位下降将使地铁结构的位移变形增大，且主要表现为沉降变形。因此，在基坑施工过程中应避免过度抽水，严格控制地下水位的下降幅度。

⑷ 建议对地铁出入口侧墙及底板，隧道风井和车站主体结构侧墙，隧道拱腰等结构的水平方向（X方向）和竖直方向的位移变形进行监测。

［1］李焜，向超文，刘铮，等.地铁出入口与周边建筑物结合设计要点［J］. 建筑，2014（23）

［2］刘浩.既有隧道上新建高层建筑对其影响的测试分析［D］.长沙：中南大学硕士学位论文，2009

［3］左殿军，史林，李铭铭，等.深基坑开挖对邻近地铁隧道影响数值计算分析［J］. 岩土工程学报，2014（S2）

［4］刘一帆.连接通道施工对地铁车站结构的变形影响及施工优化分析［D］.北京：北京交通大学硕士学位论文，2014

［5］小泉 淳.盾构隧道管片设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010

［6］GB 50157-2003 地下铁道设计规范［S］

［7］GB 50010-2010 混凝土结构设计规范［S］