深基坑开挖对在建地铁车站变形影响分析

曹 洋

（镇江市公共住房投资建设有限公司 江苏镇江 212000）

1 工程概况

本工程周边环境复杂，北侧地下室外墙边线距用地红线10.10m，红线外为规划道路；东侧为后期用地；南侧地下室外墙边线距用地红线26～40m，地下室外墙边10m左右为已施工完成的8、9号楼（以封顶），红线外为规划道路；西侧地下室边线距用地红线最近约5.0m，红线外为后期待建学校空地。南侧与轨道交通线工程医院站区间相临，地下室外墙边线距用地红线约42.38m。基坑总面积约为9300.00m2，周长420.00m。

2 工程与水文地质条件

场区地貌单元属于长场地地貌单元为长江Ⅲ级阶地，局部有小的冲沟发育，冲沟内分布有可塑状态粘性土。地势较平坦，地面标高变化在29.87～30.68m。拟建场地内未发现断层构造通过，主要地层连续，也未发现新构造运动痕迹，故场地是稳定的，适宜建筑。根据钻探揭露，结合原位测试成果，地质勘察土层范围内主要涉及土层如下：

①杂填土（Qml）：杂色，主要由碎石及黏性土、建筑垃圾等组成，局部为基础和混凝土地坪，堆积时间大于十年，局部为新近回填。

②层粉质黏土（Q4al）：灰褐色夹黄褐色，可塑，含铁锰质氧化物斑点，无摇震反应，切面光滑，干强度中等。

③层粉质黏土（Q3al）：黄褐-褐黄色，局部褐红色，硬塑，含铁锰质结核及灰白色高岭土团块，切面光滑有光泽、无摇振反应、干强度高、韧性高。

④层粉质黏土（Q2al+pl）：浅黄色，硬塑，含少量铁锰质氧化物夹大量灰白色高岭土，稍有光泽，无摇振反应、干强度高、韧性高。

④1层含砾粉质黏土（Q2al+pl）：棕红色，硬塑，含少量铁锰质氧化物，夹少量灰白色高岭土，团块状，砾石含砾约5%，粒径0.5～2.0cm，多呈次圆状。

⑤2层含黏性土粉细砂（Q2al+pl）：浅黄色，中密，饱和，主要成分为石英、长石，含25～40%的黏性土。

⑥卵石（Q1al）：棕黄色，中密，饱和，主要成分为石英、长石，粒径6～9cm，约占50%，其余由粉细砂充填。

⑦1层强风化泥岩（S2f）：棕黄色，结构构造已大部分破坏，岩芯较完整，多呈土柱状，由黏土矿物水云母、高岭石和少量石英、长石粉砂屑等组成。

⑦2层中风化泥岩（S2f）：黄绿色，泥质结构，层状构造，泥质胶结，裂隙不发育。岩芯较完整，多呈柱状、长柱状，节长5～40cm，岩芯采取率80～95%，RQD80～90%，属极软岩类，岩石基本质量等级为Ⅴ类。

各层物理力学参数，见表1。

表1 土层物理力学参数

拟建场地钻探揭露深度范围内地下水类型有上层滞水、孔隙承压水两种：

（1）上层滞水：主要赋存于杂填土①中，受地表水及大气降水的渗透补给，水位及水量随季节变化，未形成统一稳定的水位。勘探期间测得上层滞水稳定水位埋深为1.1～9.2m。

（2）孔隙承压水：与周边湖泊有水力联系，主要赋存于下部粉砂（地层代号⑤-2）和卵石（地层代号⑥）的孔隙之中，水量较丰富，拟建场地内承压水稳定水位其埋深分别为15.8～16.1m。

3 围护结构的选择

本工程基坑围护方案选择时考虑了如下因素：

（1）基坑开挖深度大，安全要求等级高；

（2）基坑距用地红线近，基坑支护结构不能超出用地红线范围；

（3）基坑距离周边建筑物较近，支护结构及周边建筑变形要求高；

（4）局部施工场地有限，不能采用放坡卸土方案。

由于本基坑施工难度较大，必须选择一种确保安全、经济的同时又具有成熟设计与施工经验的基坑围护方案，以达到高效、经济目的。

基坑支护方案选择思路为：受用地红线的限制以及建筑物变形要求高的特点，可供选择的支护方案为灌注桩+内支撑方案、灌注桩+锚杆、悬臂桩方案，其余场地空旷位置采用放坡支护。该方案目前已有很多成功案例[1～3]。靠近地铁车站处支护剖面如图1所示。

图1 支护结构剖面

4 有限元模型分析

根据本基坑与邻近地铁结构的空间立体关系以及基坑工程支护结构设计及施工特点，选取了一个典型断面进行有限元计算分析。MIDAS平面有限元模型中，采用平面应变单元模拟地层、围护结构，采用梁单元模拟车站主体结构[4～5]。计算模型范围以基坑外轮廓为基准，外扩不小于30m（约2倍基坑深度）而建立。有限元模型的边界条件为；模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移。

按照最不利工况原则，根据平面位置关系，现对本基坑选取两个典型较不利剖面进行二维计算：

地下室基坑开挖对地铁工程某医院站的影响分析。模型参数同图2。

图2 有限元分析模型

为反映初始应力状态及施工过程，本次计算共分7个施工步骤进行，如表2。

通过数值计算，车站主体结构的横向位移云图详见图3。

表2 施工工况

图3 工况4车站主体结构横向位移云图（车站主体结构施工完成）

由图3可以看出，车站主体结构完成时，地铁产生约0.0564mm的位移。下一步工况将地铁车站主体结构的位移归零来分析基坑施工开挖期间，车站主体的位移。

图4 工况5车站主体结构横向位移云图（位移重置为零）

图5 工况6车站主体结构横向位移云图（基坑施工灌注灌注桩）

由图5可以发现，基坑施工钻孔灌注桩期间，地铁车站主体产生约0.0316mm的位移，该位移较小，满足设计要求，如图6所示。

当基坑开挖至坑底处时，地铁车站主体的水平位移为0.029mm。根据城市轨道交通结构安全控制指标值（表3）可知，该位移是满足要求的。

图6 工况7车站主体结构横向位移云图（土方开挖，开挖到基底）

表3 城市轨道交通结构安全控制指标值

地铁车站主体结构的竖向位移云图详见图7～10。

图7 工况4地铁区间竖向位移云图（车站主体结构施工完成）

图8 工况5车站主体结构竖向位移云图（位移重置为零）

由图3～10可知：通过利用MIDAS/NX对该项目最不利断面的分析，由基坑二维平面整体水平、支护结构位移以及对地铁车站的变形影响分析的结果可知，该支护体系是合理的。

主要计算分析基坑施工开挖对地铁的影响，由计算结果可知，当完成基坑土体开挖后，车站主体结构的最大水平变形为0.294mm<10mm（向基坑方向）；车站主体结构的最大竖向变形为2.216mm<10mm（沉降）。

图9 工况6车站主体结构竖向位移云图（基坑施工灌注灌注桩）

图10 工况7车站主体结构竖向位移云图（土方开挖，开挖到基底）

5 结论

（1）通过二维模型计算可知，地铁车站结构变形都在可控制范围内。计算结果与理正计算结果相比较偏小，均在合理范围以内，说明设计是合理的。

（2）本基坑方案采用的围护结构安全可靠的，且对周边环境的影响较小。但由于地下工程施工的不确定性和不可预见性，在施工过程中尚需采取相应的技术措施，确保周边地铁的安全。