地铁车站基坑施工对运营明挖区间的影响分析①

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)

0 引 言

随着我国各大、中城市地铁建设的迅速发展，地铁运营线路和里程不断增加，在新线建设中经常遇到新建线路距离既有运营线路的情况，地铁基坑施工不可避免地会对邻近运营地铁结构产生影响，而地铁结构过大的变形将引起自身开裂、渗漏等现象，从而影响结构正常使用，甚至危及运营安全[1]。因此，在地铁深基坑施工中须保证既有运营线路的安全、有效控制运营结构的变形。尤其当基坑距离既有运营结构较近时，如何保证基坑施工不影响既有地铁的正常安全运营，合理进行基坑施工显得尤为重要，结合某城市一邻近运营明挖区间的车站基坑施工进行数值模拟，分析车站基坑开挖对邻近既有地铁明挖区间的变形影响规律，并提出相应的控制措施降低施工影响，以满足运营要求。

1 工程概况

武汉某地铁车站基坑采用明挖顺作法施工，邻近已运营的既有地铁线区间及车站风亭，车站基坑深度约为25.4m，运营线区间及车站风亭距基坑最近距离仅10m，处于车站基坑工程主要影响区[2～3]。基坑围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑的型式，钻孔灌注桩进入中风化泥岩，设置4道内支撑，本基坑重要性等级为一级。基坑开挖中存在运营区间沉降过大影响正常运营的风险。该基坑工程自身风险等级为一级。车站基坑与既有运营区间及车站风亭相对关系剖面如图1所示。

图1 车站总平面图

2 研究方法及计算分析

2.1 三维计算模型及参数

在连续介质模型的理论依据的基础上,采用MIDAS-GTS有限元软件建立车站基坑、围护结构、运营明挖地铁区间及周围土体的三维有限元模型，计算基坑每步开挖的变形量并分析基坑开挖对邻近运营地铁明挖区间的影响。

根据车站基坑开挖及邻近区间结构尺寸的大小，考虑模型的双对称性，取1/4结构立体模型，根据文献[4]，并综合考虑三维计算模型的工程实际情况、单元数量和计算速度，模型水平方向上的距离采用2倍的开挖深度，在竖直方向上的距离采用约3倍的开挖深度。最终模型的尺寸土体计算范围为：80m×80m×70m,模型侧面限制水平位移，底部限制垂直位移，模型上面为地面，取为自由面；三维有限元模型如图2 所示:

图2 三维有限元模型

围岩的计算力学模型选用修正剑桥模型(Modified Cam-Clay)，简称MCC模型，为等向硬化的弹塑性模型，为应用最为广泛的软土本构模型之一，其屈服函数曲线如图3。

图3 修正剑桥模型的屈服函数

模拟过程中主要考虑土体自重和基坑周边的超载情况，地层压力的初始应力场由自重产生。模型中考虑基坑边20kPa的超载及地下水的影响。

土体采用实体单元模拟，采用等效刚度法将围护桩等效为地下连续墙，内支撑均采用梁单元进行模拟，墙体采用板单元进行模拟。土体根据地勘报告资料共设为六层，从上到下依次为素填土、黏土、强风化泥岩、中风化泥岩。计算中对模型作适当简化，直径1200@1500mm的钻孔灌注桩按刚度等效为每延米934mm厚的板进行模拟。

2.2 基坑开挖施工引起的影响分析

选取当基坑开挖至坑底时的工况，模型X方向水平位移图、Y方向水平位移图、竖向位移图、开挖导致运营区间及风亭位移图，如图4～图7所示。

根据计算Midas有限元软件计算分析，基坑开挖到基底时，基坑X方向(运营区间横向)最大水平位移约2mm，基坑Y方向(运营区间纵向)最大水平位移约5.6mm，基坑最大竖向位移约8.6mm，运营区间及风亭最大竖向沉降为2mm。基坑主要表现为坑底卸载回弹，带动坑外土体朝基坑下部位移，进而引起运营区间及风亭沉降。该结果参照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)的规定，地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm要求[5]，故文中车站基坑开挖对运营线区间及风亭的影响在规定范围内风险可控。

图4 X方向(区间横向)水平位移图

图5 Y方向(区间纵向)水平位移图

图6 竖向位移图

图7 开挖导致运营区间及风亭位移

为了进一步控制风险，基坑开挖前可以对基坑侧壁与明挖区间之间土体进行加固，或在靠近运营侧增加基坑支护刚度[6]，基坑与运营结构之间增加测斜监测，基坑施工时应联合运营线相关单位加强施工过程中的监测，根据监测结果进行信息化施工，并做好施工应急预案，保证基坑开挖过程运营线路相关设施的安全。

3 结 论

通过建立车站深基坑与运营区间相对位置关系的整体有限元模型，对基坑开挖施工过程进行数值模拟分析，可以得出如下结论：

(1)车站基坑开挖主要引起坑内卸载，坑底土体回弹和侧壁朝坑内位移，坑外土体在内外压差的情况下，绕围护桩底朝坑内位移，引起明挖区间结构沉降；

(2)基坑开挖前，可对基坑与区间之间土体进行加固，控制基坑隆起量和侧向变形，或通过增加靠近运营侧车站基坑的围护结构刚度，可增大钻孔灌注桩桩径、减小桩距及加密内支撑的形式，减少基坑开挖的变形量；

(3)基坑开挖应遵循时空效应分层、分段、分块施工，并在开挖影响范围内加强基坑及运营结构监测，控制变形，确保基坑稳定及运营结构安全。

参考文献:

[1] 陈盨,孙斌彬,顾凤祥,等.基坑工程施工对邻近地铁结构影响研究现状与展望[J].江苏大学学报(自然科学版),2018,39(1):108-114.

[2] 郑刚,杜一鸣,刁钰,等.基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究[J].岩土工程学报,2016,38 (4),171-175.

[3] GB50911-2013.城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[4] 赵锡宏,杨国祥.大型超深基坑工程实践与理论[M].中国建筑工业出版社,1996.

[5] CJJ/T 202-2013.城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2013.

[6] 郭永发,杨翔,叶林,等.某基坑支护方案对相邻地铁区间的影响分析[J].地下空间与工程学报,2015,11 (6),726-731.