临近地铁车站软土基坑施工方案分析与研究

周小明

（青岛海洋地质研究所，山东 青岛 266071）

随着我国城市轨道交通建设迅猛发展，目前民建、商业类建筑工程基坑开挖临近地铁，已成为一种常见工程问题.基坑开挖临近地铁主要为基坑临近地铁隧道[1-7]，相对于临近地铁隧道类型，基坑开挖临近地铁车站现象相对较少.近年来，关于临近地铁车站基坑开挖的研究主要有：丘建金等[8]运用三维数值分析方法对超深基坑巨型桩施工前、后各工况进行详细分析，并据此在桩基施工前采取一系列治理措施，并监测数据验证了所采取的治理措施对地铁车站变形控制的效果；袁运涛等[9]从设计及施工的角度论述在基坑开挖过程中所采用的各种方法，结合实测结果证实其有效性；朱炎兵等[10]通过36组二维有限元数值模拟，研究了不同参数（基坑与地铁车站距离D，基坑开挖深度eH）组合下临近既有地铁车站的基坑变形性状，并与邻近无车站时的基坑变形性状进行对比分析；邵晶晶等[11]介绍了MJS和RJP工法在上海地区某临近地铁车站超深基坑工程中的应用情况；侯凯[12]结合监测数据，通过有限元计算，分析基坑开挖施工力学特征及对邻近地铁车站的变形影响；此外，一部分学者对邻近地铁车站基坑开挖进行了相关研究[13-15].随着我国轨道交通建设的快速发展，基坑与地铁同时实施也成为一种常见现象，上述研究主要研究基坑开挖对临近既有地铁车站影响，少部分涉及基坑与尚未建成的临近地铁车站的关系，本文以此为出发点，研究基坑与临近地铁车站施工顺序，对完善该方面研究有着一定的积极意义.

文章以某临近地铁车站的软土基坑工程为背景，运用有限元方法动态模拟基坑开挖过程，对不同施工方案进行优化分析，提出合理的施工方案.

1 工程概况

文中所研究的民用建筑基坑和地铁车站相对位置关系如图1所示.民用建筑基坑为地下三层结构，开挖深度大于14.4 m，最大开挖深度达15.8 m，地下室底板标高为-14.35 m，底板厚度为0.40 m，素混凝土垫层厚度为0.20 m，地下一、二层标高分别为-6.750 m和-10.55 m.基坑围护结构采用钻孔灌注桩，桩长35 m，根据有关规定和周围环境特点，民建基坑工程安全等级为一级，基坑工程安全等级重要性系数为1.0.地铁车站为地下三层双柱三跨箱型结构，共设4个出入口及2组风亭，车站基坑宽度为26 m，开挖深度约为26 m，主体围护结构采用1000 mm厚地下连续墙.

图1 基坑与地铁车站相对位置关系平面图

2 基坑施工影响分析

地铁车站地下连续墙距基坑最小净距约为20 m，该净距所在断面为最不利断面，文中选取该断面进行分析.

2.1 计算模型

采用PLAXIS2D进行二维有限元分析，相对于其他有限元分析软件，该软件特有的HS和HS-small模型能够很好地模拟基坑开挖土体变形机理.计算模型如图2所示，计算中取民建基坑宽度的一半（88 m）进行分析，民建基坑和车站基坑最大开挖深度约15.8 m、26 m，考虑边界效应，整个模型长度取140 m，高度取65 m.模型中地铁车站基坑围护结构为地下连续墙+3道混凝土支撑+3道钢支撑，第一、二、三道支撑分别距地表1.5 m、6.5 m和11 m.

图2 二维有限元计算模型

模型底部水平和竖向施加固定约束，两侧则施加水平约束.模型单元采用平面应变15节点单元.土体选用Hardening soil model模型模拟，围护结构采用板单元模拟（依据等效刚度法将非连续桩体等效为连续板单元进行分析），坑内支撑采用Anchor单元模拟，等效长度取基坑长度的一半，即85 m，方向取0°，支撑间距取5 m.

2.2 计算参数

模型中土体物理力学参数取值列于表1中，其它材料参数列于表2中.

表1 二维模型中土体物理力学参数

表2 其它材料计算取值

2.3 模拟方案与施工步设置

民建基坑和车站基坑存在施工顺序的问题，本次计算选用2种方案进行模拟：方案一为民建基坑和车站基坑同步开挖，方案二为民建基坑先于车站基坑开挖.

对于方案一，具体施工步设置如下：①初始应力状态，采用K0法，生成初始地应力；②施工民建基坑围护结构和车站基坑地下连续墙；③分别开挖民建、车站基坑第一层土体至-5.0 m、-4.5 m；④施工民建基坑第一道支撑，并开挖第二层土体至-10.0 m处，同时施工车站基坑第一道支撑并开挖其第二、三层土体至-13.5 m处；⑤施工民建基坑第二道支撑，开挖其第三层土体至-15.8 m处，激活车站基坑第三道支撑并开挖其第四、五层土体至-22.5 m；⑥施工民建基坑第三道支撑，同时开挖车站基坑第五道支撑并开挖其第六层土体至-26 m；⑦施工车站基坑第六道支撑.

对于方案二，施工步设置如下：①初始应力状态，采用K0法，生成初始地应力；②施工民建基坑围护结构；③开挖民建基坑第一层土体至-5.0 m处，施工其第一道支撑；④开挖民建基坑第二层土体至-10.0 m处，并施工第二道支撑；⑤开挖民建基坑第三层土体至-15.8 m，施工第三道支撑，同时激活车站基坑地下连续墙；⑥施工民建基坑底板，同时开挖车站基坑第一层土体至-4.5 m；⑦拆除民建基坑第三道支撑，同时施工车站基坑地下连续墙；⑧施工车站基坑第一道支撑并开挖其第二层土体至-9.0 m；⑨施工民建基坑的B2板，同时施工车站基坑第二道支撑并开挖其第三层土体至-13.5 m；⑩施工民建基坑第二道支撑，同时施工车站基坑第三道支撑并开挖其第四层土体至-18.0 m；11○施工民建基坑B1板，同时施工车站基坑第四道支撑并开挖其第五层土体至-22.5 m；12○拆除民建基坑第一道支撑，同时施工车站基坑第五道支撑并开挖第六层土体至-26 m；13○施工民建基坑B0板，同时施工车站基坑的第六道支撑.

3 计算结果与分析

3.1 方案一计算结果

方案一下不同施工阶段土体水平、竖向位移云图如图3、图4所示.民建基坑和车站基坑同时施作地下围护结构，土体水平位移最大值为0.43 mm，最大竖向位移值为1.14 mm，水平和竖向位移很小；开挖民建基坑和车站基坑第一层土体至设计标高，位移增幅较为明显，最大水平位移和竖向位移分别为41.5 mm、68.03 mm；民建基坑和车站基坑开挖完成后，最大水平位移和竖向位移分别为105.35 mm、184.81 mm，基坑变形稳定值远大于一级基坑的设计变形控制标准，不满足要求，故同步开挖风险较大.

图5为方案一下土体最大水平位移、竖向位移随施工步变化曲线，由图5可知，最大水平和竖向位移随施工步变化趋势基本一致，施工步3、5和6下土体位移变化量较其他施工步大.

由图 3（f）、图 4（f）和图 5 可知：①施工结束后民建基坑围护结构水平位移和竖向位移分别为-105.35 mm和-21.18 m，车站基坑左侧围护结构水平位移和竖向位移分别为-49.06 mm和-61.77 mm，车站基坑右侧围护结构水平位移和竖向位移分别为-93.85 mm和-23.19 mm；②民建基坑围护结构最大水平位移在围护墙踢脚处，向坑内方向，土体位移稍大于围护结构变形，民建基坑开挖面积较大，坑底侧向位移大于车站基坑，达到了105.35 mm.车站基坑围护结构最大位移为93.85 mm；③结合杭州地区以往基坑开挖案例，基坑最大水平变形值基本在50 mm左右，因依托工程为双基坑开挖，数值计算结果稍大于杭州地区基坑工程变形值，但差异不大，表示计算结果符合规律.图6为民建基坑与车站基坑围护结构稳定位移沿深度分布图.

图3 方案一下不同施工步下土体水平位移云图

图4 方案一下不同施工步下土体竖向位移云图

图5 方案一下土体位移最大值随施工步变化曲线

3.2 方案二计算结果

方案二下部分施工步下土体水平、竖向位移如图7、图8所示.由图7、图8可知：①民建基坑地下围护结构施工时变形较小，土体水平、竖向位移最大分别为0.06 mm和1.14 mm；②民建基坑向下开挖，土体变形逐渐增大，开挖至坑底时，土体水平、竖向位移最大值分别为53.17 mm、37.19 mm；③随后车站基坑开始施工地下连续墙并进行土体开挖，同时民建基坑拆除支撑并施工内部结构楼板，直至车站基坑开挖至坑底，在这一大阶段，土体水平位移增量较小（1.12 mm）.由此可见，方案二下，民建基坑拆撑及施工内部结构楼板，对车站基坑影响较小，变形可控.

图9为方案二下土体最大水平位移、竖向位移随施工步变化曲线.由图9可知，最大水平和竖向位移随施工步变化趋势基本一致，民建基坑开挖阶段土体位移变化量大.两种方案引起的土体变形差异主要有：①方案二较方案一，土体水平位移和竖向位移大幅度减小，其中最大水平位移减小幅度约为50%，最大竖向位移减小幅度高达67%左右；②后期最大水平位移和竖向位移变化趋势有一定的差异，在地铁车站基坑开挖阶段，最大竖向位移继续增大，而最大水平位移变化很小.

图6 方案一下民建基坑和车站基坑围护结构稳定位移分布

图7 方案二下不同施工步下土体水平位移云图

图8 方案二下不同施工步下土体竖向位移云图

图9 方案二下土体位移最大值随施工步变化曲线

4 结 论

基坑工程临近地铁尤其是临近地铁车站问题是岩土工程领域一个较热门的研究课题，结合某临近地铁车站的软土基坑工程，通过二维数值模拟得到以下几点结论：

1）两个基坑同步开挖，土体变形很大，基坑结构稳定值较大，远大于一级基坑的设计变形标准，不满足设计要求，同步开挖风险较大.

2）同步开挖中，2个基坑第二、三层土体及车站基坑的第六层土体开挖引起的土体变形较其他施工步要明显.

3）基坑围护结构计算值与类似工程中围护结构变形监测值相近，说明了计算模拟的可靠性.

4）民建基坑先于车站开挖，民建基坑拆撑及施工内部结构楼板，对地铁基坑的影响较小，变形可控.

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