基坑围护设计对邻近地铁结构影响分析

江晓峰

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着城市化进程的加快，建筑用地越来越紧张，在地体车站附近进行工程活动变得不可避免，邻近地铁的深基坑开挖已经成为影响地铁隧道安全的一个重要的因素。当地铁车站、区间等处于基坑开挖的影响范围内，开挖引起的地层扰动会引起地铁结构的附加位移和受力，甚至会引起区间与车站错位，影响正常运营。为此，基坑设计应该在满足强度要求的基础上实现对周边扰动土体的变形控制，以满足保护邻近地铁结构的安全正常使用要求[1-4]。

本文通过对某一基坑的工程实例，探讨在复杂环境条件，周边存在重要保护地铁结构的基坑围护分析和设计。

1 工程概况

1.1 基坑概况

本工程为某雨污水泵站改扩建工程，采用全地下式泵房的布置形式，工程位于宁波市江东区，场地北侧紧邻北侧轨道1号线交通江厦桥东站。泵站基坑分两部分区域：（1）主泵房基坑：基坑尺寸为35 m×19.8 m，基坑面积约为607 m2，为规则矩形，开挖深度13.15 m。（2）变配电间基坑：基坑尺寸为14 m×13.2 m，基坑面积约为148 m2，为不规则形，开挖深度7.25 m。

基坑总平面见图1。

图1 基坑总平面图

1.2 地质概况

基坑开挖及围护影响深度范围内主要地层为①0层杂填土、①1层黏土、②1层淤泥质黏土、②2层黏土、②3层淤泥、②4层淤泥质黏土、③层粉质黏土夹粉土、⑤1层粉质黏土、⑤2层粉质黏土。勘察期间实测地下水位埋深一般为0.70～1.80 m左右，相当于1985国家高程基准1.43～1.74 m之间，见表1。

表1 地层特性表

1.3 地铁车站情况

本次基坑三倍开挖深度影响范围内主要包含地铁车站、车站C出入口、地铁区间三部分。

（1）地铁车站

地铁车站结构体系为15 m×21 m钢筋混凝土结构，埋深约18 m。基础采用天然地基。车站外墙边缘距离变本次开挖基坑边缘约12 m。

（2）车站C出入口

出入口结构体系为38 m×23 m钢筋混凝土结构，埋深约9 m。基础采用灌注桩桩基基础。出入口外墙边缘距离本次开挖基坑边缘约1.8 m。

（3）地铁区间

地铁区间为两个6.7 m圆形混凝土衬砌结构，埋深约16 m。采用盾构法施工，天然地基。区间边缘距离本次开挖基坑边缘约14 m。

1.4 地铁保护控制标准

基坑开挖势必会引起土体侧移，造成临近地铁结构向基坑方向位移。根据宁波地铁轨道交通安全保护部门规定，基坑开挖引起的地铁结构垂直和水平方向位移应小于10 mm，车站与区间的差异沉降应小于5 mm。

2 基坑设计方案

2.1 总体方案

为尽可能减小泵站基坑开挖过程中对地铁车站的影响，需考虑采用刚度较大，整体较好的围护体系，并设置合理的支撑体系。且在开挖顺序上需分区开挖，既先进行主泵房基坑的开挖，等主泵房主体结构完成后，再进行变配电间的基坑开挖，见图 2～ 图 4。

图2 主基坑平面布置图

图3 变配电间基坑平面布置图（单位：mm）

图4 基坑剖面图

2.2 围护结构设计

主泵房开挖深度13.15 m，平面形状为矩形，采用800 mm厚地下连续墙，内设三道水平支撑，第一道为混凝土支撑，其余两道为钢支撑。坑底采用旋喷满堂加固，厚5 m。

变配电间开挖深度7.4 m，考虑原出入口围护桩的影响，采用咬合桩做为围护，内设两道水平支撑，第一道为混凝土支撑，第二道为钢支撑。坑底采用旋喷满堂加固，厚5 m。

3 周边环境影响分析

3.1 计算模型

综合考虑分析问题的合理性、计算速度和模型规模，选用PLAXIS有限元分析软件，并采用二维有限元平面应变模型进行分析。基坑围护分析过程中，针对不同分析对象采用不同的单元类型和本构关系，分析模型的竖向底部采用全自由度约束，侧面采用侧向约束。本次有限元分析分别模拟基坑开挖对地铁车站（见图5）、地铁出入口（见图6）、地铁区间的影响（见图7）。

图5 对地铁车站影响计算模型

图6 对地铁出入口影响计算模型

图7 对地铁区间影响计算模型

3.2 模拟工况

工况1：生成初始应力场；

工况2：模拟地连墙、咬合桩的施工；

工况3：模拟主泵房土体开挖第一层土+施工第一道支撑

工况4：模拟主泵房土体开挖第二层土+施工第二道支撑；

工况5：模拟主泵房土体开挖第三层土+施工第三道支撑；

工况6：模拟主泵房土体开挖到基底+施工泵房底板；

工况7：模拟主变配电间土体开挖第一层土+施工第一道支撑；

工况8：模拟主变配电间土体开挖第二层土+施工第二道支撑；

工况9：模拟主变配电间土体开挖到基底；

3.2 计算结果

图8为在基坑开挖到底后，墙体变形计算结果。从图8中得知，土体水平位移靠主泵站侧最大为20 mm，靠变配电间处最大为16 mm，基本满足一级基坑的变形控制规定。

图8墙体变形计算结果

图9 、图10、图11分别为地铁车站、地铁出入口、地铁区间变形计算结果，最大变形量分别为4 mm、7 mm及3 mm，变形主要方向为向基坑方向的水平位移。变形值基本满足10 mm的控制标准，车站与区间的差异沉降也在5 mm范围之内。

图9 地铁车站变形计算结果

图10 地铁出入口变形计算结果

图11 地铁区间变形计算结果

4 结 语

（1）通过有限元的计算模拟，采用刚度较大的围护体系能有效的控制对地铁车站、出入口、区间的影响基坑自身安全及周边环境的安全是可以保证的。

（2）采用主泵站和变配电间的分区开挖，控制一次基坑开挖的面积，可以进一步减小对周边环境的影响。