地铁结建车站零距离近接基坑施工安全研究

吴 波

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610031)

1 前言

近年来，随着我国城市地下空间不断拓展，建设规划逐步趋于网络化，以联系周边既有地下空间，达到地下空间合理开发、经济效益的最大化。零距离近接、连通接驳、竖向增层、以小扩大、多维拓展等各式各样的拓建方式层出不穷。但地下空间施工不同于一般地上工程，施工环境复杂，风险较大，施工作业的安全性控制要求高。对于近接施工的地下结构而言，由于既有结构的存在，增加了施工环境的复杂程度，新建工程的施工破坏了邻近既有结构原有的平衡状态，其施工风险更大，不仅涉及新建结构的施工安全，还需保证既有结构的安全稳定，施工方案的实施需要进一步的研究探讨，采取合理的控制措施为施工的安全性做保障。

针对近接工程的施工安全性分析，国内外学者开展了大量的研究，并提出了相应的处理措施。沈小辉[1]等对北京某双矩形区间隧道密贴下穿既有地铁车站工程暗挖隧道动态施工过程进行数值仿真模拟，指出千斤顶工法为优先考虑的工法，并给出了千斤顶工法下既有车站轨道结构典型的双峰形态沉降槽。李清菲[2]对青岛某即将修建的线路下穿既有车站进行数值分析，研究在硬岩地区新建线路采用型钢格栅密贴下穿及采用CRD法近距离下穿2种方案引起的既有站底板位移变化的规律。朱正国[3]对新建区间隧道零距离下穿既有地铁车站不同开挖工法及周围地层不同加固范围等施工方案进行数值模拟，分析了既有车站轨道沉降、结构应力及新建区间隧道周边变形、结构受力特点及规律。杜建华[4]等以北京地铁10号线国贸—双井区间下穿地铁1号线为工程背景，建立数值计算模型，对垂直下切穿越既有隧道过程中新旧隧道的受力、变形及地表沉降规律进行研究。陈彬科[5]等以重庆某新建地铁下穿既有轨道车站为工程研究背景，对新建地铁分别采用CRD法和上下台阶法施工进行数值模拟，分析对比下穿轨道工程案例中既有轨道车站结构的沉降变形与应力变化规律。

现有研究主要侧重于新建地铁区间下穿对既有地铁车站、新建地铁车站对既有地铁车站、新建地铁车站对既有地铁区间或者邻近基坑工程开挖的施工影响分析，而对于零距离近接基坑开挖施工及对既有车站的影响研究相对较少。本文以天津地铁5号线思源道站结建工程零距离近接基坑开挖为背景，采用有限差分软件FLAC3D建立数值计算模型，对零距离近接基坑开挖施工的安全性以及基坑开挖对既有车站的变形力学行为进行分析，评价现有施工方案的合理性，探讨零距离近接施工的安全性和既有地铁车站结构的受力是否满足要求，并为后续类似工程提供参考。

2 工程概况

本工程分布于思源道车站主体结构东西两侧，基坑为不规则形状，东侧基坑开挖面积约1.25万m2，西侧基坑开挖面积约0.85万m2。基坑围护结构采用地下连续墙加内支撑的支护形式，墙厚800 mm，地下连续墙止水深度32 m，墙趾设计标高-35.22 m。墙顶设置钢筋混凝土冠梁，内支撑为三道混凝土支撑，均为环形辐射支撑体系，东侧设置两个环梁支撑体系，大环梁直径为82 m，小环梁直径40 m；西侧设置一个环梁，环梁直径72 m。基坑施工现场见图1。

图1 基坑施工现场

3 建立数值模型及工况设置

3.1 基本假定

在最大程度还原工程实际的基础上，对地层和结构进行简化处理，以方便建立模型和网格划分，采用如下基本假定:(1)忽略地形及地层分界线起伏，地表及各土层均按水平均质层状分布考虑[6]；(2)地层条件考虑为最不利地质钻孔的情况；(3)基坑开挖前存在的初始应力场只考虑地层及结构自重；(4)忽略施工误差及施工降水的影响；(5)不考虑施工扰动引起土体参数的变化；(6)内支撑截面尺寸统一取最不利截面尺寸。

3.2 模型建立

本文采用软件建立模型对天津地铁5号线思源道站结建工程零距离近接基坑开挖施工进行分析为减少边界效应对计算的干扰，模型整体尺寸取为550 m×550 m×90 m。车站主体结构及连续墙采用弹性本构模型，各土层采用摩尔-库伦本构模型。以实体单元模拟。模型的边界条件:底部和左右前后四面均施加法向约束，切向自由；地表保持为自由面。数值模拟所需参数如表1和表2所示。数值模型如图2所示。

图2 整体计算模型

表1 地层物理力学参数

表2 结构及支护体系材料参数

3.3 计算工况

为保证既有车站两边基坑开挖状态一致，以维持既有车站的稳定与施工安全，实际开挖施工工序遵循“先撑后挖、分区分层、对称开挖”的原则，基坑竖向开挖总深度为15 m，分四层进行逐步挖除，第一层开挖2.2 m，第二层开挖4.2 m，第三层开挖4.1 m，第四层开挖4.5 m。

为方便计算，简化施工顺序，模型不进行分区开挖，东西两侧各区同时进行，以达到对称开挖的目的。为保证与实际开挖类似的效果，圆形中心岛比周围土体延后一层开挖。由于开挖前会进行降水处理，使地下水位在开挖面以下1 m以上，故不考虑地下水的影响。为尽可能还原基坑开挖的实际施工过程，本计算共设置7个计算工况，各工况的施工内容如表3所示。

表3 数值模拟工况

4 计算结果分析

4.1 施工安全性及影响分析

图3为基坑开挖完成后基坑内部及周围地层竖向位移云图。

图3 开挖完成基坑内部及周围地层竖向位移云图

通过计算发现，基坑开挖对周围地层的竖向位移影响较小，地层竖向变形主要集中在基坑内部，表现为竖向隆起，沿基坑四周向中心靠拢隆起量逐渐增大，开挖深度越大的地方隆起量越大。基坑开挖完成时，基坑内部隆起量达到1.16 cm，如图3所示。施工中需要采取措施抑制基坑内部隆起，并及时进行后续新建地下结构的施工，减少基坑的曝露时间。

图4为基坑开挖过程中地下连续墙的受力及变形曲线，由基坑围护体系的受力及变形可知，除支撑柱沉降以外，其他内力和变形均随基坑开挖而增大，且构件存在差异，但变化趋势略有不同。基坑开挖过程中，地下连续墙的最大拉应力为0.782 MPa，最大剪应力为0.563 MPa；由地下连续墙的侧向变形可知，基坑周边的收敛变形最大值为2.635 cm。通过分析支撑体系的受力和变形可知，基坑开挖过程中内支撑的弯矩峰值达到5 682 kN·m，轴力峰值达到2 024 kN，支撑柱所受轴力最大为669 kN，仍在支护体系可承受的范围内，支护体系未出现破坏；内支撑的最大隆起量为0.719 cm，最大沉降量为4.290 cm；支撑柱的竖向位移主要表现为隆起，最大隆起量为1.313 cm，均在允许范围内，支护体系未出现失稳的情况[7-9]。

图4 基坑开挖过程中地连墙应力及侧向位移变化曲线

4.2 基坑开挖对既有车站影响分析

图5为基坑开挖完成时既有天津地铁思源道站应变云图。

图5 基坑开挖完成时既有地铁站的应变云图

计算结果表明，基坑开挖使得既有车站结构的拉应力、剪应力以及应变均有所增加。既有车站拉应力最大值分布在一些角隅处，其余部位拉应力分布较为均匀；既有车站结构的剪应力最大值分布同样位于角隅处，顶板和侧墙的剪应力也较大，应变最大值出现在既有车站底板，基坑开挖时既有车站应变增加，但应变范围缩小，由几乎遍布整个顶板缩小到车站的两端一定范围内，如图6所示。随着基坑开挖，既有车站各部位的应力和变形均逐渐增大；拉应力顶板增幅最大，达到0.768 MPa，柱子增幅最小，只有0.220 MPa；而剪应力依然为顶板增幅最大，达到0.344 MPa，柱子增幅最小，只有0.114 MPa；应变底板增幅最大，达到0.003 18%，中板增幅最小，基坑开挖完成时，既有车站的最大拉应力为1.052 MPa，最大剪应力为0.563 MPa，均满足原设计要求，基坑开挖过程中，既有车站结构未遭到破坏[10-12]。

图6 基坑开挖过程中既有车站结构应力变化曲线

5 结论和建议

本文采用数值模拟方法研究了天津地铁5号线思源道站结建工程零距离近接基坑开挖施工过程，主要结论如下:

(1)基坑开挖过程中，地下连续墙的拉应力及剪应力峰值为0.782 MPa，最大剪应力为0.563 MPa，均小于地下连续墙的容许应力，地下连续墙未出现破坏。

(2)基坑开挖过程中，内支撑受到的最大弯矩为5 682 kN·m，最大轴力为2 024 kN，支撑柱所受轴力最大为669 kN；内支撑的最大位移量为4.290 cm，支撑柱的最大位移量为1.313 cm，均在支护体系可承受和允许范围内，支护体系未出现失稳和破坏。

(3)基坑开挖完成时，既有车站结构的最大拉应力为1.052 MPa，最大剪应力为0.563 MPa，均满足原设计要求，基坑开挖未对既有车站结构造成破坏。

(4)根据地下连续墙的侧向变形量，基坑开挖过程中，基坑收敛位移量最大为2.635 cm，基坑变形在允许范围内，处于稳定状态。