新建基坑对邻近在建地铁车站结构的影响研究

邢崴崴

(南京地铁建设有限责任公司， 江苏 南京 210000)

目前，大多数浅埋地下工程采用明挖法施工，开挖中会对周边土体的初始应力场产生扰动，当该扰动传递到邻近地下结构时，可能诱发邻近地下结构变形。针对基坑施工对坑外既有隧道产生的变形影响，郑刚等利用土体小应变刚度特性有限元法，得到了基坑开挖过程中不同围护结构变形模式和最大水平位移条件下邻近既有隧道变形的影响区域。贾夫子等针对基坑开挖过程中邻近既有地铁车站与隧道区间不均匀沉降开展研究，得到了基坑开挖引起的地铁车站和区间隧道沉降差与水平位移差的比值。胡海英等通过研究基坑开挖诱发的地层变形在周边岩土体内的传递路径，得出了基坑开挖对邻近隧道的作用并不是单一的卸载作用，有时会增加隧道围压的结论。左殿军等通过数值模拟研究了基坑开挖对邻近盾构隧道位移的影响，得出地表沉降、隧道位移随基坑开挖深度增大而变大，且在基坑内支撑间距离较大时，沉降与位移增加速率较大。魏纲研究了基坑开挖对下卧既有隧道竖向变形的影响，得到了计算隧道最大隆起值的经验公式。为分析基坑开挖对周围管线的影响，谢雄耀等结合有限元数值分析方法和现场监测数据，得出使用MJS工法进行土体加固具有良好效果。针对目前基坑开挖对邻近隧道影响研究中存在的三维有限元建模复杂、耗时长的缺陷，张治国等提出了可用于基坑开挖对邻近地铁隧道纵向变形影响分析的理论方法。黄宏伟等采用有限元软件对基坑开挖诱发下卧隧道变形开展研究，得出基坑开挖对下卧隧道影响区域约为6倍基坑宽度。文献[9-11]研究了基坑开挖过程中邻近既有隧道的变形和应力分布特征。上述研究主要针对新建基坑对已建成地铁结构的影响，对新建基坑对在建地铁车站影响的研究较少。该文以南京地铁7号线在建永初路车站附近某新建基坑开挖工程为例，采用数值模拟技术，对基坑开挖过程中在建地铁车站的变形进行模拟，分析基坑开挖对在建地铁车站变形的影响。

1 工程概况

拟建阿里巴巴江苏总部暨产业社区项目由A、B、C、D 4个地块组成，其中拟建B1、C1基坑位于在建地铁7号线永初路站—雨润路站区间隧道两侧的地块内。永初路站为7号线第4座车站，位于友谊街北侧，垂直于宁和城际永初路站布置。车站主体为地下3层岛式车站，主体为三柱四跨箱形框架结构，西侧附属为单层箱形结构，主体与附属之间不设变形缝。拟建B1基坑距离7号线永初路站北端头井地下连续墙21.5 m，距离标准段地下连续墙25 m，距离7号出入口52 m，距离8号出入口15.2 m；拟建C1基坑距离7号线永初路站地下连续墙14.3 m，距离7号出入口16 m，距离8号出入口53 m。B1基坑标准段地下2层基坑深12.85 m，基坑面积27 228.6 m2，采用1 000 mm厚地下连续墙+内支撑作为基坑围护结构；C1基坑标准段地下3层基坑深16.45 m，基坑面积18 870.3 m2，采用1 200 mm厚地下连续墙+内支撑作为基坑围护结构。拟建B1、C1基坑与7号线永初路站及7号线永初路站—雨润路站区间隧道的平面关系见图1。

图1 拟建B1、C1基坑与7号线车站的平面位置关系(单位：m)

2 工程地质情况

根据地质详勘资料，拟建场地属于长江漫滩地貌单元。根据地层成因及物理力学性质差异，揭露的岩、土体自上而下划分为5个大层、10个亚层：1)1杂填土，硬质含量分布不均；素填土，稍密，以黏性土为主。2) 淤泥质粉质黏土，以流塑为主，局部软塑，具层理高压缩性；粉砂夹粉质黏土、粉土，以稍密为主，局部中密，中等压缩性；粉质黏土夹粉砂，软塑～流塑，呈千层饼状，层理清晰，中等偏低干强度，中等偏低韧性，中高压缩性。3) 粉细砂，以中密为主，中等压缩性；粉细砂，以密实为主，中等偏低压缩性。4) 中粗砂混卵砾石，密实，颗粒级配差，分选性差。5) 强风化粉砂质泥岩，密实，岩芯风化严重，风化裂隙发育，岩芯质量等级为Ⅴ级；中风化粉砂质泥岩，岩芯风化层呈长短柱状，岩体完整程度分类以较完整为主，岩石坚硬程度分类为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。

拟建钻探深度范围内，地下水类型主要为孔隙潜水、承压水。其中孔隙潜水赋存于填土层及淤泥质粉质黏土层浅土层中；承压水主要赋存于粉砂类粉质黏土和粉土层、中密粉细砂层、密实粉细砂层、中粗砂混卵砾石层中，富水性较好，这4层含水层的地下水相互连通，具有承压性，设计时应考虑地下水的影响。B1、C1所在位置的土层参数见表1。

表1 土层力学参数

3 施工方案

基坑施工方案：基坑内整体采用地下连续墙+内支撑支护形式；地段临近地铁侧采用加厚地下连续墙；地段内外侧采用φ850@1 200三轴搅拌桩进行槽壁加固；基地采用三轴搅拌桩裙边加固；C1地段地下连续墙的止水帷幕墙底进入强风化岩层不小于1.5 m。

地铁车站及盾构区间施工方案：车站主体为地下3层岛式车站，主体为三柱四跨箱形框架结构，西侧附属为单层箱形结构，主体与附属之间不设变形缝；车站采用明挖顺作法施工，车站附属出口采用明挖顺作法施工，区间采用外径6.6 m、内径5.9 m的圆形单层衬砌断面形式。

由于永初路站正在进行围护结构施工，且地下连续墙已施工完毕，正在进行土方和支撑架设，结合其施工进度，综合考虑B1、C1的建设时间节点，拟订以下6种B1、C1基坑工况：工况1为施工B1、C1基坑150 m范围外地下连续墙；永初路站标准段开挖1个月(开挖至第4道支撑)，北端头井回筑完负二层板，南端头井施工完成(初始状态，位移置零)。工况2为施工B1、C1基坑150 m范围内第一部分地下连续墙；永初路站标准段开挖至坑底，北端头井拆完支撑，还未浇筑顶板，南端头井施工完成，施工区间两侧隔离桩、西侧附属及7、8号口围护。工况3为施工B1、C1基坑1 150 m范围内第二部分地下连续墙；永初路站标准段回筑底板，南、北端头井施工完成，7、8号口附属开挖完成。工况4为B1、C1第1次开挖，架设第1道支撑；永初路站标准段回筑完负二层板，南、北端头井施工完成，7、8号口拆除完支撑，施工完成底板侧墙，顶板还未施工，左线盾构第1次掘进。工况5为B1、C1第2次开挖，架设第2道支撑；永初路站标准段拆完第4、5道支撑，一层中板还未回筑，7、8号口施工完成，西侧附属开挖到第2道支撑以下，架设第2道支撑，左线盾构第2次掘进，右线盾构第1次掘进。工况6为B1开挖至坑底设计标高，C1第3次开挖，架设第3道支撑；永初路站标准段拆除第2、3道支撑，顶板未回筑，西侧附属开挖至坑底设计标高，左线盾构第3次掘进，右线盾构第2次掘进。工况7为C1开挖至坑底设计标高；永初路站标准段施工完成，西侧附属底板浇筑完成，拆除支撑，顶板未浇筑，右线盾构第3次掘进。

4 新建基坑对地铁结构影响的数值模拟

4.1 新建基坑周边存在在建地铁的三维数值模型

采用有限元软件MIDAS GTS-NX分析B1、C1基坑各施工工况对在建地铁7号线永初路站的影响。三维数值模型见图2和图3。

图2 三维数值模型整体图

图3 拟建基坑与在建地铁车站支护结构的三维数值模型

根据土体参数、地铁施工设计方案和基坑开挖尺寸，建立长406 m×宽529 m×深74 m模型，其中宽为沿隧道延伸方向的长度；隧道管片采用外径6.2 m、壁厚0.35 m的C50砼模拟；土体采用Mohr-Coulomb模型，模型中板、墙和围护采用壳单元模拟，梁柱等采用梁单元模拟，临时立柱和桩采用梁单元模拟。基坑开挖过程及结构施工过程中需进出各种施工机械，根据小型机械等参数及超载设计取值，选取超载值为20 kN/m2。永初路站—雨润路站区间盾构掘进掌子面支护力为100 kN/m2。地铁结构的材料参数见表2。

表2 地铁结构的材料属性

4.2 基坑开挖对在建地铁结构影响分析

根据基坑开挖工序及地铁开挖设计方案，模拟各工况下地铁车站结构的变形，分析基坑开挖对在建地铁结构的影响。限于篇幅，主要列出工况7下已施工完毕永初路站侧墙的水平位移、竖向位移、弯矩和周边地层竖向位移云图(见图4～7)。各工况下该站变形和弯矩见表3～5，地表沉降数值模拟结果与实测结果对比见表6。

表6 B1、C1基坑开挖诱发的地层变形模拟结果与现场监测数据对比 mm

图4 工况7下已施工完毕永初路站侧墙的水平位移云图(单位：m)

图5 工况7下已施工完毕永初路站的竖向位移云图(单位：m)

从表3～5可看出：1) B1、C1基坑开挖对永初路站变形影响较大。为确保基坑开挖过程中地铁车站的施工安全，根据DGJ32/J 195-2015《江苏省城市轨道交通工程监测规程》中城市轨道结构安全控制指标，制定该项目施工过程中变形控制标准并与数值模拟结果进行对比。主体侧墙最大水平位移增量为1.92 mm，7、8号口侧墙最大水平位移增量分别为2.21、2.32 mm，西侧附属侧墙最大水平位移增量为1.54 mm，均小于5 mm，满足规范要求。此外，基坑开挖过程中永初路站底板竖向位移发生变化，其中7号口底板最大隆起增量最大，约为4.69mm，也小于5 mm，满足规范要求。2) 基坑施工期间，车站主体侧墙最大弯矩出现在南端头井侧墙处，且受基坑开挖的影响较小，各工况最大弯矩准永久值最大为1 843 kN·m。由于7号口爬坡段埋深较浅，侧墙弯矩较小，最大弯矩为73.70 kN·m；8号口侧墙最大弯矩为285.87 kN·m，西侧附属侧墙弯矩为152.87 kN·m。各部位侧墙尺寸和配筋均满足要求。

图6 工况7下已施工完毕永初路站标准段侧墙的弯矩云图(单位：kN·m)

图7 工况7下永初路站周边地层竖向位移云图(单位：m)

表3 B1、C1基坑开挖诱发的永初路站侧墙水平位移 mm

表4 B1、C1基坑开挖诱发的永初路站底板竖向位移 mm

表5 B1、C1基坑开挖诱发的永初路站侧墙弯矩 kN·m

从表6可看出：4个测点沉降的数值模拟结果和现场监测结果较接近，最大差值为19%。说明数值模拟结果可信，可为基坑开挖过程中地铁车站变形规律研究提供可靠数据支持。

为更好地分析基坑开挖对地铁车站的影响，构建不考虑基坑开挖情况下车站模型，分析不考虑基坑开挖情况下地铁车站的位移并与考虑基坑开挖情况进行对比，结果见表7。

表7 考虑和不考虑B1、C1基坑开挖情况下地铁车站变形对比 mm

从表7可看出：1) 不考虑基坑开挖情况下，车站最大水平位移为10.65 mm；考虑基坑开挖情况下，车站最大水平位移为3.85 mm。 B1、C1基坑开挖对在建地铁车站水平变形的影响较大。这是因为B1、C1基坑正好位于车站两侧，基坑开挖相当于在车站两侧同时进行土压力卸载。在水平土压力减小的情况下，车站水平位移大幅减小。因此，基坑开挖情况下车站水平位移远小于不考虑基坑开挖情况。2) 考虑与不考虑基坑开挖情况下，车站的竖向位移相差不大，基坑开挖对车站竖向位移的影响不大。

5 结论

(1) 在基坑开挖过程中，在建车站最大水平位移、车站底板最大竖向位移和车站主体侧墙最大弯矩分别出现在8号口侧墙、7号口底板和南端头井侧墙处。采用现有施工方案，基坑开挖过程中，在建地铁车站关键控制点的变形均满足规范要求，现有施工方案可确保地铁7号线永初路站的施工安全。

(2) 基坑开挖对在建地铁车站水平位移的影响大于对竖向位移的影响。

(3) 为减小基坑开挖和地铁施工之间的交互影响，建议在7号线区间隧道施工和B1、C1基坑地下连续墙开始施工前完成B1、C1基坑围护结构与临近7号线区间隧道两侧隔离桩施工。