城市轨道交通车站施工对周围环境影响数值模拟研究

（安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

基坑开挖是一个动态的过程，这使得周围土体的应力变化随之发生，进而影响土体周边建筑物，对于城市轨道交通工程而言，周边环境复杂，必须科学合理地确定地表沉降值，评估地表沉降造成的环境（周围建构筑物、地表道路、城市管线等）影响程度[1]。因此采用合理的方法进行数值模拟分析，并进行预测很有必要。杨福麟等针对武汉轨道交通工程用有限元软件MIDAS模拟轨道开挖工程，研究了轨道开挖对地表沉降的影响[2]；孟益平等针对青岛轨道交通工程用有限元软件ANSYS分析轨道开挖对地表沉降的影响[3]。

针对合肥市轨道交通6号线和8号线换乘站徽州大道站周边某建筑物进行计算分析，很好地模拟了城市轨道交通工程车站基坑的开挖。计算结果表明：基坑开挖过程中，坑底产生了一定的隆起，坑壁两侧一定范围内的土体产生了竖向沉降；建筑物靠近基坑较近的一端发生了一定的沉降，而远离基坑的一端沉降相对较小。

1 工程概况

1.1 轨道交通车站工程概况

合肥轨道交通6号线徽州大道站位于太湖路与徽州大道交叉口东南象限地块，为6、8号线同期实施T型换乘车站。车站整体位于太湖路南侧，6号线位于徽州大道与青年路之间呈东西向布置，8号线沿徽州大道南北向设置。6号线车站为地下四层14m岛式车站，有效站台中心里程为CK21+519.791，车站主体外包总长212.1m，标准段外包尺寸宽22.90m。8号线车站为地下三层14m岛式车站，有效站台中心里程为CK1+666.262。车站主体外包总长188.456m，标准段外包尺寸宽22.90m。车站共设11个出入口（含5个物业出入口）、5个消防专用出入口、4组风亭共设新风井、排风井、活塞风井20座。本站两侧区间工法均为盾构法施工，盾构井为两端始发。本车站勘探范围内揭露的主要岩土层有第四系填土层、冲积黏土层及白垩系砂质泥岩等。

1.2 周边某建筑物概况

该建筑物为地下一层、地上六层框架结构，基础采用柱下独立基础，基础埋深约为6.5m，持力层为建筑物勘察报告中②层粘土层，地基承载力特征值fak=260kPa。负一层层高为3.3m，一层层高为3.8m，二层层高为3.6m，三至六层层高为2.8m。该建筑物标准层平面布置示意图见图1。

1.3 建筑物与车站工程相对位置关系

该建筑物为地下1层，地上6层框架结构，采用独立基础，基础埋深6.5m，其距徽州大道站6号线基坑73.7m，距徽州大道站8号线基坑33.5m，距5号出入口基坑4.22m，位置关系如图2～图3所示。可见，建筑物受影响的主要为5号出入口基坑与徽州大道站8号线基坑，故数值计算中可仅考察5号出入口基坑与徽州大道站8号线基坑的施工扰动，而无需考虑徽州大道站6号线基坑对该建筑的影响。

图1 建筑物标准层平面布置示意图

8号线标准段基坑深度约25.630m，坑底位3-1-2黏土层，围护结构选用Ф1200@1400钻孔灌注桩，桩长约36.50m，桩底位于弱风化泥质砂岩＜6-2-3＞ 中，插入比为 1：0.31，沿基坑深度方向设置五道支撑，第一道为钢筋混凝土支撑，第二道为Ф609钢支撑，第三、四、五道为Ф800钢支撑。

徽州大道站5号出入口由基坑段与暗挖段组成，基坑段长约36.0m、宽6.7m，围护结构选用Ф600@800钻孔灌注桩，桩长约15.3m，内设两道钢支撑；暗挖段长约32.0m，上部覆土厚度约10.5m。

图2 建筑物与车站工程位置关系平面示意图

图3 建筑物与车站工程位置关系剖面示意图

2 模型假设及地层力学性质参数

2.1 模型假设

①建筑物已投入使用多年，故认为其地基的固结沉降及基础的工后沉降早已完成。

②为了降低数值计算工作量，认为建模范围内各土层呈均质水平层状分布，且同一土层为各向同性。

③基坑所在的土层属于弱透水层，且施工过程采取多种措施有效阻止地下水向基坑内的渗透、流动，故有限元计算中忽略地下水的渗透、流动影响。

④通常，基坑施工的最危险工况发生在基坑底板浇筑之前。基坑底板浇筑之后，后续顺作法施工箱型混凝土车站结构，车站结构的施工逐渐提高了基坑的稳定性，危险性大大降低。故本次计算仅模拟基坑开挖至底板浇筑为止。

⑤建筑上部结构的荷载按15kPa/层，等效分配到各基础上。

2.2 土体计算参数

钻孔灌注桩等效为地下连续墙，采用板（plate）单元进行模拟，采用弹性本构模型；混凝土支撑采用梁（beam）单元进行模拟，其截面尺寸及惯性矩按实际计算，采用弹性本构模型；钢支撑采用点对点锚杆单元（便于施加预应力）进行模拟，各类结构的计算参数见表2所示。

土体计算参数 表1

基坑结构计算参数 表2

3 有限元模型的建立

现用三维数值模拟分析徽州大道站基坑对建筑物的影响。徽州大道站基坑与建筑物之间的结构模型如图4所示。模型长宽高为200m×190m×70m，使基坑与建筑的外围到模型边缘的距离不小于25.0m。采用15节点三角形单元进行划分，网格剖分如图5所示。

图4 徽州大道站基坑建模结构图

图5 隐藏部分土体的有限元网格剖分

4 计算步骤及计算说明

徽州大道站主基坑共5道内支撑、5号出入口基坑共2道内支撑。施工过程中应逐层开挖、依次逐层激活各层支撑，数值模拟的计算步骤如表3所示。

5 计算结果分析

5.1 土体变形

数值计算提取每一层基坑施工完成后的结构与土体变形结果，重点对基坑施工引起的周边地表建筑物不均匀沉降进行分析，具体为提取建筑若干个角点沉降随开挖步的变化，得出相邻柱基差异沉降率。

图6 徽州大道站主基坑开挖至底时土体竖向沉降云图

图7 徽州大道站5号出入口基坑开挖至底时土体竖向沉降云图

图8 徽州大道站主基坑开挖至底时建筑地下室底板竖向沉降云图

图9 徽州大道站5号出入口基坑开挖至底时建筑地下室底板竖向沉降云图

图6～图7给出了不同施工阶段土体的竖向沉降云图，可见，基坑开挖过程中，坑底产生了一定的隆起，坑壁两侧一定范围内的土体产生了竖向沉降。

5.2 建筑物变形

图8～图9给出了不同施工阶段既有建筑地下室底板的竖向沉降云图，可见，靠近基坑较近的一端发生了一定的沉降，而远离基坑的一端沉降相对较小。

5.3 建筑物变形定量分析

为了便于分析，在建筑各关键位置设置监测点，位置如图10所示。计算得到了不同开挖步骤的监测点沉降值，数据如表4所示。监测点的沉降曲线如图11所示。可见，建筑的最大竖向沉降为-11.68mm，位于靠近5号出入口基坑最近的J1点处；基坑施工诱发建筑物产生的相邻柱基最大差异沉降为2.46mm（0.000724L）；基坑施工诱发建筑物产生的整体倾斜最大值为0.237‰，位于靠近基坑位置处的短边方向。既有建筑受徽州大道主基坑施工的影响非常小，其受5号出入口基坑与暗挖段施工的影响相对较大，数值模拟轨道交通工程车站施工对建筑物的影响计算结果均满足规范要求[4]。

图10 建筑物监测点详细分布图

图11 监测点的沉降曲线

数值模拟计算步骤 表3

建筑物监测点沉降值（单位：mm） 表4

6 结语

近年来合肥、芜湖等地多个城市大力发展城市轨道交通工程，需要一套科学合理的计算、模拟流程来评估预测轨道施工对周边环境(周围建构筑物、地表道路、城市管线等)的影响，总结轨道施工沉降规律，为省内轨道工程施工提供必要的借鉴和指导。