基于MIDAS/GTS NX的地铁安全评估应用

涂儒杰 林环周 张铮太

(中建四局建设发展有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着城市发展，运营的地铁线路越来越多，临近地铁开发的工程项目也越来越多。一般来说，基坑施工会对地铁既有结构造成一定的影响，有可能产生一定的变形，严重者甚至造成一定的损坏。因此，为了保护地铁既有结构稳定和安全，本文通过MIDAS/GTS N软件，对基坑开挖施工全过程进行模拟和结果分析，对各施工阶段的安全性作出评价[1]。

1 工程概况

1.1 工程介绍

该临近地铁工程项目位于福建福州，项目拟建15栋1F-23F住宅、商业楼，建筑面积102 529.2 m2，设地下室一层，基坑开挖深度1.5 m～3.85 m，基础采用预制管桩(管桩长度约40 m)+承台的形式。基坑邻近6号线樟岚站车站，北侧距2号风亭C号出入口约9.6 m，距D号出入口约10.6 m；西侧距樟岚车辆基地挡墙外边缘4.9 m，距车辆基地工程桩外边线最近为9.9 m，车辆基地有一排水箱涵横穿(图1)。

基坑支护安全等级为二级，基坑支护形式采用以下形式，场地北侧靠近樟岚站位置采用单排竖向锚管+放坡支护形式(3-3剖面单轴水泥搅拌桩)，其余位置采用放坡支护形式并采用喷射挂网护面。如表1所示。

1.2 地质概况

场地位于福州市仓山区城门镇樟岚村，为山前平原地貌单元。场地原为耕地(菜地)，后期利用为地铁施工场地，进行了相应的回填、平整。现有地面标高约为5.583 m～9.434 m。

图1 项目与地铁结构相对位置关系平面图

表1 基坑支护设计概况

图2 1-1剖面图

图4 3-3剖面图

图5 4-4剖面图

图6 5-5剖面图

地下水分为赋存于素填土的表层潜水(上层滞水)和基岩裂隙水，勘探测得初见水位埋深距现地表0.9 m～2.8 m，稳定水位埋深距现地表0.8 m～2.6 m，预计地下水位在工程施工后的年变幅约为0.5 m～1.0 m。

2 模型建立

2.1 计算模型

本工程综合判定项目安全影响等级为一级，使用专用有限元分析软件MIDAS/GTS NX 对基坑开挖进行模拟计算，分析其影响程度。模型采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟车站结构、隧道衬砌、挡墙、箱涵；植入桩单元模拟车辆基地工程桩。计算有限元模型尺寸以项目基坑的外轮廓为基准，外扩一定距离，以消除模型尺寸对计算结果的影响(模型长380 m，宽280 m，高60 m，如图7所示)。同时为确保计算精度，模型进行了如下处理：

图7 整体模型轴视图(380 m×280 m×60 m)

(1)根据等效刚度原则，支护桩等效为地下连续墙。

(2)考虑隧道衬砌接头的影响，衬砌结构刚度折减15%。

土体材料本构模型取修正莫尔-库伦模型，土层和结构材料参数按照地勘报告和工程设计方案确定，如表2～表3所示。

表2 土层材料属性表

续表

表3 结构材料属性表

2.2 边界条件

模型顶部边界为地表自由面，底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移，自重荷载取重力加速度。

2.3 工况设置

根据施工顺序将基坑开挖分为3个施工工况进行模拟：

(1)工况一：基坑未开挖，初始地应力平衡；

(2)工况二：既有地铁结构完成，即激活车站结构、隧道衬砌、挡墙、箱涵、桩等单元；

(3)工况三：基坑开挖至坑底。

3 数值模拟分析

提取各工况下樟岚站结构、林-樟(林浦站-樟岚站)区间隧道结构、车辆基地工程桩、车辆基地挡墙结构、车辆基地箱涵结构模型变形数据。经分析后得知，随着基坑开挖，周边一定范围内土体应力状态改变，引起了模型的逐渐变形，直到基坑开挖完成时(工况三)，变形达到最大，周边结构变形分析如下：

(1)樟岚站车站结构变形分析

基坑开挖完成后，樟岚站车站变形表现为在D号出入口变形最大，随与基坑距离的增加，变形逐渐减小。X向最大位移1.683 mm，Y向最大位移-3.904 mm，Z向最大位移1.541 mm。

(2)林-樟区间隧道结构变形分析

基坑北侧距林浦站-樟岚站区间隧道结构最近约为27.4 m，相对净距>3.0D(D为盾构法城市轨道交通结构的隧道外径)。X向最大位移0.631 mm，Y向最大位移-0.908 mm，Z向最大位移-0.269 mm。

(3)车辆基地工程桩变形分析

基坑距西侧车辆基地工程桩最近为9.9 m，基坑开挖引起土压力改变，导致工程桩发生变形，表现为Y向的变形大于X向，X向最大位移-1.810 mm，Y向最大位移-5.981 mm，Z向最大位移2.848 mm。

(4)车辆基地挡墙结构变形分析

基坑距西侧车辆基地挡墙外边线最近为4.9 m，受影响较大。基坑开挖使挡墙墙面墙背土压力重新分布，导致挡土墙发生变形，表现为挡土墙产生一定隆起并向基坑一侧产生一定位移。X向最大位移-4.593 mm，Y向最大位移7.753 mm，Z向最大位移9.540 mm。

(5)车辆基地箱涵结构变形分析

车辆基地下穿管涵位于基坑正下方，位置关系如图8所示。基坑开挖破坏土应力的平衡，导致箱涵结构隆起。X向最大位移-1.992 mm，Y向最大位移-3.921 mm，Z向最大位移10.654 mm。

图8 箱涵结构与基坑位置关系图

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》《福州市轨道交通规划管理办法》及实际情况，该项目地铁结构变形控制指标取车辆基地工程桩、车站结构、隧道结构、箱涵结构、挡墙等位移量小于20 mm，车辆基地挡墙结构位移取小于30 mm。变形模拟计算结果显示，基坑开挖对周边各结构各方向变形的影响均在安全范围内，满足要求[2]。

4 监测数据分析

目前地下室结构已施工完成，土方回填完整，周边结构变形数据趋于稳定，变化速率微弱，几乎没有变化。取最近一次监测报告数据(表4)可知，监测数据与软件模拟的结果基本一致，符合规范的安全数值。

表4 变形数据统计(单位：mm)

5 结语

本文基于基于MIDAS/GTS NX对某一临近地铁工程基坑开挖进行分阶段模拟施工，通过计算结果和实际监测数据的比对，证明了该项目基坑支护方案的可行性、数据结果的可靠性和基坑的安全性，为今后类似近地铁项目基坑支护设计和施工的安全评估提供参考。