深基坑开挖对既有地铁车站结构的影响研究

刘 勇

（中铁上海设计院集团有限公司 天津分院，天津 300073）

随着城市建设规模不断扩大，人们越来越来重视建筑结构的安全性；深基坑开挖对周围建筑结构会产生一定的影响[1]。既有地铁车站周边存在待建深基坑工程的情况较为常见，而基坑开挖可能会扰动周边围岩,改变地铁车站及区间结构受力状态,引起地铁结构变形[2]，严重者甚至造成一定的损坏。本文根据天津某地铁周边深基坑工程情况，运用有限元软件Midas GTS NX模拟其开挖工况，对既有地铁结构的变形进行分析，从而为既有地铁结构的保护提供依据。

1 工程概况

某项目邻近地铁车站出入口，地下二层，基坑深度约为9.05 m，框架结构，灌注桩基础，地下室侧墙距离地铁出入口最小水平净距约16.4 m。基坑支护采用1道钢筋混凝土桁架撑+钻孔灌注桩+止水帷幕形式；邻近地铁一侧止水帷幕采用CSM或TRD水泥土地下连续墙，墙深23.0 m、厚700 mm，其余区段止水帷幕采用三轴水泥搅拌桩。见图1。

图1 待建深基坑工程与地铁出入口位置关系

2 本构模型选取

本构模型的选取直接影响计算结果的可靠性。各数值分析软件中，均包含多种本构模型，地下结构一般为混凝土或钢材料，采用各向同性弹性模型；土体则有摩尔-库伦模型、Drucker-Prager模型、D-P塑性和蠕变的耦合模型以及修正剑桥模型、修正摩尔-库伦模型等，不同模型具有不同适用性。修正的摩尔-库伦模型能有效地对基坑工程进行数值模拟，其数值结果耦合性较好，能给出较为合理的围护支挡结构变形、土体变形、周边环境变形情况，可以满足工程实例三维有限元数值模拟要求[3]。因此，本次计算土体选取修正摩尔-库伦本构模型[4]，结构采用线弹性本构模型，模拟基坑开挖对周边地铁结构的影响。

3 数值计算

3.1 计算模型

采用Midas GTS NX岩土有限元软件建立整体三维元模型进行计算分析。为消除模型边界效应，基坑以外四面取4倍的开挖深度，X轴方向取390 m，Y轴方向取280 m，Z轴方向取45 m。模型计算采用混合四面体单元，共划分单元322 172个，节点60 111个。见图2和图3。

图2 整体模型

图3 结构模型

3.2 计算假设

1）认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内。

2）将基坑支护结构的围护桩通过抗弯刚度折减，等效成连续的板单元。

3）桩基与土层之间为摩擦接触。

4）采用施工步来模拟整个施工过程，考虑施工过程中空间位移的变化，不考虑时间效应。

3.3 模型边界条件

模型顶面为自由面，无约束；底面约束竖向位移[5]；四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

3.4 计算参数

为了更好地反映基坑开挖施工过程对地铁结构的影响，计算中土体采用小应变硬化的本构模型。土体相关参数来自工程地质勘查报告和工程经验。见表1。

表1 土体及结构力学参数

地铁结构、桩基等的力学参数见表2。

表2 模型结构体计算参数

3.5 分析步设置

为方便计算，在不影响计算结果的前提下，对相关工序进行合并计算，本次计算共分6个步骤。

第一步，形成初始应力场，施作既有地铁结构，位移清零。

第二步，施工地下室桩基及围护结构。

第三步，地下室基坑第一步土体开挖并架设第一道支撑。

第四步，地下室基坑开挖至坑底。

第五步，施工地下室结构。

第六步，拆除地下室基坑第一道支撑并回填覆土。

4 计算结果

既有地铁出入口结构整体以沉降为主并向基坑内移动，水平及竖向位移均在距离深基坑最近处数值最大，分别为3.01、3.93 mm；随着与距离基坑加大，竖向及水平位移减小。见图4和图5。

图4 地下室施工完成后地铁出入口结构位移

图5 地块地下室施工过程中地铁出入口最大位移

5 结论与建议

1）深基坑施工期间对既有建筑物的变形影响总体可控，但应重点关注与在建深基坑相邻处。在设计方案中，地块基坑支护设计应充分考虑地铁保护加强措施，在保证支护刚度足够、分步开挖距离合理的情况下，对控制支护结构水平变形和周边地表沉降是十分有利。

2）深基坑开挖过程中，基坑底部及边缘土体向隆起趋势，在土体变形传递效应的影响下地铁结构产生一定的沉降和水平位移；特别是在拆除基坑支撑时，出入口沉降值明显增大，应重点关注拆撑工况，必要时对基坑加设支撑以保证安全。