基于Midas/GTS深基坑开挖对临近地铁安全影响分析

刘 阳，张丽华

(1.华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 065201；2.华北科技学院 建筑工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

随着现代化城市的建设，交通拥挤问题成为制约我国城市发展的重要制约条件之一，地铁因其以地下空间为依托，又在交通时间效益、经济效益上具有明显优势，已经成为改善城市交通的重要途径[1]，同时地铁的稳定性及耐久性也显得极为重要。

城市用地对于现代化城市的建设具有明显制约关系，高层建筑的建设也越来越被重视，因此不可避免的产生了大量的深基坑工程。同时临近既有地铁的基坑在施工过程中也会对地铁的结构安全产生影响。一些学者对此类问题做了诸多研究，文献[2]提出了深基坑工程施工因为自身坑内土体的开挖卸荷过程导致围护结构的水平和竖向变形，进而引起坑外周边土体的沉降变形，从而导致紧邻地铁结构随着土体的下沉产生沉降。文献[3]通过深基坑开挖引起坑底土体回弹变形规律及隧道纵向竖向变形影响规律,运用增强外部的加固措施和加固隧道结构自身对基坑开挖引起隧道纵向竖向位移进行控制。文献[4]结合了某深基坑工程的施工,利用有限元软件建立有限元模型,系统的分析了基坑开挖过程对临近地铁轨道区间的变形影响。本文通过建立有限元模型，利用有限元数值模拟和实际监测数据比对，在结构位移和应力影响方面评估在基坑施工过程中既有地铁的安全状况，确保深基坑工程的施工安全以及已建地铁的运营安全。

1 工程概况

此基坑项目规划建筑用地面积38200 m2，其总建筑面积181500 m2，运用明挖法进行施工。地上的建筑面积为100500 m2，地下的建筑面积为81000 m2，基底埋深在地下14 m左右。基坑的相关数据：面积约28154 m2，基坑周长约695 m，槽底相对标高为-15.10～-15.60 m，基坑深14.50～15.00 m。基坑位于既有地铁北侧，新建基坑与地铁区间结构最小水平净距约34.18 m，与地铁车站主体结构最小水平净距约33.30 m，基坑与既有地铁相关位置图如图1所示。

图1 基坑与地铁相互位置关系图

对于拟建场地的地质情况，结合现场勘测部门的勘探资料和室内土工试验结果，此次勘测最大深度为45.00 m,局部地层岩土特性及特点见表1。

表1 局部地层岩土特性

2 计算模型

本工程既有结构变形及内力预测分析采用MIDAS/GTS软件进行，MIDAS/GTS是一款主要模拟岩土工程与隧道工程的三维有限元分析软件，它在施工阶段具有对应力进行分析和对渗透现象进行分析的功能，同时它也可以对较为复杂的几何模型进行可被观测的直观建模[5]。各个土层的物理力学参数见表2。

表2 材料的物理力学参数

本工程在进行三维计算模拟时作如下假定：

(1) 在基坑工程施工期间，既有地铁的主体结构只考虑其正常使用期间的情况；

(2) 数值模拟本构模型采用摩尔—库伦准则[6]；

(3) 各土层为水平均质分布；

(4) 假定轨道的相关设施和设备等与结构变形相协调。

本工程的数值计算模型选取上边界为地表，竖向垂直取60 m，与地铁的水平方向取358 m，与地铁垂直的方向取150 m。在进行数值模拟计算后，计算模型网格如图2所示，图中粉色区域为基坑。地表取为自由边界，其他五个面均约束其法向变形。模型总共划分90187个单元和40587个节点，地面超载按20 kPa计算，在模拟计算中，采用不同的本构模型来模拟不同的材料，混凝土材料采用线弹性模型，各层土体采用摩尔—库仑(M-C)模型。围护桩等效为刚度相等的地下连续墙，采用二维板单元进行模拟，隧道区间衬砌采用二维板单元进行模拟，锚索采用线单元模拟。数值模拟中基坑与既有地铁站及站隧道区间的相对位置关系如图3所示，图中粉色部分为基坑，紫色部分为盾构区间，蓝色部分为车站主体。

图2 计算模型及网格划分

图3 新建基坑与既有地铁结构相对关系图

数值计算模拟的步骤如下：生成模型，计算初始地应力和初始位移清零；开挖基坑顶部3.5 m；施做围护桩及第一道锚索；开挖到第二道锚索下0.5 m处，第二道锚索进行施工；开挖到第三道锚索下0.5 m处，第三道锚索进行施工；开挖至基底；基坑内主体结构至完成。施工基坑内主体结构至完成并施加等效荷效果图如图4所示。

图4 基坑内主体结构至完成效果图

3 变形结果预测分析

3.1 车站主体和区间结构变形预测分析

通过数值模拟，计算得到既有车站主体和区间结构在施工基坑内主体结构至完成工序下竖向位移云图如图5(a)所示，横向位移云图如图5(b)所示。

图5 铁车站主体和区间结构位移云图

本工程新建结构基底位于地铁车站及区间隧道底板之上，基坑开挖土体卸载的过程会引起基底以下土体产生上浮的趋势、基坑侧方土体产生朝向基坑内侧变形的趋势，进而导致邻近的车站主体结构及区间结构产生竖向上浮、水平朝向基坑开挖侧的位移[7]。竖向上浮及水平向位移最大值应发生在开挖土体卸载量最大的工序，即基坑开挖至基底、施工主体结构之前。考虑土体卸载的三维效应，既有结构竖向上浮及水平位移最大值应发生在基坑中部对应的位置，即车站与区间的交界点附近。由于车站结构整体刚度较大，当车站端头一侧发生竖向上浮变形时，车站结构距离新建基坑较远的另一侧可能产生相对的下沉变形；区间结构沿纵向刚度相对较小，区间结构距离新建基坑较远处的变形值趋近于零。本工程数值模拟的变形预测结果与上述分析一致。分别提取各结构部位的最大位移结果，详见表3，竖向位移正值为上浮，水平位移正值为朝向基坑开挖侧。

表3 最大位移值预测统计表

根据现场第三方的监测，基本掌握新建基坑在施工过程中影响范围内的既有地铁车站及相关附属结构的变形情况，现场实测的隧道区间的沉降、水平位移及车站主体结构的沉降变形时间曲线如图6～图8所示。

图6 隧道结构沉降累计变化曲线图

图7 隧道结构水平位移累计变化曲线图

图8 车站主体沉降累计位移曲线图

选取实际监测的时间段为4个月，在此期间隧道沉降的最大值为0.53 mm和-0.27 mm;隧道水平位移的最大值为0.3 mm和-0.3 mm;车站主体的沉降位移最大值为0.51 mm和-0.04 mm，竖向位移正值为上浮，水平位移正值为朝向基坑开挖侧，通过数值模拟结果与实测结果的数据比对，分析部位的横向与纵向位移最大值均在可接受范围内。

3.2 既有结构内力预测及分析

新建工程引起的既有地铁结构应力变化，主要是由于结构产生的附加变形引起。对于区间结构，纵向刚度较小，主要考虑区间变形产生的纵向应力；对于车站结构，主要考虑纵向、横向两个方向应力；对于附属结构，整体尺寸较小且刚度较大，本工程主要发生整体倾斜变形，应力变化可忽略。针对上节预测的隧道区间与车站最大位移值的部位，分别提取预测的结构内力(应力)变化值。区间与车站最大变化阶段应力云图如图9和图10所示，最大变化阶段为：竖向位移变化率最大、水平位移变化率最大。

图10 车站最大变化阶段应力变化

根据上述应力预测结果，本工程施工完成后，既有地铁区间及车站结构最大变形处的内力(应力)变化情况见表4。

表4 地铁结构最大变形处的应力变化情况

既有结构的安全性评估，主要是通过既有结构变形后的最大内力与既有结构极限承载力进行对比，若结构变形后的最大内力小于该处结构的极限承载力，则结构安全[8-9]。本工程地铁区间为盾构区间，结构内力主要由管片之间螺栓的抗拉、抗剪强度来承担；车站为地下钢筋混凝土结构，整体刚度较大，根据工程经验与《地铁设计规范》(GB50157-2013)和《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)两本规范中相关要求，可得出本工程最大变化阶段内力均可满足结构承载力要求，既有地铁结构安全。

4 结论

(1) 既有地铁的隧道区间、车站主体结构位移因新建结构施工而引起变化，经过数值模拟结果和实际测量显示，当基坑开挖至基底时，其位移量偏小且都在结构承受的允许范围之内，既有地铁结构呈现稳定安全状态。

(2) 在施工过程中，新建的结构引起的临近既有地铁结构应力的变化率为区间隧道竖向位移最大处16.5%，水平位移最大处20%；车站主体竖向位移最大处2.6%，水平位移最大处1.4%。此结果表明:应力的变化在结构承载力的允许范围之内，在结构受力上地铁呈现为安全状态。

(3) 从数值模拟的结果来看，区间隧道和车站主体结构的整体位移量和应力增量较小。正常的施工条件下，不会给临近既有地铁造成不良影响，地铁整体结构呈现安全状态，可安全运行。