基坑开挖对既有轨道交通结构的影响分析

李明辉

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

随着我国各城市经济的快速发展，城市轨道交通等基础设施加速建设，邻近既有轨道交通建筑物的施工对既有结构的影响不容忽视，因此采取一定的保护措施是非常有必要的。以基坑工程为例，从基坑开挖至回筑整个施工工程改变既有轨道交通原有应力场，开挖卸荷导致基底发生隆起，支护的变形直接影响既有轨道交通结构的安全性。

场地工程地质条件及水文地质条件对基坑工程的支护结构形式密切相关，尤其对于软粘土地层，支护结构的稳定有利于控制结构变形。地下水位的变化也会对周围环境与地基土的物理力学性质产生影响。

基坑开挖土体卸荷，围护结构会产生向坑内的位移，同时周边土体发生沉降，地表结构和围护结构的变形随着基坑开挖深度逐渐增大，变形过大会导致周边建筑物发生结构失稳或者破坏。

李泽基等等运用Midas GTX NX有限元软件分析了基坑开挖对既有地铁车站及区间的变形规律，并得出结论，在基坑开挖工程中采取必要的保障既有结构的措施能够有效减小既有结构的变形，既有结构不会产生明显的隆起或沉陷。

既有轨道交通工程结构发生变形或不均匀沉降对生命财产安全造成严重威胁，在邻近既有结构施工时确保既有轨道交通工程结构安全尤为重要，邻近既有轨道交通工程结构进行施工作业时，不但要确保新建工程安全，同时要考虑新建工程与既有轨道交通结构间的相互影响。

文章以某轨道交通临时风道基坑邻近既有轨道交通车站的基坑为工程背景，通过建立三维有限元模型，进行数值模拟分析，模拟从基坑开挖至回筑全过程施工对既有轨道交通车站结构变形及内力影响。

1 工程概况

1.1 新建临时风道基坑概况

本项目新建临时风道共两个基坑，分为I区基坑和II区基坑，其中I区基坑开挖深度约为10 m，基底位于⑥3层砂质粉土，采用明挖法施工。基坑西侧围护结构借用既有轨道交通原有的0.8 m地下墙，墙长27.5 m；基坑其余各侧围护结构采用A850SMW工法桩，墙长约20 m。II区基坑开挖深度约为21 m，坑底位于⑨1层粉质粘土，采用明挖法施工。基坑东侧利用主体1.4 m厚地下连续墙，墙长约69 m；基坑南侧、西侧采用1.0 m厚地下连续墙；基坑北侧采用1.2 m厚地下连续墙，墙长约51 m，隔断⑪4粉砂层第二承压含水层。

临时风道的I区、II区基坑紧邻既有轨道交通车站主体结构，基坑地连墙距车站主体地连墙净距约0.5 m。

1.2 既有轨道交通车站结构工程概况

既有车站主体结构标准段为地下双层双跨，两端设备段为双层三跨，北端端头井为单层三跨，南端端头井为双层三跨，换成结点为三层三跨钢筋混凝土矩形框架结构。

图1 临时风道I区、II区基坑与既有车站平面位置关系

主体结构与围护结构组成共同受力的复合式结构。车站顶板覆土厚度约3.0 m。车站主体结构全长约204 m，标准段结构净宽约18 m、净高约10.6 m。

2 水文地质

根据勘察资料，自上而下分别为人工填土层（Qml），厚度 1.40~4.30 m，全新统上组陆相冲积层（Q4 3al），厚度 1.90~4.30 m，全新统中组海相沉积层（Q42 m），厚度 7.80~9.60 m，全新统下组沼泽相沉积层（Q41 h），厚度1.40~2.70 m，全新统下组陆相冲积层（Q4 1al），厚度 3.40~5.00 m。

3 计算模型建立

采用MADIS有限元分析软件建立三维有限元模型进行计算分析，模型以南北向为Y轴，东西向为X轴，竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析，为消除模型边界效应，X轴方向取 350 m，Y轴方向取 300 m，Z轴方向取115 m。模型计算采用混合网格单元，共划分单元 205 158个，节点91 527个。计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图2、3。

图2 整体模型示意图

图3 临时风道I区、II区基坑与既有车站空间位置关系

4 施工工况设定

在不影响计算结果的前提下，为方便计算对相关工序进行合并计算，计算共分为 8个步骤完成，具体施工步骤见表1。

表1 临时风道基坑施工步序表

4.1 架设第四道支撑并开挖至坑底

图4 架设第四道支撑并开挖至坑底内力及变形云图

5 计算结果分析

通过计算分析可知：车站主体结构竖向位移随着土体开挖卸荷，随着开挖深度的增大向上逐渐增大，当开挖至基底时达到最大值，随着回筑结构加荷，竖向位移逐渐减小。车站水平位移随着开挖深度增大先向基坑侧发生变形，随着基坑支撑架设又发生远离基坑侧位移，当回筑至顶板时，由于侧压力小于初始侧压力导致既有车站结构发生侧向水平位移。通过分析计算云图可知，车站最大主应力和既有车站结构底板最大弯矩最大值在车站扩大端位置处。具体计算结果见表2。

表2 计算结果分析统计表

6 结论及建议

通过对既有轨道交通车站结构进行有限元计算分析得出如下结论：

（1）外部基坑工程作业施工会对近邻的轨道交通结构产生一定的影响，会引起既有结构变形。（2）采取及时架设支撑并控制开挖速度可以有效控制既有结构变形。（3）基坑开挖一定程度上会导致既有结构产生一定的应力变化和内力重分布。主要表现为对既有车站端头位置影响较大。

对施工过程中的建议：

（1）土体小应变影响的三维数值分析能够较好反映地下工程施工对既有结构体位移、变形的影响，其计算结果能够与实际工程经验很好地吻合。但由于有限元模型及土体本构关系的特点，计算值及影响范围可能会与实际值有一定差异。应最终以信息化施工、适时修正为指导施工的原则。

（2）施工过程中应控制地面超载及堆载，地面施工荷载（堆载）。外部基坑施工场地的出土口及施工道路应远离既有轨道交通结构进行布置，城市轨道交通结构上方及旁侧严禁超荷堆载。

（3）基坑工程应遵循分区、分块、分层、对称、限时、先支撑后开挖的原则，实行信息化施工。基坑开挖应采取分区分坑作业措施减小基坑开挖体量。

（4）开挖至坑底应迅速封闭底板，减少坑底暴露时间，控制基坑开挖对地铁结构的影响。