深基坑工程临近既有地铁车站结构施工影响分析

肖昱XIAO Yu；董延昭DONG Yan-zhao

（石家庄市轨道交通集团有限责任公司，石家庄 050000）

0 引言

临近既有城市轨道交通结构基坑施工，土方开挖可能出现围护结构变形及周边环境沉降等，要充分考虑周边环境复杂、围护工程工作量大、地质条件差等困难，合理选择开挖方式和支护结构，运用好现代化先进技术，保证工程质量。控制变形，要制定严密合理的监测方案，做到动态评估、及时反馈[1-5]。根据现场监测数据对该基坑工程的周边地表沉降、周边建筑物竖向位移及围护桩的水平与竖向位移进行统计分析，验证工程开挖工序、支护型式的安全性。

1 工程概况及水文地质条件

1.1 工程概况

某地产项目A1 区基坑工程（后简称A1 区基坑工程）位于城市中心，地下车库地面以下两层，框架结构，筏板基础；办公楼主楼地下3 层，地上21 层，采用框剪结构筏板基础；地块裙楼为地下3 层，地上4 层，采用框架结构柱下独立基础。场地地形平坦，地面标高约65.65m，基坑开挖深度15.05m～15.25m，整体南北向约205m、东西向约75m。A1 区基坑工程北侧距离位同地铁站2 号风亭约6.71m，距离B 出入口约16.02m。

1.2 工程水文地质概况

根据勘察揭露，在最大勘探深度55.0m 范围内，主要由杂填土、黄土状粉土、粉质粘土及砂类土等组成。地下水为第四系孔隙潜水，主要含水层为砂土、卵砾石土，地下水水位埋深40m 左右。土体参数见表1。

表1 土体参数

1.3 开挖及围护结构方案

基坑开挖深度15.05m～15.25m，设3 个支护剖面，基坑北侧临地铁侧采用灌注桩+3 道混凝土桁架撑，东侧采用桩锚支护，南侧及西侧采用土钉放坡。临地铁侧基坑开挖深度15.05m，竖向支撑体系为钢立柱和立柱桩，护坡桩Ф800mm，间距1.2m，桩长24.0m；竖向设3 道混凝土桁架撑、1 道冠梁和2 道砼腰梁。

1.4 施工步序

临近地铁侧基坑开挖施工步序为逐层开挖，逐层架撑；开挖至基底，顺序施做结构，结构达到强度后，从下而上逐层拆除支撑。

2 变形控制标准

既有地铁安全运营的控制指标和标准基于结构变形、建筑限界考虑，且一般采用变形控制指标作为主要控制指标。

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013），《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013），参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，现制定本工程变形控制指标及标准如表2。

表2 工程变形控制指标及标准

3 数值模拟计算与分析

3.1 计算模型

计算采用岩土有限元分析软件建立整体三维有限元模型进行计算分析[6]。以A1 地块基坑工程轴线方向为X轴，其垂直方向为Y 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300m，Y 轴方向取350m，Z 轴方向取70m。模型中具体几何关系和空间位置等来自相关图纸信息，在此不再赘述。计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图1。有限元数值模拟假定：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；计算不考虑地下水影响；土体采用修正摩尔库伦，其他混凝土结构采用线弹性本构。模型边界条件：模型顶面为自由面，无约束；模型底面法向约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

图1 计算模型示意图

3.2 分析步骤设置

步骤一，平衡地应力；步骤二，施工基坑围护桩及格构柱立柱桩；步骤三，开挖第一层土体，施作冠梁、第一道混凝土内撑、放坡段喷射混凝土；步骤四，开挖第二层土体，施作第二道腰梁及内撑、放坡段喷射混凝土+土钉、锚索段冠梁+第一道锚索；步骤五，开挖第三层土体，施作第三道腰梁及内撑、放坡段喷射混凝土+土钉、锚索段第二道腰梁+第二道锚索；步骤六，开挖第四层土体，放坡段喷射混凝土+土钉、锚索段第三道腰梁+第三道锚索；步骤七，施做主体结构底板、侧墙、中板，拆除第三道支撑；步骤八，施做主体结构侧墙、中板，拆除第二道支撑；步骤九，施做主体结构侧墙，拆除第一道支撑；步骤十，施做主体结构顶板、回填。

4 计算结构分析

4.1 靠近地铁侧围护桩位移分析

基坑开挖完成时，土体卸载最大，产生开挖阶段最大位移；基坑X 方向的最大水平位移值为14.08mm，方位为向基坑内位移。基坑Y 方向的最大水平位移值为11.7mm，指向基坑内侧。第九步结构回筑施做结构侧墙，拆除第一道支撑时，围护桩位移最大；基坑X 方向的最大水平位移值为14.16mm，方位为向基坑内位移。基坑Y 方向的最大水平位移值为12.07mm，指向基坑内侧。靠近地铁侧围护桩水平变形云图见图2。

图2 开挖完成、施做侧墙时围护结构位移云图

4.2 地铁结构位移分析

A1 区基坑开挖阶段，开挖至基底时，土体卸载，产生开挖阶段最大位移。B 号出入口最大X 向水平位移为0.82mm，Y 向 水 平 位 移 为3.24mm，Z 向 垂 直 位 移 为0.48mm。 第七步拆除第三道支撑时，产生回筑阶段最大位移；B 号出入口最大X 向水平位移为0.68mm，Y 向水平位移为2.98mm，Z 向垂直位移为0.43mm。

主体结构开挖至基坑坑底时，基坑开挖至基底时，土体卸载，产生开挖阶段最大位移；最大X 向水平位移为0.95mm，Y 向 水 平 位 移 为3.87mm，Z 向 垂 直 位 移 为0.49mm。第七步拆除第三道支撑时，产生回筑阶段最大位移，最大X 向水平位移为0.80mm、Y 向水平位移为3.59mm、Z 向垂直位移为0.46mm。

4.3 地铁结构应力分析

基坑开挖至基底时，土体卸载，产生开挖阶段最大应力；车站B 号出入口最大应力值为5.438MPa、最小应力值为-5.765MPa。第七步拆除第三道支撑时，产生回筑阶段最大应力，最大应力值为5.438MPa、最小应力值为-5.761MPa。开挖阶段B 出入口的最大及最小应力云图见图3，维护结构强度符合技术要求。

图3 开挖至坑底时B 出入口最大、最小应力云图

4.4 运营安全分析

选取B 出入口底板位置处的单元，提取出入口自动扶梯位置的竖向位移，基坑开挖开挖至基底时，自动扶梯的差异沉降为0.2mm；基坑回筑阶段拆除第三道撑时，自动扶梯的差异沉降为0.13mm；均满足2mm 的变形控制要求。

选取车站通道人防门位置处的单元，提取人防门左右侧的竖向位移，基坑开挖至基底时，差异沉降为0.077mm；基坑回筑拆除第三道撑时，差异沉降为0.051mm；均小于3mm 的变形控制要求。

4.5 小结

针对不同的保护对象采用不同等级的监控量测措施，主要变形指标累积变形（见表3）符合变形控制要求，基坑施工方案满足控制要求。

表3 主要变形指标累积变形值

5 结论

本文概括分析了复杂环境下如何为基坑开挖和支护提供可以选择的安全施工技术，借用软件进行施工步骤模拟对近距离临近城市轨道交通基坑开挖的影响，考虑围护和施工方法的类型是整个建设过程中最重要的一步，其次设计时要考虑土体扰动影响，结合地质、水文条件预先采取针对性措施去改善整个基坑施工的过程[7]，落实监测，保证工程的稳定性和可靠性。①模拟过程采用修正摩尔库伦本构，很好的模拟了现场的实际情况，所得数值跟实际结果接近，对实际工程有很好的指导作用。②临近地铁侧基坑选取围护桩+桁架撑，从模拟过程分析相关变形值均处于控制值以内，可供相似地区工程建设参考。③本基坑工程距车站附属结构最小水平净距6.71m，位于0.7H 范围之内，属强烈影响区域。基坑施工对位同站附属结构存在一定风险。由于基坑开挖卸荷引起周边地层应力损失及应力重新分布，导致位同站附属结构产生少量水平、竖向位移，分析可得：基坑开挖阶段围护结构围护桩+三道混凝土桁架撑的支护措施及主体结构回筑阶段方案可以满足既有地铁结构及运营安全。