基坑开挖对临近地铁附属结构安全影响分析

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

随着城市交通的发展，地铁已经成为发达城市不可或缺的交通方式，其安全性也越来越被重视，伴随着城市土地资源的进一步开发利用，也为了交通便利，不可避免的会出现新建的基坑项目临近既有地铁，这对于地铁的安全运行将形成潜在的威胁。对于这方面的研究，我国学者从未停止，万家和[1]在基坑支护方案满足变形要求的前提下，通过有限元软件建立了三维地层结构模型，并结合监测数据，在变形控制值的基础上考虑其安全系数，评估了地铁的隧道和轨道的安全状态;刘继强等[2]研究了在基坑群开挖影响状态下临近运营地铁隧道的隆起变形规律，并给出了变形控制措施；李浩波等[3]在数值模拟的基础上,对基坑开挖卸荷及建筑结构施工加载过程中邻近地铁隧道及轨道结构的变形和轨道几何形位变化进行研究，并得出随着建筑物高度的增加,地铁轨道竖向位移恢复量逐步增加,而水平位移和轨道几何形位变化基本趋于稳定的结论；柴学成[4]在数值模拟不同工况下基坑开挖顺序,研究了基坑与隧道相对位置对轨道结构及几何形位的影响规律。本文通过MIDAS/GTS软件对基坑项目和既有地铁附属结构进行建模，结合监测数据，对地铁附属结构进行安全影响分析。

1 工程概况

1.1 新建基坑概况

本项目规划建筑用地面积38200 m2，总建筑面积181500 m2，主要由办公楼、规划展览馆、裙房、下沉庭院、地下车库等建构筑物组成。地上建筑面积100500 m2，地下建筑面积81000 m2，本工程基坑开挖深度约14.5～15.0 m，采用“上部0.50 m放坡+下部桩锚”支护体系进行支护。

新建基坑位于既有地铁北侧，采用明挖法施工，基坑面积约为27000 m2。基坑与地铁站区间结构最小水平净距约为34.18 m，与车站主体结构最小水平净距约为33.30 m，因此对基坑变形控制的要求比较高。

基坑邻近地铁区间处的基底埋深位于地铁区间隧道底部以上约2.46～3.01 m，邻近车站处的基底埋深位于地铁车站底板以上约3.44～4.59 m，邻近4#出入口、1#安全口处的基底埋深比出入口、安全口底板最低处埋深略深。基坑锚索与既有地铁主体结构、区间结构、4#出入口结构、1#安全口结构最小水平净距分别约为7.21 m、5.16 m、9.24 m、4.10 m。新建基坑与既有地铁位置关系图如图1所示。

图1 基坑与既有地铁位置关系图

1.2 既有地铁概况

既有地铁车站为地下二层三跨岛式站台车站，长286.4 m，宽为20.8 m，有效站台长158 m，宽为12 m。车站附属结构包含4个出入口，一个安全疏散通道和两个风道，风道结构位于车站端部。车站结构总平面见图2。车站主体覆土约2.7 m～3.5 m，采用明挖法施工，围护桩+内支撑支护。距离本次新建地块较近的附属结构为4#出入口(A出入口)和1#安全口，既有4#出入口(A出入口)采用明挖法施工，围护桩+内支撑支护，出入口结构长约46.4 m，净宽为6.0 m，拱顶埋深最深约5.1 m，其中人防段长11.3 m，净宽为7.5 m，拱顶埋深约为4.95 m。

图2 车站结构总平面图

1#安全口采用明挖法施工，土钉墙支护，安全口结构长约46.4 m，净宽为6.0 m，埋深最深约5.1 m，其中人防段长11.3 m，净宽为7.5 m，拱顶埋深约为4.95 m。

2 数值模拟

对于新建场地的地质情况，在结合相关土工试验结果和勘测部门的勘探资料的前提下，得出局部地层岩土特性及相关数据，如表1所示。

表1 局部地层岩土特性

本工程采用MIDAS/GTS有限元软件对既有地铁附属结构进行分析，MIDAS/GTS是一款可以模拟岩土及隧道工程的有限元分析软件，它可以对较为复杂的几何模型进行可被观测的直观建模[5]，也可以方便地方便地观察所建模型在应力应变及位移方面的变化趋势。土层及结构的物理力学参数见表2。

表2 材料的物理力学参数

续表

假设各土层为均质且水平分布且只考虑既有地铁正常使用情况的前提下，利用MIDAS/GTS进行建模，选取模型的上边界为地表，取地表为自由边界，其他各面约束法向变形，将围护桩等效为相同刚度的地下连续墙[6]，共划分90187个单元和40587个节点，计算模型网格如图3所示，基坑为粉色部分。施工阶段定义步骤为：计算初始地应力和做初始位移清零工作；开挖至基坑顶部3.5 m处；做围护桩和第一道锚索；开挖至第二道锚索下方0.5 m处，施做第二道锚索；开挖至第三道锚索下0.5 m处，施做第三道锚索；开挖至基底；完成基坑内主体结构；施加等效荷载。图4为开挖至基底效果图，图中右上方紫色部分为施工基坑，围绕基坑的深黄色部分为等效的地下连续墙，左下方紫色为盾构区间隧道，蓝色部分为车站主体，基坑与车站中间部分是A出入口和1#安全口。

图3 计算模型网格图

图4 开挖至基底效果图

3 地铁附属结构变形预测分析

3.1 出入口及安全口变形预测分析

通过数值模拟，计算得到既有地铁A出入口及1#安全口结构最大竖向位移云图如图5(a)和5(b)所示。

图5 最大竖向位移云图

本工程新建结构基底比既有地铁A出入口、1#安全口最低处地埋深略深，出入口、安全口结构整体应发生竖向下沉、水平朝向基坑开挖侧的变形，由于出入口、安全口结构整体刚度较大，并且结构各方向形状不规则，因此结构可能发生整体的倾斜，即靠近结构重心的一侧发生竖向下沉、水平朝向基坑开挖侧变形的同时，远离重心一侧可能发生竖向上浮、水平朝向背离基坑开挖侧变形。数值模拟结果显示，A出入口竖向位移最大值为0.349123，最小值为-0.149165，1#安全口竖向位移最大值为0.783847，最小值为0.0708538。

根据现场监测单位对出入口和安全口电扶梯基点竖向位移的实际监测数据，选取4个具代表性的监测点数据，实测的电扶梯基点竖向位移累计变化量-时间曲线图如图6所示。由数值模拟数据与实测数据对比可得A出入口和1#安全口的最大竖向位移均在可接受范围内。

图6 电扶梯基点竖向位移累计变化量-时间曲线图

3.2 变形缝两侧结构变形预测分析

通过数值模拟，计算得到车站主体与附属结构变形缝处水平差异变形云图如图7(a)和7(b)所示，车站主体与附属结构变形缝处竖向差异变形云图如图8(a)和8(b)所示。

图7 车站主体与附属结构变形缝处水平差异变形云图

图8 车站主体与附属结构变形缝处竖向差异变形云图

由于车站主体结构与出入口、安全口结构刚度相差较大，变形缝两侧结构将产生相对的错动变形。变形缝位置的A出入口、1#安全口结构均产生竖向下沉变形，对应A出入口位置的变形缝主体结构一侧竖向发生下沉变形，对应1#安全口位置的变形缝主体结构一侧竖向发生上浮变形。变形缝两侧结构在水平方向均产生朝向基坑开挖侧的变形。根据工程经验以及上述理论分析，本次数值模拟变形预测结果可靠。

本工程在降水井和既有地铁之间采用高压旋喷桩隔水帷幕，隔水帷幕伸入隔水层，根据降水计算结果，本工程降水对地铁结构变形影响最大值为沉降1 mm，考虑降水影响后的既有地铁结构位移预测值见表3。施工理想情况下，场区降水对地铁影响可以忽略，为安全储备[7]，即不考虑隔水帷幕的隔水作用下，场区降水对地铁的变形影响仍在安全可控范围内。

表3 考虑降水后的位移值预测统计表

3.3 变形控制指标

在考虑现有测量仪器精度的前提下，结合既有地铁运营的安全要求以及上述位移值的预测的前提下，确定本新建深基坑工程在施工期间对既有地铁附属结构的变形控制值，见表4，并将控制值的70%作为预警值，80%作为报警值[8]。

表4 地铁附属结构变形控制指标(单位：mm)

4 结论

(1) 因新建临近地铁基坑项目，既有地铁附属结构A出入口、1#安全口结构位移发生改变，通过有限元软件模拟，在基坑开挖至基底的过程中，其位移量较小且都在既有附属结构的可承受范围内，实际监测数据也论证了这一点，则既有地铁附属结构为稳定且安全的状态。

(2) 通过数值模拟软件可观察到车站主体与附属结构变形缝处发生细微的沉降差异变形，降水对地铁结构变形影响最大值为沉降1 mm，在考虑降水条件下，发生的沉降差异对既有地铁构不成结构安全隐患，即既有地铁变形缝结构为理想安全状态。

(3) 在实际监测数据的支持下，数值模拟的计算结果可靠，正常的施工作业情况下，新建临近地铁的深基坑项目不会对地铁附属结构造成不良影响，所模拟的结构部位安全。