双基坑施工对邻近地铁结构的影响分析

许胜寒 吕凯 杨振宇

1.无锡市轨道建设设计咨询有限公司 江苏 无锡 214000

2.无锡地铁集团有限公司 江苏 无锡 214000

近年来，随着城市的发展和地铁运营里程的不断增加，建设项目紧邻地铁结构的情况日益增多。基坑施工引起的地应力场的变化及土层位移，将会对邻近地铁结构产生不利影响，给地铁的安全运营带来安全隐患。胡恒等[1]采用FLAC软件模拟了地铁结构在埋深大于或小于邻近开挖深度两种情况下的位移及应力变化情况；郭晓欢[2]利用ANSYS建立了北京某紧邻既有地铁换乘车站的深大基坑模型，分析了基坑开挖对车站主体及轨道的变形影响；李俊[3]提出了针对旁侧基坑施工影响分析的两阶段计算方法；陈贺欣[4]通过数值模拟分析了基坑不同开挖方式对既有地铁隧道结构的影响，并将计算结果与现场监测的实测值进行了对比；张向军等[5]以杭州某基坑项目为研究背景，采用有限元法分析了基坑开挖对临近地铁结构的影响因素。

上述研究主要是关于单个基坑开挖对地铁结构的影响分析，而对于双基坑施工对邻近地铁车站及隧道的影响却鲜有研究。本文以无锡市某紧邻地铁结构的双基坑工程为背景，采用Midas GTS有限元软件，根据地质条件及施工工况对基坑施工的全过程进行了数值模拟，计算分析了在各工况下地铁结构的变形。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

某工程位于江苏省无锡市，分为A地块和B地块，项目紧邻已投入运营的无锡地铁4号线吴都路站及区间隧道。该项目围护结构与邻近的地铁结构平面关系如图1所示。

图1 项目围护结构与4号线平面关系图

A地块基坑开挖深度9.85～10.70m，采用钻孔灌注桩+内支撑（一道砼支撑+一道钢支撑）的支护体系，隧道一侧的钻孔桩采用Φ1000@1200mm，A地块的其余钻孔桩为Φ800@1000mm，止水帷幕采用Φ850@600mm三轴搅拌桩。A地块围护结构与吴都路站9号出入口的剖面关系如图2所示。

图2 A地块基坑与9号出入口剖面关系图

B地块基坑开挖深度14.80～16.00m，采用800mm地连墙+三道砼支撑的支护体系，地连墙墙深为27m。邻近区间隧道一侧开挖深度为14.80m，预留宽度10m、坡比1:1.5的土坡。B地块围护结构与地铁4号线区间隧道结构的剖面关系如图3所示。

图3 B地块基坑与地铁区间隧道剖面关系图

1.2 地质概况

拟建场地范围内地层主要由人工填土、黏性土、粉土及粉砂等组成。本工程相关范围内的土层包括①杂填土、③1粉质黏土、③2粉质黏土、③3粉质黏土夹粉土、④1粉土、⑤1粉质黏土、⑥1粉质黏土、⑥2粉质黏土和⑦1粉质黏土。各土层的物理力学参数如表1所示。

表1 土层参数表

2 地铁结构变形控制标准

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）及无锡地方对地铁保护技术标准的有关文件，考虑到项目邻近的地铁4号线已处在运营阶段，并结合相关工程经验，提出对地铁结构安全的控制指标如下：

（1）施工引起区间隧道竖向位移≤8mm、水平位移≤10mm；

（2）施工引起的地铁车站结构竖向及水平位移≤10mm。

3 双基坑施工对地铁结构的影响分析

3.1 有限元模型

为全面、系统地反映该项目B基坑和A基坑施工对邻近地铁4号线吴都路站及区间隧道的影响，建立基于Midas GTS的三维模型进行数值计算。

计算模型的尺寸大小根据项目场地及周边环境条件共同决定。考虑消除边界效应的影响，建立模型尺寸为X方向宽192m，Y方向235m，Z方向65m，如图4所示。计算采用了板单元、桁架单元和植入式梁单元。

图4 有限元模型

3.2 分析主要步骤

根据项目双基坑围护结构设计方案和施工工序，模型中计算的主要步骤如表2所示。

表2 计算工况表

3.3 计算结果分析

A基坑开挖到底时的地铁结构竖向位移计算结果如图5所示。开挖期间由于周边的土方卸载导致邻近的9号出入口、车站主体及区间隧道均有不同程度的上浮。9号出入口累计最大上浮量为8.31mm，车站主体累计最大上浮量为2.73mm，区间隧道累计最大上浮量为4.9mm。

图5 地铁结构竖向位移云图（STEP4）

A基坑开挖到底时的地铁结构水平位移计算结果如图6所示。由于基坑内侧土方开挖，基坑内外侧不平衡的土压导致地铁结构发生向基坑内的位移。 A基坑开挖期间区间隧道累计最大水平位移为4.38mm，车站主体最大水平位移为1.47mm，9号出入口累计最大水平位移为2.43mm。

图6 地铁结构水平位移云图（STEP4）

B基坑开挖到底时的地铁结构竖向位移计算结果如图7所示。B基坑距离车站主体和9号出入口较远，开挖期间对车站结构影响较小。B基坑开挖深度较深，但地层条件良好，区间隧道因累计最大上浮量为4.91mm。

图7 地铁结构竖向位移云图（STEP7）

B基坑开挖到底时的地铁结构水平位移计算结果如图8所示。由于基坑内侧土方开挖，外侧的土压导致B地块外的区间隧道累计最大水平位移为5.94mm，9号出入口最大水平位移为2.01mm。

4 结论

通过建立三维有限元模型计算了双基坑施工对邻近地铁结构的影响，综合分析结果，可以得出以下主要结论：

（1）9号出入口与A基坑距离较近，A基坑开挖期间9号出入口受周边土体卸载影响较为明显，在A基坑开挖到底后9号出入口累计上浮量达到8.31mm，最大水平位移为2.43mm，但后期受B基坑施工影响较小。

（2）吴都路站主体结构自身刚度较大，受基坑开挖扰动较小，施工期累计最大竖向位移为2.73mm，最大水平位移为1.51mm。

（3）区间隧道自身刚度较小，受基坑开挖卸载影响明显，区间隧道累计最大上浮量为4.91mm，在基坑开挖及回筑期间坑外地层向基坑方向变形，带动区间隧道向基坑方向最大水平位移为6.43mm。

（4）车站及隧道结构水平竖向变形可满足地铁结构变形控制指标，该项目施工对既有地铁结构影响总体可控，通过加强现场的施工质量管理，结合地铁结构专项监测指导现场施工，可有效保障既有地铁结构及运营安全。