某深基坑对临近城市快速轨道交通影响数值模拟分析

陈俊娈 张益 白尊铭 张贵保 路开诚

（1 中铁建工集团有限公司；2 东莞市建筑科学研究院有限公司）

伴随着我国经济的快速发展，城市化建设程度不断提高，城市地下空间的开发规模和强度也日趋月异。随着地下空间的开发，势必会对既有地铁隧道及其周边环境带来影响。深基坑工程开挖时，往往会对临近地铁隧道的稳定性和安全性产生一定的影响，严重时可能造成危害。国内外在临近地铁隧道的深基坑工程施工过程，曾出现因地质条件复杂，支护措施选择不当，施工措施不到位而引起既有运营地铁隧道变形过大，造成隧道漏水、漏泥等工程事故，严重影响地铁隧道的安全和正常运营[1～3]。因此进行深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响研究十分必要。

1 工程概况

拟建深基坑位于东莞市南城国际商务区核心位置，基坑东北侧为纬七路，道路下方敷设为既有广惠城际线西平西站城际车站及区间隧道，东南侧东莞大道为东莞市主干道，道路下方敷设为东莞地铁2 号线西平站及既有区间隧道，北侧为规划经三路，道路下方为规划东莞地铁6 号线车站，其与基坑同步开挖施工，西侧为规划纬八路及东莞市中心公园，道路下方为规划东莞地铁8号线车站，其与基坑同步开挖施工。周边环境如图1。

图1 周边环境

基坑总基底平面面积约72350m2，基坑基底总长度1290m，基坑深度17.8～30m，采用明挖法施工。靠近城际车站及区间的东北侧及地铁2 号线车站及区间的东南侧采用四排桩+桩间连接板撑方案（如图2～图4 所示）。外侧第二排、第三排和第四排围护桩采用∅1000@1200 钻孔灌注桩，外侧第一排采用φ1200@1600 荤桩+φ1000@1600 素 桩/φ1000@1400 荤 桩+φ1000@1400 素桩的咬合桩。西北侧与地铁6 号线基坑合建，采用二级放坡+排桩支护方案，排桩采用φ1000@1400 荤桩+φ 1000@1400 素桩的咬合桩，部分段采用双排桩间距3m。西南侧与地铁8 号线基坑合建，采用二级放坡+咬合桩+内支撑支护方案，咬合桩采用φ1000@1400 荤桩+φ 1000@1400 素桩，支撑采用700X1000 混凝土支撑，坡面上坡顶采用φ850@600的三轴搅拌桩进行止水。

图2 基坑支护平面布置图

图3 邻地铁典型支护断面（7-7剖面）

图4 邻地铁典型支护断面（11-11剖面）

项目所处地层自上而下依次为：素填土、砂质黏性土、全风化混合岩、强风化混合岩（土状）、强风化混合岩（块状）、中风化花岗岩。

2 有限元建模

计算模拟区域以轨道交通R2 线西平站及两侧相接盾构隧道沿线进行基坑开挖支护工程建模，范围（剖面5-5 至剖面11-11）包括新建开挖基坑和轨道交通R2 线西平站及前后两侧相接区间盾构隧道。考虑到施工过程中的空间效应，三维计算分析地层-基坑-轨道交通R2 线西平车站及隧道模型见图5。基于现场建设条件，为了充分考虑基坑开挖的影响范围，且消除模型边界效应，确保三维模型有足够的计算精度并保证计算效率，最终三维模型尺寸选择为120m（宽）×325m（长）×60m（深），主要模拟了基坑开挖对既有轨道交通R2 线西平站及前后两侧相接盾构隧道的影响，模型中地层土体、岩体、轨道交通R2 线西平站车站主体、附属结构及前后两侧相接区间隧道、基坑开挖及回填土体均采用3D 实体单元模拟，轨道交通R2 线轨道采用梁单元进行模拟。钻孔灌注桩采用板单元进行模拟，桩顶冠梁、桩间腰梁采用梁单元模拟，桩间连接板采用0.4m 厚2D 板单元模拟，土钉采用植入式桁架单元模拟，喷射混凝土采用板单元模拟。模型中素填土、粘土、砂质粘性土、全风化花岗岩、强风化花岗岩采用修正莫尔－库伦本构模型[4～7]，中风化花岗岩采用线弹性本构模型进行计算（见表1）；其他结构采用弹性本构模型[4～7]（见表2）。整体模型如图5所示。

表1 岩土层技术参数表

图5 有限元模型

基坑整体采用“顺作法”进行施工，确定其工况如下（图6～图9）：

图6 初始地应力平衡

图7 有状态模拟

图8 基坑围护结构施工

图9 基坑开挖施工

⑴初始地应力平衡：将模型内初始状态参与计算的各土层及初始边界，承受自重达到平衡状态，并将其位移清零。

⑵既有状态模拟：R2 线西平站车站及前后两侧相接区间盾构隧道作为既有构筑 物参与基础阶段计算，在模拟中不体现施工工艺，仅将结构体激活，为避免既有结构的施工对后期计算造成影响，将该阶段位移清零。

⑶基坑围护结构施工：激活围护桩结构，施加基坑周围施工荷载和地面超载。

⑷基坑开挖施工：因基坑最大深度17.3m，拟分7次开挖，每次开挖深度不大于3m，从上至下按顺序钝化各部分基坑开挖土体，同时激活相应支护结构。

⑴、⑵分析步为基坑开挖前对地层应力进行储存，并对轨道交通R2 线西平站及两侧相接区间盾构隧道沉降进行清零，其后分析步骤反映了基坑开挖对轨道交通R2 线西平站及两侧相接盾构隧道横向变形、沉降及应力变化的影响。

3 结果分析

3.1 地铁主体结构变形分析

由有限元软件计算得到的工况⑷基坑完全开挖后车站主体结构的竖向不均匀沉降值、横向位移值、纵向位移值的位移云图（图10、图11、图12）可知，开挖到基坑底时，车站主体结构的竖向不均匀沉降为1.2mm，横向位移（垂直车站方向）为0.25mm，纵向位移为（沿车站方向）为0.48mm。说明以多排支护桩为围护结构的深基坑，其整体刚度大，支护效果好，基坑开挖对车站主体结构的变形影响小。

图10 开挖完底车站结构竖向不均匀沉降位移云图

图11 开挖完车站结构横向位移云图

图12 开挖完车站结构纵向位移云图

3.2 地铁主体结构变形分析

由有限元软件计算得到的工况⑷基坑完全开挖后地铁2 号线区间盾构隧道竖向不均匀沉降值、横向位移值、纵向位移值的位移云图（图13、图14、图15）可知，开挖到基坑底时，车站主体结构的竖向不均匀沉降为1.17mm，横向位移（垂直车站方向）为1.10mm，纵向位移为（沿车站方向）为0.37mm。说明以多排支护桩为围护结构的深基坑，其整体刚度大，支护效果好，基坑开挖对临近地铁2号线区间盾构隧道结构的变形影响小。

图13 开挖完区间盾构竖向不均匀沉降位移云图

图14 开挖完区间盾构横向位移云图

图15 开挖完区间盾构纵向位移云图

4 结论

⑴根据有限元计算结果，基坑开挖后周围土层的变形以卸荷回弹变形为主，具体表现为：在基坑侧壁表现为指向基坑内的法向变形，在基坑底部表现为回弹变形。邻近地铁结构的变形则表现为：地铁结构向基坑方向侧移，并向下沉降。

⑵通过3D 有限元数值模拟分析，以多排桩为围护结构的基坑工程在基坑开挖到底阶段，轨道交通车站结构竖向沉降量、横向位移量和纵向位移量最大值分别为1.2mm、0.25mm、0.48mm；地铁2 号线区间盾构隧道竖向沉降量、横向位移量和纵向位移量最大值分别为1.17mm、1.10mm、0.37mm；

⑶在以多排支护桩为围护结构的深基坑工程，由于支护体系整体刚度大，整体性好，基坑开挖不会对临近城市快速轨道交通造成影响，可有效保障城市快速轨道交通正常运行。也较好验证了多排桩在临近轨道交通设施的深基坑工程有较好的支护效果。