大型基坑近距离开挖对既有地铁车站结构安全影响研究

丰友山 胡长勇

【摘    要】：针对大型基坑开挖对邻近既有地铁车站结构安全的影响，以实际工程为例，采用Midas GTS 有限元软件对基坑开挖进行模拟分析，研究了基坑不同开挖阶段时风亭及出入口结构的位移及变化规律，通过与实际监测数据比较得出，模拟结果与实际数据一致，该计算能模拟出施工的变形情况。

【关键词】：基坑开挖；地铁车站；结构安全

【中图分类号】：TU753【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2024）01-56-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.01.016

收稿日期：2023-04-14

作者简介：丰友山（1989 - ）， 男， 硕士， 湖北黄冈人， 工程师， 从事地下结构设计工作。

Study on the Safety Influence of ExistingSubwaySationSructureBased on the

Ecavation of Large Foundation Pit

FENG Youshan， HU Changyong

（China Rail Way Liuyuan Group Co.Ltd.， Wuxi 214000， China）

【Abstract】： Focusing on the safety influence of the existing subway station structure caused by the excavation of large foundation pit， this paper takes an actual project as an example， uses the Midas GTS finite element software to simulate and analyze the excavation of foundation pit， and studies the displacement and variation patterns of the wind pavilion and entrance structure during different excavation stages of the foundation pit， by comparing with actual monitoring data， the simulation results are consistent with the actual data， this calculation can simulate the deformation situation during construction.

【Key words】：excavation of foundation pits; subway stations; sructure safety

地鐵建设必将带动周边经济的发展，周围新建工程越来越多；而城市空间资源有限，建筑物距离既有地铁车站的距离也越来越近。依据国家相关地铁安全保护条例或规范[1]，位于车站保护区内新建工程要考虑施工活动对轨道交通设施的结构安全影响[2～4]，若施工不当，导致车站结构损坏， 严重至车站坍塌，对车站运营和人民群众的安全产生重大影响，会使国家经济严重损失。本文以无锡市邻近地铁车站附属结构的某新建小学施工为例，通过Midas GTS软件模拟分析，研究了施工过程中附属结构的变形，为后续安全施工提供指导参考。

1 工程概况

拟建小学地下建筑面积约14 129.26 m2，基坑开挖尺寸为132 m×120 m×5.25 m，地下一层、地上3～5层，筏板基础+承台预制桩基础，临地铁侧围护结构采用长18.05 m的SMW工法桩悬臂支护，兼做隔水帷幕，型钢采用“隔一插一”形式。基坑北侧及东侧需作为临时施工场地，采用长12.8 m的拉森钢板桩悬臂支护，坑内因开挖承台形成的高差统一采用1∶1临时放坡。地下室基坑与既有车站风亭及出入口最小净距分别为8.4、6.7 m。见图1。

基坑范围内土层主要为①杂填土、②粉质黏土、③粉质黏土、④粉砂层、⑥黏土层，基底以上约3 m范围和基底以下约3 m范围主要为②粉质黏土、③粉质黏土。见表1。

在先施工部位开挖敞口集水井，集水明排。基坑土方分层分段开挖；开挖前，在基坑内按间距约20 m布设降水井，中部结合土方开挖设置敞口集水井，降低坑内地下水位，同时基坑四周坡顶位置设置截水沟，拦截基坑外侧地表水。

2 数值模拟分析

2.1 计算模型

采用Midas GTS 建模分析，基坑开挖区域较大，按实际工程中分区开挖简化计算，模型尺寸为217 m×143 m×50 m，基坑埋深5.25 m。盾构管片、车站结构、围护结构（抗弯刚度等效）采用2D板单元，梁、柱采用1D梁单元，桩基采用植入式1D梁单元，土体采用实体单元，地面超载取20 kPa，建筑物地上部分按15 kPa/层考虑。临车站侧地下室基坑止水帷幕隔断④、⑤承压含水层，地铁围护结构隔断④1、④2承压含水层，临车站侧地下室基坑坑内降水不会对坑外水位造成影响，故计算分析不考虑坑内降水对坑外水位的影响。

本构模型采用修正的莫尔-库伦模型。模型边界侧向加法向约束，底部加固定约束，顶部自由。见图2。

施工模拟计算分3个区实施：先施工1区，然后施工2区，最后施工3区。

基坑开挖方案：先施工两侧围护结构及开挖土体，再施工中间围护及开挖中间的土体。

2.2 计算结果

2.2.1 变形结果

3区开挖时竖向位移达到最大值为5.99 mm，为开挖深度的0.11%；因单侧开挖，引起结构产生向基坑侧的水平位移最大值为1.87 mm，为基坑开挖深度的0.04%，变形结果均较小，满足规范变形控制值10 mm的要求。见图3。

结构整体呈上浮趋势，土体开挖时变形较大，地下室施工及上部结构回筑时变形有所回落。基坑土体开挖相当于既有结构周围卸载过程，为保持平衡，基坑会产生相应的变形，造成此时结构变形均相对较大；上部结构施工时相当于一个加载过程，可以弥补一部分土体开挖产生的卸载，结构变形会有部分恢复。其中开挖3区时结构变形达到最大，3区为基坑预留核心土体，土体卸载时变形影响较大，此时施工应加强结构变形监测，防止变形过大，必要时可以增加支撑。总之，结构整体及局部变形可控，均满足规范要求。

2.2.2 位移

选取3区开挖这一最不利工况进行分析。距离基坑较近的风亭及出入口结构受施工影响较大，结构产生较大的变形。变形较大的地方也是结构薄弱点，基坑施工时需要重点关注，保证既有结构安全，必要时需采取合理的相关措施。见图4。

2.3 监测结果

依据监测单位反馈，基坑开挖期间出入口及风亭结构垂直位移累计值为2.1 mm（隆起），水平位移累计值为-7.6 mm（向主体结构方向），侧墙垂直度变化累计值为 0.22‰。

基坑开挖过程中出入口及风亭水平位移达到了预警值，经分析，认为出入口及风亭结构变形主要由降雨和卸载造成，后经长期追踪监测，结构趋于稳定，结构测项变化都较小，均不超过5 mm。

3 结论与措施

1）小学建设过程中对既有地铁车站附属结构变形产生了一定的影响，尤其是靠近基坑较近的结构变形均相对较大，但各项变形指标均满足规范控制值10 mm的要求，满足结构安全要求。

2）模拟计算结果与基坑监测数据吻合，整体均产生向上的变形，距离基坑较近的风亭及出入口变形较大。

3）基坑开挖范围内存在较厚的①1填土，对基坑工程非常不利。围护结构施工宜采取改善泥浆性能等措施，保证成孔及成桩质量。

4）严格控制近地铁侧基坑暴露时间，地铁侧应分区分段开挖，以确保安全；开挖工序及结构回筑工序应严格按照分区工序执行。

5）临地铁侧的基坑需在围护结构及止水帷幕施工完毕并达到强度后才能開挖。开挖需分层、分段实施，每层厚度不应＞2.5 m。基坑开挖应遵循分区分块的原则进行，实时监测，信息化施工。

6）在施工中建议按模型计算变形较大的位置重点监测，制定相应的应急措施及方案，保证车站安全运营。

参考文献：

[1]CJJ/T 202—2013，城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].

[2]王浩然，王卫东，徐中华. 基坑开挖对邻近建筑物影响的三维有限元分析[J]. 地下空间与工程学报， 2009， 5（S2）：1512-1517.

[3]万家和. 基坑开挖对邻近地铁车站及区间线路轨道的影响研究[D]. 北京：中国地质大学， 2011.

[4]阳彬武. 基坑开挖对临近地铁结构安全影响分析[J]. 施工技术，2018，47（S1）：873-875.