地块基坑施工对地铁车站及区间的环境影响分析

陈连伟

摘要 文章以南通中南地块邻近南通地铁1号线施工为背景，对地块围护方案提出改進措施，采用Midas GTS NX软件模拟了地块基坑施工的全过程，通过数值模拟分析了基坑施工引起的地表变形、车站变形以及区间变形，根据变形规律提出相应的措施以及建议。

关键词 基坑施工；邻近地铁；变形；数值分析

中图分类号 TU755文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0041-04

0 引言

随着大中型城市地铁线网的不断成熟，城市交通压力得到有效缓解；在城市发展过程中，不可避免地会出现邻近地铁保护区的地块开发项目。如何降低地块施工对已经运营地铁的影响，针对此问题，国内外许多学者已进行深入研究[1-5]，该文以南通中南地块项目邻近地铁1号线施工为例，对地块围护方案提出改进措施，通过数值计算，对周边地表、地铁车站及区间变形进行预测。

1 工程概况

南通市中南地块项目，位于南通中央商务区西北角地段，工农南路以东，崇川路以南，项目包括A01-1、A02A和B01三栋塔楼及三层地下室，基坑开挖面积约54 700 m2，基坑周长约1 300 m，拟建工程所处平面位置如图1所示。

塔楼A01-1、A02A、B01的基础形式拟采用桩筏基础（钻孔灌注桩+筏基）。地库下采用筏形基础，塔楼A01-1、A02A地上总高均为190 m，塔楼B01地上总高约为274.8 m。

中央商务区站位于崇安路与崇文路之间，沿崇川路东西向布置。中央商务区站为12 m岛式站台地下二层车站，车站净长469 m，净宽19.3 m。车站为地下二层岛式站台车站，内部结构为二跨二层钢筋混凝土箱形框架结构（局部三跨）。端头井基坑开挖深度为19.3 m。

2 工程地质与水文地质概况

2.1 工程地质概况

拟建场地地基土以粉质黏土、粉土、粉砂为主，为一套第四系海陆交互相（三角洲相）松散堆积物。该场区在钻探120.5 m深度范围内自上而下可分为填土、粉质黏土夹粉土、粉砂夹粉土、粉细砂、粉质黏土夹粉砂、粉细砂夹粉质黏土、中粗砂、粉质黏土八个工程地质层。其中层①为人类活动扰动层，层②～层⑧为第四纪全新统长江 河口相冲（淤）积层，各层土物理力学参数见表1。

2.2 水文地质概况

建筑场地位于长江三角洲冲积平原富水亚区。根据勘察及调查结果，场地上部地下水类型为孔隙潜水，赋存于场地②～⑧层土中，主要补给来源为大气降水及区域水系，排泄方式主要为大气蒸发及侧向径流，水位变化与季节气候有明显影响，水量较丰富。勘察场地因相邻工程施工降水，地下水位降深较大。场地如无人工干预，水位在地面下1 m左右，丰水期可近地面。据调查，历年最高地下水位2.8 m（标高），地下水位年变化幅度为1.5 m左右。

场地下部微承压水含水层为⑥、⑦层土，其透水性和富水性较好，⑤层属相对隔水层。勘察期间，测得承压水水头标高为?3.2 m左右。

3 针对原围护方案设计的改进

为了加强对地铁结构的保护，降低地块基坑施工过程中对地铁车站及区间产生的变形影响，采取调整基坑轮廓、调整基坑分区开挖方案、增加地块基坑围护结构刚度等措施，具体改进后的基坑设计方案如下。

（1）对基坑轮廓进行调整，使中南地块基坑区域退出地铁特别保护区范围，原方案中槽壁加固距离车站地墙最近距离为7.6 m，调整后方案距离车站地墙最近距离为11.5 m，改进后的方案见图2。

（2）根据后期对接结果，中间道路区域不开挖，道路将基坑分割为东西两个区域。将整个中南地块基坑分为8个小基坑开挖，先开挖西侧远离地铁车站的1～5号基坑，再施工东侧6号基坑，最后施工邻近地铁车站的7号基坑，如图2所示。

（3）基坑分区需设置止水帷幕，邻地铁侧的止水帷幕需确保隔断4层粉砂层（中间分区东西及北侧均需隔断4层粉砂层），进入5层土不少于1.5 m；B01塔楼东侧止水帷幕长度应与塔楼北侧围护长度相同，插入不透水层。

（4）北侧邻地铁区间小基坑，距离区间50 m范围内的钢支撑均采用轴力伺服系统。

（5）邻区间隧道50 m范围内、车站与区间接口对应地块基坑范围，基坑设置坑内抽条加固措施。

4 数值计算

考虑基坑开挖施工过程的复杂性，采用Midas GTS NX岩土专业有限元分析软件建立三维模型，模拟基坑开挖、降水、回筑和上部结构施工对相邻地铁车站及区间隧道结构产生的影响。并提供参考性建议以降低对区间隧道的影响。

数值模拟过程中，为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层及结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，该次计算基本假定包括：

（1）初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响。

（2）所有材料均为均质、连续、各向同性，土体水平成层分布。

（3）围岩按修正摩尔—库伦理想弹性材料考虑，车站结构、围护结构、支撑、隧道管片均为均质弹性材料。

（4）双排桩、钻孔灌注桩的围护结构按照抗弯刚度等效为对应厚度的地墙进行模拟，有利于节点耦合及分析计算。

（5）管片之间的连接不作考虑，只作为整体进行简化分析，对管片刚度进行等效折减。

（6）机械荷载不考虑机械在运作过程中产生的振动荷载。

4.1 有限元模型建立

该次建模过程中，土体采用实体单元建模，其物理力学参数参照《南通中央商务区A01-1楼、A02-B楼及周边地下室岩土工程勘察报告》。模型本构关系选用修正摩尔—库伦模型。

用板单元模拟地下连续墙、钻孔灌注桩。在程序中使用板单元模拟围护桩，板单元厚度使用刚度等效法确定，用下式进行计算：

式中，L——灌注桩间距；h——等效后的板单元厚度；d——灌注桩直径。

混凝土支撑、系梁、钢支撑、地下室结构梁柱均采用梁单元模拟，顶底板及侧墙采用相应厚度的板单元模拟。盾构区间的管片采用0.35 m厚的板单元模拟，在管片与土之间设置接触单元。

整个三维模型尺寸为422 m×162 m×116 m（高），共计401 371个单元。模型四周土体边界采用法向位移约束，底部全固定约束。有限元模型如图3和图4所示。

模型荷载：主要为自重+活载，各层地下室结构回筑完成时的荷载，为8 kPa。地面超载20 kPa。塔楼结构根据设计方提供的计算结果，A01-1及A02塔楼每层平均荷载准永久组合值为20.3 kPa，B01塔楼每层平均荷载准永久组合值为25.8 kPa。

基坑开挖、地下室回筑及塔楼施工阶段计算工况见表2。

4.2 计算结果分析

4.2.1 基坑开挖引起的地表沉降分析

仅显示开挖完成后剩余地层单元，提取基坑最终开挖完成时，坑边土体及坑内土体的位移数值来研究整个施工过程中的位移场。计算结果如图5和图6所示。

从图5和图6可知，邻近地铁车站一侧，地面最大沉降为9.4 mm，最大侧向变形为9.8 mm；邻近区间一侧区域，地面最大沉降为7.9 mm，最大侧向变形为7.4 mm。

从计算结果可知，采取相应措施后，有效地减小了邻近地铁车站及区间地层的竖向及水平位移。

4.2.2 基坑开挖对车站及区间结构的影响

提取各节点工况下车站和区间最大变形位置的数值，在地块基坑开挖及上部结构回筑施工过程中，中央商务区站、世纪大道站～中央商务区站区间产生的位移如图7和图8所示。

地块基坑回筑完成时，中央商务区站邻近基坑一侧受坑底土体卸载回弹的影响，产生上浮，当基坑开挖至坑底时，最大上浮量为1.528 mm。由于A01-1和A02A塔楼相距地铁车站较远，施工完成时，对中央商务区站产生的沉降影响较小；由于B01塔楼距离中央商务区站较近，所以在B01施工过程中，中央商务区站产生明显的沉降，最终沉降值为7.131 mm。

同时，地下室开挖回筑过程中，地铁车站产生指向地块基坑内的侧向变形，随着施工的进行，侧向变形逐渐增大，塔楼B01施工完成时，中央商务区站产生的最终车站的侧向位移为6.3 mm。

基坑开挖回筑过程中，由于坑底土的卸载回弹，地下室开挖回筑完成时，邻近地块基坑区域的隧道略有上浮，最大上浮为0.461 m，此时隧道产生的水平位移为2.501 mm，大于竖向位移。随着塔楼的施工，隧道沉降逐渐增大，水平位移也逐步增大，B01塔楼施工完成时，隧道最终沉降为5.221 mm，最终水平位移为4.2 mm。

从计算结果可知，采取相应措施后，地铁车站及区间的竖向、水平位移被控制在变形控制标准以内。

5 结论与建议

通过计算分析，南通中南置地A01-1、A02A、B01地块建设项目对中央商务区站、世纪大道～中央商务区站区间影响分析结论如下：

由于中南地块建设时序在后，按照最不利的形势考虑地铁的建设风险，对中南地块及地铁车站、区间进行了建模分析。计算结果表明，按照目前的设计方案，在采取了有效措施后，中南地块的建设对已建地铁设施的影响较小，地铁设施的位移在设计容许范围内，地铁结构内力在结构自身的承载力范围之内。因此中南地块的建设对已建地铁线路区间的影响在安全可控范围内。

对地块基坑围护方案做出调整后，根据计算分析对围护设计、塔楼设计、施工工序做出进一步要求。

（1）轴力伺服系统：北侧邻地铁区间小基坑，距离区间50 m范围内的钢支撑均采用轴力伺服系统。

（2）槽壁加固：邻地铁侧地墙结构两侧应设置槽壁加固，加固体底部低于隧道底部。

（3）降水：基坑北侧需设置一定数量的回灌井，根据水位变化确定开启时间。

（4）中南地块北侧小基坑开挖时间需与中央商务区站基坑、世纪大道～中央商务区站区间推进错开，避免交叠施工的影响。

参考文献

[1]李昭. 减小基坑施工對坑外环境影响的数值研究[D]. 天津：天津大学， 2012.

[2]张亚奎. 深基坑开挖对近邻建筑物变形影响的研究[D]. 北京：北京工业大学， 2003.

[3]李进军， 王卫东. 紧邻地铁区间隧道深基坑工程的设计和实践[J]. 铁道工程学报， 2011（11）： 104-111.

[4]王彦. 群基坑开挖对紧邻地铁隧道结构影响分析[J]. 科学技术创新， 2018（6）： 109-111.

[5]郭健， 刘国彬， 苏维捷， 等. 群坑效应下已建地下结构对紧邻基坑开挖变形的影响[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 2019（2）： 222-230.