深基坑近接施工对既有运营地铁车站稳定性的影响研究

郑 元

南通轨道交通集团有限公司运营分公司 江苏 南通 226001

地铁车站作为城市地下交通系统的关键组成部分，承载着大量乘客和重要的社会功能。然而，深基坑施工对地铁车站的稳定性产生直接影响。深基坑施工过程中的土体变形、土压力变化和地层稳定性改变是主要因素。本研究旨在通过数值模拟和现场监测数据分析，深入研究深基坑近接施工对地铁车站稳定性的影响机理。综合数值模拟和实测监测数据，分析地铁车站结构响应，验证研究结果，揭示深基坑近接施工对地铁车站的影响程度和可能风险。同时，提出评估指标、应对措施和管理策略，以确保地铁车站在深基坑施工中的安全运营和结构稳定性。以期促进城市地铁系统的可持续发展，提高地铁车站在深基坑施工过程中的安全性和可靠性，为乘客提供安全、高效的出行环境[1]。

1 深基坑施工对土压力、地层稳定性的影响机理

1.1 土压力变化机理

深基坑施工中，挖掘过程会使土壤失重，引起土壤体积的减小。这个体积减小会引起孔隙水压力的变化，从而改变土体内部的有效应力分布。这一机理是Terzaghi的有效应力原理，这个原理解释了土体受力和孔隙水之间的相互作用，对于预测土体在施工过程中的变形和稳定性具有重要的指导意义。有效应力原理可表述为：σ' = σ - u，其中σ'代表有效应力，σ'代表总应力，u代表孔隙水压力。基坑开挖会导致土壤体积变化，进而改变孔隙水压力和有效应力。

1.2 地层稳定性影响机理

基坑开挖会改变地下土层的应力状态，由于土体的强度受应力状态的影响，应力状态的改变可能导致土体发生失稳。根据Mohr-Coulomb模型，土体的剪切强度主要取决于两个因素：一是凝聚力，它是土体内部的微观摩擦和黏结力产生的；二是摩擦力，它是由土体内部的颗粒间摩擦产生的。这个模型可以预测在哪些应力条件下，土体可能会发生剪切破坏。Mohr-Coulomb模型是常用的描述土体强度特性的模型，其表达式为：τ = c + σ' tanφ，其中τ代表剪切应力，c代表凝聚力，σ'代表正应力，φ代表内摩擦角。根据这个模型，可以计算在特定应力条件下，土体是否会发生破坏。

2 地铁车站结构对外部环境变化的响应理论

2.1 结构力学分析

地铁车站结构通常采用混凝土或钢筋混凝土材料，这些材料在受力后会产生形变。根据弹性力学理论，材料的形变与其受到的应力成正比，比例常数被称为杨氏模量。这种关系可以帮助理解地铁车站结构在受到地下土体应力改变后会发生多大的形变。对于线弹性材料，应力σ和应变ε之间的关系为：σ = Eε，其中E代表杨氏模量。

2.2 振动响应分析

基坑施工通常伴随着振动产生，这些振动可能对地铁车站结构产生影响。振动的影响可以通过动力学模型进行分析。对于单自由度系统，其运动状态可以通过一个二阶微分方程来描述，其中涉及到系统的质量、阻尼和刚度三个重要参数，这些参数决定了系统对振动的响应特性。一般可以采用单自由度振动模型，其微分方程形式为：mx'' +cx' + k*x = F(t)，其中m代表质量，c代表阻尼系数，k代表刚度，x代表位移，F(t)代表外力。

2.3 相关数学模型

2.3.1 土压力和地层稳定性模型

分析土压力的变化，通常需要采用固结理论，如Terzaghi的一维固结理论。这个理论通过一个偏微分方程描述了土体在压实过程中孔隙水压力和土体变形之间的关系，是理解和预测土体固结行为的重要理论基础。地层稳定性的分析则需要采用土体稳定性的计算方法，如Bishop法或Morgenstern-Price法，这些方法都是通过计算土体可能的滑动面上的剪切力和正应力，判断土体的稳定性。土压力的变化可以通过Terzaghi的一维固结理论进行模型分析。其主要方程为：∂u/∂t = Cv * ∂²u/∂z²，其中u代表孔隙水压力，t代表时间，z代表深度，Cv代表固结系数。地层稳定性可以通过Bishop法或Morgenstern-Price法进行分析，这两种方法都是求解土体滑动面上的剪切应力和正应力，以评估土体的稳定性。

2.3.2 结构响应模型

地铁车站结构的响应分析通常采用有限元模型。有限元模型可以考虑土体和结构之间的相互作用，用于预测地铁车站结构在特定土体应力和外部荷载作用下的响应行为。通过建立合适的有限元模型，可以模拟地铁车站结构的变形、应力分布和稳定性等响应。

综合上述内容，深基坑施工对土压力、地层稳定性的影响机理需要考虑土体压力变化和地层稳定性的变化。同时，地铁车站结构对外部环境变化的响应可以通过结构力学分析和振动响应分析进行研究。适用的数学模型包括土压力和地层稳定性模型以及结构响应模型，这些模型可以用于预测和评估深基坑施工对地铁车站和土体的影响[2]。

3 数值模拟及现场监测

3.1 模型建立和参数设置

在进行数值模拟前，需要建立一个准确反映地铁车站和深基坑系统的数值模型，并设置合适的参数。

3.1.1 地铁车站模型建立

为了建立准确的地铁车站模型，需要考虑以下方面：①详细描述地铁车站的几何形状和结构布局，包括站台、站厅、轨道、扶梯以及其他相关构件；②将地铁车站划分为适当的单元或区域，以便进行模拟和分析。例如，可以将车站划分为上部结构、地基和地下水等区域；③选择合适的建模工具，如三维建模软件或计算机辅助设计软件，以便准确地建立地铁车站的几何模型。

3.1.2 深基坑模型建立

深基坑模型的建立需要考虑以下因素：①根据深基坑的设计图纸和施工方案，准确描述深基坑的几何形状和尺寸，包括基坑的开挖深度、形状以及支护结构等；②将深基坑划分为适当的单元或区域，以便进行模拟和分析。例如，可以将基坑划分为开挖区域、支护结构区域和周边土体区域；③选择合适的建模工具，如三维建模软件或计算机辅助设计软件，以便准确地建立深基坑的几何模型。

3.1.3 材料参数设置

为了准确地模拟地铁车站和深基坑系统的行为，需要设置适当的材料参数，包括但不限于以下内容：①地铁车站材料参数：确定地铁车站结构和构件的材料特性，如混凝土、钢材等的弹性模量、泊松比、抗剪强度等；②地铁车站土体参数：根据实际情况和土壤试验数据，设置地铁车站所在区域的土体参数，如土的弹性模量、泊松比、抗剪强度等；③深基坑支护材料参数：根据支护结构的材料特性，设置支护材料的弹性模量、泊松比、抗剪强度等；④深基坑土体参数：根据实际情况和土壤试验数据，设置深基坑周围土体的参数，如土的弹性模量、泊松比、抗剪强度等。通过合理设置模型和参数，可以确保数值模拟的准确性和可靠性，从而更好地研究深基坑近接施工对地铁车站稳定性的影响[3]。

3.2 深基坑近接施工模拟

在模拟深基坑近接施工时，可以采用数值分析方法，如有限元方法，来模拟土体的变形和结构的受力情况。①设定施工步骤和时间序列：根据实际施工方案，确定深基坑的开挖过程、支护安装过程等施工步骤，并设置时间序列来模拟施工的逐步进行。②地铁车站土体模型建立：将地铁车站所在的土体区域建立为有限元模型，考虑地铁车站的土体-结构相互作用。③深基坑施工模拟：根据施工步骤和时间序列，进行深基坑的开挖和支护结构的安装模拟，包括土体的变形、支护结构的受力等。④考虑施工阶段的不同：对于不同的施工阶段，可以采用不同的边界条件和加载方式，以模拟实际施工的变化过程。

3.3 地铁车站结构响应模拟

为了评估深基坑近接施工对地铁车站结构的影响，可以进行地铁车站结构的响应模拟，以分析其变形、应力和稳定性。①结构模型建立：将地铁车站结构部分建立为有限元模型，考虑结构的几何形状和材料特性。②边界条件设置：根据实际情况，设置地铁车站结构模型的边界条件，包括地铁车站与土体的约束、荷载施加方式等。③施加载荷模拟：考虑地铁车站运营期间的动态荷载，模拟列车通过、人流荷载等的作用。④结构响应分析：通过数值模拟方法，计算地铁车站结构的变形、应力分布和稳定性情况。⑤结果分析和评估：对模拟结果进行分析，评估深基坑近接施工对地铁车站结构稳定性的影响，确定可能存在的问题和潜在风险。

4 深基坑近接施工对地铁车站稳定性的评估

4.1 结合数值模拟和监测数据进行评估

为了全面评估深基坑近接施工对地铁车站稳定性的影响，应综合利用数值模拟和实测监测数据进行评估。将数值模拟结果与实测数据进行对比和验证，以验证模拟的准确性，并得出更可靠的评估结论。数值模拟结果与监测数据对比：将数值模拟得到的地铁车站结构变形、应力分布等结果与实测监测数据进行对比。比较两者之间的一致性和差异，分析差异的原因，并判断数值模拟的准确性和可靠性。敏感性分析：通过对数值模拟模型中的参数进行敏感性分析，评估不同参数对评估结果的影响程度。例如，调整土体的弹性模量、支护结构的刚度等参数，观察其对地铁车站稳定性评估结果的影响[4]。

4.2 评估指标和方法

在评估深基坑近接施工对地铁车站稳定性的影响时，可采用以下评估指标和方法，以综合评估地铁车站的稳定性和安全性。

结构变形评估：通过数值模拟和监测数据分析，评估地铁车站结构的变形情况。可以使用指标如最大变形量、变形速率等来评估结构的稳定性。同时，可以根据变形的分布情况，判断是否出现局部破坏或不均匀沉降等问题。

应力分析：通过数值模拟和监测数据分析，评估地铁车站结构的应力分布情况。可以使用指标如最大应力、应力集中程度等来评估结构的承载能力和稳定性。同时，根据应力的分布情况，判断是否存在过大的局部应力集中现象。

稳定性评估：综合考虑结构变形、应力分布等因素，对地铁车站的整体稳定性进行评估。可以使用指标如安全系数、稳定性指数等来评估结构的整体稳定性。同时，结合实际情况，考虑地铁车站的安全储备能力和运营要求，判断结构的稳定性是否满足要求。

5 应对措施和管理策略

5.1 风险评估和管理

深基坑近接施工对地铁车站稳定性可能带来一定的风险。为了有效管理风险并采取适当的措施，以下是一些专业具体的建议：

风险评估：通过综合分析数值模拟结果、实测监测数据和相关文献资料，对深基坑近接施工对地铁车站稳定性的风险进行评估。考虑施工过程中的不确定性和可能发生的不良事件，如土体塌陷、结构破坏等，以及对车站运营和乘客安全带来的潜在威胁。

风险管理计划：制定详细的风险管理计划，包括明确风险管理的目标、策略和措施，确定风险管理的责任分工和时间计划。建立风险管理团队，包括相关专业人员和利益相关方，确保有效的沟通和协调。

风险控制措施：根据风险评估结果，采取相应的风险控制措施，如优化施工方法、加强地下水管理、合理调整施工时间等。同时，制定应急预案和灾害管理措施，以应对意外事件和紧急情况。

5.2 结构加固和支护设计

为了增强地铁车站结构的稳定性和抵抗深基坑近接施工的影响，可采取以下专业具体的结构加固和支护设计措施：

支护结构设计：根据地质条件、基坑尺寸和施工阶段，设计合理的支护结构，如钢支撑、土钉墙、混凝土搅拌桩等。考虑支护结构的刚度和稳定性，确保其能够有效地抵抗土体的变形和承载荷载。

加固措施：根据地铁车站结构的实际情况，采取加固措施来增强结构的稳定性。例如，对现有结构进行加固，如增加梁柱钢筋、加固节点、加厚墙体等。还可以考虑在地铁车站周围设置加固构筑物，如加固板桩墙、加固钢筋混凝土墙等。

监测与调控：在施工和运营期间，建立结构的实时监测系统，监测结构变形、应力分布、振动等参数。根据监测数据的变化，及时调整支护结构和加固措施，以保持地铁车站的稳定性。

5.3 监测和预警系统建设

为了实时监测地铁车站的稳定性和及时预警可能的风险，可采取以下专业具体的监测和预警系统建设措施：

监测设备选择：根据地铁车站的特点和可能出现的问题，选择合适的监测设备，包括变形测量仪器、位移传感器、压力计、振动传感器等。确保监测设备的准确性和可靠性。

监测方案制定：制定详细的监测方案，包括监测点的布置、监测频率、数据采集和传输方式等。考虑到深基坑近接施工的特点，加强对地铁车站结构、地基和周边土体的监测。

数据分析与预警：建立专业的数据分析和预警系统，对实时监测数据进行分析和处理。设置阈值和预警准则，一旦监测数据超出预警范围，及时发出预警并采取相应的应对措施。

通过风险评估和管理、结构加固和支护设计，以及监测和预警系统的建设，可以全面提升地铁车站的稳定性和安全性，并及时应对深基坑近接施工可能带来的风险和挑战[5]。

6 结语

本研究深入研究了深基坑近接施工对地铁车站稳定性的影响机理，并从数值模拟和现场监测数据分析的角度进行了全面评估。研究结果表明，深基坑施工引起的土压力变化和地层稳定性改变对地铁车站结构产生了显著影响。结合数值模拟和实测监测数据的评估，揭示了深基坑施工对地铁车站的影响程度和潜在风险，并提出了相应的评估指标和管理策略。基于研究结果，强调了风险评估和管理的重要性，包括加固地铁车站结构、合理控制土体变形和应力变化、建立监测和预警系统等。这些措施可以最大程度地减小深基坑施工对地铁车站的不利影响，确保地铁车站的稳定运营和乘客的安全。进一步的研究可以侧重于深入理解深基坑施工对地铁车站的影响机制，并优化相关的管理策略，以满足城市地铁系统的可持续发展需求。