基坑施工对地铁车辆段结构的影响分析

摘要：基于某临近地铁车辆段结构的基坑工程，采用有限元计算软件MIDAS-GTS建立了三维仿真模型，模拟基坑开挖及基坑降水对车辆段结构的影响，并对基坑自身稳定性进行评价。计算分析表明，基坑开挖施工引发车辆段结构最大总位移为4.6mm；有限元渗流模拟基坑降水导致的最大总位移为3.6mm，基坑开挖与降水不影响车辆段结构的安全；采用有限元模拟与传统理正深基坑计算基坑自身的稳定性安全系数分别为1.79、1.40，均满足规范1.25的要求。研究结论可供类似工程设计与施工参考。

关键词：基坑开挖；地铁结构；仿真模拟分析；基坑降水

中图分类号：U231+.3文献标志码：A

AnalysisoftheImpactofFoundationPitConstructiononthe StructureofMetroDepot

WANGDiLUOQiqiLIYajie

SchoolofArchitectureandCivilEngineering，XihuaUniversity，Chengdu，SichuanProvince，610039China

Abstract：Inthispaper，athree-dimensionalsimulationmodel ;isestablishedbyusingthefiniteelementcalculationsoftwareMIDAS-GTSforafoundationpitprojectbasedonthestructureofanearbymetrodepot.Theimpactofexcavationandprecipitationonthestructureofthedepotissimulated，andthestabilityofthefoundationpititselfisevaluated.Calculationanalysisshowsthatthemaximumtotaldisplacementofthedepotstructuretriggeredbypitexcavationconstructionis4.6mm;Themaximumtotaldisplacementcausedbypitprecipitationinfiniteelementseepagesimulationoffoundationpitis3.6mm，andtheexcavationandprecipitationofthefoundationpitdonotaffectthesafetyofthestructureofthevehicledepot;ThestabilitysafetycoefficientofthepititselfcalculatedusingfiniteelementsimulationandtraditionaltoolLizhengsoftwareis1.79and1.40respectively，bothmeetingtherequirementinthestandard（1.25）.Theresearchconclusionscanbeusedasareferenceforthesimilardesignandconstruction.

KeyWords：Excavationoffoundationpit;Metrostructure;Simulationandanalyses;Precipitationoffoundationpit

随着城镇化程度不断加深，城市交通拥堵问题愈发突出，地铁作为一种绿色环保，高效节能的交通方式也得到了快速发展[1]。截至2023年底，我国内地已有59个城市开通城市轨道交通，运营里程达11232.65km，运营线路338条[2]。与此同时，城市建设活动也不断向地下拓展，基坑越来越深，开挖面积也越来越大[3]，基坑与地铁间的相互影响也日益增多，如何评估新建工程对既有结构的影响成为学者的研究重点。在此研究过程中，理论分析、实地监测及仿真模拟被广泛地应用[4]，李维[5]、肖先[6]分析了当临近地铁隧道与车站时基坑支护的难点，建立了三维有限元模型，并对实施效果进行了监测，提出的基坑支护方案效果良好。然而，现有研究专注于基坑围护结构自身以及地铁车站或隧道结构，基坑开挖对地铁车辆段轨道影响的研究却较少，车辆段又是地铁进出车库的必经之路，其结构安全至关重要。本文以昆明某基坑工程项目为依托，建立了基坑与地铁车辆段结构的仿真模型，并通过多种手段分析了基坑施工对邻近结构的影响，研究结论可供类似基坑项目参考。

1工程概况

1.1项目简介

拟建场地为2-1#地块，位于昆明市官渡区，含9栋29～34层高层住宅，2栋3层幼儿园及两层地下车库。基坑东西长约251m，南北宽约105m，基坑开挖深度为1.6～9.8m，平均深度为5.4m，基坑支护底边线由地下室轮廓线外移2.0m。拟建地块现为空地，地形平坦。基坑北侧约40m为云福路，西侧为施工活动板房，基坑施工前将拆除；基坑东侧为在建操场，距离约为38.7m；基坑南侧临近地铁车辆段，开挖深度最大为8.7m，基坑边线与车辆段结构承台最小距离为20.4m，与轨道最小距离为27.2m，基坑与地铁结构的位置关系如图1所示。

1.2工程地质

场地内分布的地层主要为：人工填积（Q4ml）层、第四系全新统冲、洪积（Q4al+pl）层，第四系全新统冲、湖积（Q4al+l）层；水文地质条件单一，地下水及地表水对钢筋混凝土具有微腐蚀性；场地浅层存在一定厚度的黏土及粉质黏土，对基坑位移控制不利；场地存在深厚强透水圆砾层，基坑渗漏水可能对轨道产生不利影响；车辆段整体道床区段前期已采用水泥粉煤灰碎石桩（CementFly-ashGravelPile，CFG桩）进行地基处理。

1.3基坑支护

基坑北侧、西侧及南侧均采用二级放坡挂网喷混凝土加1m短土钉及6m和9mΦ48钢管土钉（花管）的支护方式；基坑东侧采用长为16m和18m的Φ800@1400钢筋混凝土钻孔灌注桩加2排可回收预应力锚索的支护方式；基坑外侧设置Φ650的三轴水泥土搅拌桩止水。

综合场地基坑围护结构设计及施工特点、周边建筑现状，认为地块建设对车辆段轨道的不利影响主要为：（1）基坑开挖诱发车辆段轨道位移；（2）基坑降水影响地铁车辆段沉降；（3）基坑南侧自身的稳定性。

2基坑开挖对车辆段影响的模拟分析

2.1三维仿真模型

根据基坑与临近地铁结构的位置关系，采用MIDAS-GTS软件建立三维有限元仿真模型如图2所示。基坑东侧为锚索与灌注桩支护，南侧为花管，西侧为放坡+土钉。车辆段周边地层的力学性质对约束基坑施工过程中车辆段及轨道的变形起关键作用，因此，模型中的地层参数依据勘察资料与实测数据反演分析确定；车辆段与轨道及基坑围护结构体系的力学计算参数依据设计施工图纸确定。三维有限元仿真模型的边界条件为：模型底部Z方向（竖向）位移约束，模型前后两个面Y方向约束，模型左右两个面X方向约束。

2.2加载工况

加载工况参照实际施工适当简化，基坑开挖施工对南侧车辆段影响模拟的主要流程：初始地应力场分析，此阶段将在模型中施加重力，进行应力及位移清零；施作CFG桩加固地基，施作车辆段轨道结构、施加南侧道路荷载30kPa、车辆段荷载40kPa；施作基坑灌注桩、冠梁，施加基坑东侧、西侧超载各20kPa；开挖第一层土；施作第一道护坡、锚索、腰梁、土钉与花管；开挖第二层土；施作第二道护坡、锚索、腰梁、土钉及花管；开挖土层至基底；施作第三道护坡、土钉及花管。

2.3模拟结果

车辆段轨道结构发生较大位移将影响地铁车辆进出的安全，因此仿真模型汇总了在基坑开挖施工过程中车辆段轨道的位移，如表1所示，包括水平位移（XY方向）、竖向位移（Z方向）和总位移（XYZ方向）。由表1中数据可知：基坑施工诱发轨道的最大水平位移为4.1mm，最大竖向位移为-2.2mm，最大总位移为4.6mm。图3为开挖至基底时轨道结构的位移云图，由图中位移数据可知，越靠近基坑开挖面，轨道结构位移越大，最大水平位移与竖向位移发生位置相近，且为最大总位移位置处。基坑施工的整个过程中，诱发车辆段轨道位移绝对量值较小，对轨道结构的安全影响较小。

3基坑降水影响分析

地下水位随着基坑开挖而逐渐下降，地下水渗流场与基坑开挖应力场耦合将对轨道变形产生不利影响。因此，结合项目基坑所在场地的工程地质情况和轨道、基坑的空间关系，建立有限元模型，计算分析基坑开挖降水诱发地铁轨道的变形。根据勘察报告取初始地下水位为地面以下1.5m。模型高度为30.1m，故初始总水头为28.6m。有限元计算模型的地层主要为填土、粉质黏土、黏土及圆砾。模型的边界条件为：模型底部约束Z方向（竖向）位移，模型左右部位约束X方向（水平）位移。

模拟分析主要流程为：设置初始地下水位进行初始渗流分析；施加重力并进行初始地应力分析；将水位降至开挖第一层土下0.5m；开挖第一层土；将水位降至基底下0.5m；开挖至基底。图4为基坑降水诱发轨道结构水平、竖向位移以及总位移，图中标示点为最靠近基坑的车辆段轨道。由图中仿真模拟数据可知，基坑降水诱发轨道结构最大水平、竖向位移以及总位移分别为-1.0mm、-3.5mm、3.6mm，基坑降水对地铁车辆段轨道结构产生的位移较小，不影响车辆段的结构安全。

4基坑稳定性分析

基坑东侧采用桩+预应力锚索支护，北侧、西侧、南侧均采用放坡+土钉及花管支护。基坑东、北、西3个方向均无重要建筑物，因此对自身稳定性要求较低。而南侧则有车辆段轨道及架空站房，基坑开挖后形成临空面，主体结构在场地内施工，此时南侧基坑的稳定对控制基坑本身的位移、车辆段基础位移、车辆段轨道位移至关重要，因此为评估南侧基坑的稳定性，分别利用有限元边坡模型与理正深基坑进行分析校核。南侧基坑具体支护型式为二级放坡挂网喷混凝土加1m短土钉和6m或9m长Φ48钢管土钉（即花管）。

4.1有限元模拟分析

有限元模型为二维，计算剖面为最靠近南侧车辆段轨道结构的断面，采用强度折减法（StrengthReductionMethod，SRM）进行计算，模型的边界条件为：模型底部约束Z向（竖向）位移，模型左右两面约束X向（水平ViO3ONfjNmhWLDEi7JJwPA==），有限元边坡模型如图5所示，计算安全系数为1.79>1.25，基坑安全系数满足要求，基坑处于安全状态。

4.2理正深基坑计算

基坑南侧深度最大为8.7m，基坑外地下水位埋深为1.5m，基坑内最终降水至基底下0.5m，基坑采用两级放坡+土钉（包括注浆花管）支护，地面超载20kPa。其中，短土钉为1m长直径16mm的钢筋，花管长6m或9m，外径48mm，壁厚3mm，坡面挂网钢筋为6.5@200x200，坡面采用100mm厚的C20混凝土，并在上两级坡面设置泄水孔。基坑安全等级为二级，根据《建筑基坑支护技术规程》[7]确定基坑重要性系数为1.0。基坑各开挖阶段对应的安全系数如表2所示，根据表2数据，基坑开挖至基底时安全系数为1.40>1.25，满足规范要求，南侧基坑处于稳定安全状态。

5结语

随着地铁线网不断加密，城市项目建设过程中不可避免地对地铁结构产生影响，本文从实际项目出发，建立了基坑与地铁车辆段的三维有限元仿真模型，按照实际施工步骤进行模拟，分析结果表明基坑施工诱发车辆段轨道的最大水平、竖向及总位移分别为4.1mm、-2.2mm、4.6mm；根据地下水位的有限元渗流分析，水位下降诱发轨道结构最大总位移为3.6mm，基坑施工及降水诱发轨道结构的位移较小，不影响车辆段结构安全。进一步地，分别采用有限元边坡模型和传统理正深基坑软件对基坑稳定性进行计算，两种方法计算出的基坑稳定性安全系数分别为1.79、1.40，均满足规范1.25的要求，南侧基坑处于稳定安全状态。

参考文献

• 熊豪文，王哲，时维涛，等.基坑施工对地铁隧道的变形影响及控制[J].建筑结构，2023，53（S2）：2505-2515.
• 侯秀芳，冯晨，燕汉民，等.2023年中国内地城市轨道交通运营线路概况[J].都市快轨交通，2024，37（1）：10-16.
• YESH，ZHAOZF，WANGDQ.Deformationanalysisandsafetyassessmentofexistingmetrotunnelsaffectedbyexcavationofafoundationpit[J].UndergroundSpace，2021，6（4）：421-431.
• 王灿，凌道盛，王恒宇.软土结构性对基坑开挖及邻近地铁隧道的影响[J].浙江大学学报（工学版），2020，54（2）：264-274.
• 李维.某深基坑对邻近地铁隧道及车站的影响分析[J].土工基础，2023，37（6）：871-876.
• 肖先.明挖车站基坑开挖对既有车站结构影响性分析[J].铁道建筑技术，2023（12）：143-145，189.
• 住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程：JGJ120-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.