刘 书

上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司 上海 200125

随着我国城市化进程的不断深入，城市地下空间得到广泛的综合开发。为充分利用地下轨道交通的便利资源，地铁车站越来越多地与周边商业地下空间形成零距离相连，构造出交通、商业交织的城市核心。而这些邻近的基坑工程对地铁车站的受力及变形影响是需要重点研究的。

近年来，国内关于邻近基坑开挖对地铁影响的监护及控制，包括数值模拟以及实测分析等方面的研究逐渐增多[1-7]。但主要集中在单个基坑或分坑开挖对邻近地铁的影响，并且对地铁车站的影响分析大多为二维横向平面问题，轨向变形特征的研究亦集中在地铁区间隧道上。

地铁车站宽度大多为20 m左右的轨向框架体系且体型细长，其轨向不均匀变形严重影响到地铁的正常运营。零距离“环抱”基坑开挖对地铁车站轨向变形的影响分析则未见报道。

因此，本文以上海临港新城轨道交通16号线滴水湖站交通枢纽工程（含配套地下空间）为背景，通过数值模拟方法研究既有地下车站零距离“环抱”水平扩建基坑开挖过程中的竖向变形特性，并评估了工程实际中控制地铁车站轨向不均匀变形措施的有效性。

1 工程背景

1.1 工程概况

上海轨交16号线滴水湖站交通枢纽工程（含配套地下空间）位于临港新城中心区一期建设区北部，北连临港大道，南邻滴水湖，环抱上海轨交16号线临港新城站，基坑总平面约61 000 m2，如图1所示。

图1 基坑平面布置

轨交16号线临港新城站为地下2层双岛式站台车站，总净长324.80 m，标准段净宽36.38 m，标准段底板埋深约18.60 m。“环抱”基坑开挖深度约11 m，一侧利用轨道交通车站的地下连续墙，其余围护结构采用厚600 mm地下连续墙，竖向设置2道钢筋混凝土支撑，明挖顺筑法施工。

考虑到地铁保护要求及地块开发计划，采用分区对称开挖施工，运用时空效应原理，化整为零，减小大基坑一次性大体量开挖卸载对周边环境造成的影响，如图2所示。第一阶段实施Ⅰ区基坑；第二阶段同时实施Ⅱ区及Ⅲ区基坑；第三阶段实施Ⅳ区基坑。

图2 基坑开挖分区

1.2 水位地质

根据地质勘察报告，本工程拟建场地在所揭露的65.45 m深度范围内的地层主要由黏性土、粉性土、砂土组成，具体为：①填土、②3砂质粉土、④淤泥质黏土、⑤1黏土、⑤3粉质黏土、⑤4粉质黏土、⑦1砂质粉土、⑦2粉砂，缺失上海地区常见的③、⑥层。其中⑦层中的承压水为第一承压含水层，承压水位埋深为3.0～11.0 m。

2 三维数值模拟

三维有限元整体建模分析可较好地实现基坑分区开挖的复杂工况模拟，也可求出地铁车站的轨向变形等结果，弥补了常规杆系或二维有限元等分析方法的不足。

2.1 有限元模型

本计算中，在确定有限元模型尺寸时考虑了工程的影响范围。模型模拟区域外扩本工程场地200 m，土层厚度取100 m，共有44 030个单元。土体单元采用含有8个积分点的8节点六面体三维实体单元模拟，本构采用修正摩尔-库仑准则；车站梁、柱、抗拔桩以及混凝土支撑均采用一维梁单元模拟；车站楼板及地下连续墙采用二维板单元模拟，如图3所示。

图3 有限元模型

2.2 工况模拟

根据工程实际工序，对计算工况和步骤的定义如下：

1）初始阶段，地铁车站已建（位移清零）。

2）Ⅰ区基坑地下连续墙、桩基施工，第一步开挖。

3）Ⅰ区基坑架设第1道混凝土撑，第二步开挖。

4）Ⅰ区基坑架设第2道混凝土撑，开挖至坑底。

5）Ⅱ区以及Ⅲ区基坑地下连续墙、桩基施工，第一步开挖。

6）Ⅱ区以及Ⅲ区基坑架设第1道混凝土撑，第二步开挖。

7）Ⅱ区以及Ⅲ区基坑架设第2道混凝土撑，开挖至坑底。

8）Ⅳ区基坑地下连续墙、桩基施工，第一步开挖。

9）Ⅳ区基坑架设第1道混凝土撑，第二步开挖。

10）Ⅳ区基坑架设第2道混凝土撑，开挖至坑底。

3 计算结果分析

3.1 既有地铁车站变形分析

通过对计算结果的对比分析，发现由于分区分块对称开挖，车站结构的水平位移相比竖向位移可以忽略不计。竖向位移，特别是其轨向差异变形，严重影响到地铁的正常运营及车站结构的安全性能。各区基坑开挖完成后车站底板隆起变形如图4所示。

图4 各区基坑开挖完成后车站底板隆起变形

对图4进行分析，可以看出：

1）车站底板最大隆起值发生在与开挖基坑紧连区域，距离较远的区域则隆起值较小。一方面是因为相连基坑的开挖使该区域车站的地下连续墙丧失了部分侧摩阻力，车站在地下水作用下有上浮趋势；另一方面是因为基坑的开挖引起土体位移场的改变是不均匀的，有随与基坑的距离增大而减小的趋势。这种不均匀变形也是车站结构产生附加应力的直接原因。

2）虽然Ⅰ区基坑开挖引起车站两侧区域的隆起值增量很大，但全部基坑开挖完成后车站最大的隆起值却发生在端部。这主要是由于地铁车站的轨向框架体系以及体型细长的尺寸效应所引起的，无疑也是零距离“环抱”形基坑开挖所引起车站竖向变形的独特特征。

图5为各工况下车站底板的隆起变形，可以看出：Ⅰ区基坑开挖完成后，与基坑相连区域的最大隆起值为70.3 mm，沿线路中心线的最大隆起值为61.6 mm，最小隆起值为18.1 mm，最大差异变形为43.5 mm。Ⅱ区及Ⅲ区基坑同时开挖完成后，与Ⅱ区基坑相连区域的最大隆起值由48.6 mm增加至95.1 mm，与Ⅲ区基坑相连区域的最大隆起值由18.1 mm增加至70.2 mm，沿线路中心线的最大隆起值为95.1 mm，最小隆起值为35.3 mm，最大差异变形为59.8 mm；Ⅳ区基坑开挖完成后，由于Ⅰ区基坑的阻隔效应，整个车站竖向隆起值仅有少量增加，沿线路中心线的最大隆起值增加至97.0 mm，最小隆起值为35.8 mm，最大差异变形为61.2 mm。

图5 各工况车站底板隆起变形

而地铁对运营、在建线路及结构保护要求极其严格，最终绝对沉降（或隆起）值和水平位移值小于20 mm，轨向差异变形小于10 mm。因此，如不采取控制地铁车站轨向不均匀变形的措施，则无法满足对地铁车站的保护要求。

3.2 控制轨向不均匀变形措施评估

为控制车站竖向位移及轨向差异变形，考虑采取如下措施：

1）仅在三处车站局部抬高区域设置抗拔工程桩。

2）沿车站轨向全长设置抗拔工程桩，如图6所示。

图6 车站轨向抗拔工程桩方案

因此，本节针对不设桩、抬高区局部设桩、全长设桩3种方案进行对比分析。由上一节分析可知，车站最大竖向隆起及差异变形发生在Ⅳ区基坑开挖完成后，故该阶段3种方案的车站底板隆起变形如图7所示。

图7 3种方案的最终底板隆起变形

由图可以看出：相比于不设桩方案的车站最大隆起值97.0 mm，沿线路中心线最大差异变形为61.2 mm，只在局部抬高区域设桩方案的车站最大隆起值减少至19.8 mm，沿线路中心线最大差异变形减少至9.7 mm。而全长设桩方案的最大隆起值减少至18.4 mm，沿线路中心线最大差异变形减少至9.4 mm。即抬高区局部设桩和全长设桩2种控制措施均可使车站满足相邻基坑开挖对地铁车站的保护要求，但综合考虑到控制效果、施工造价及工期因素，最终工程实践选择了只在车站抬高区域局部设桩。

4 结语

本文结合上海轨交16号线滴水湖站交通枢纽工程（含配套地下空间），采用数值模拟方法对既有地下车站零距离“环抱”水平扩建基坑开挖过程中的轨向变形特性进行了分析，并评估了工程实际中控制地铁车站轨向不均匀变形措施的有效性，得到如下结论：

1）由于采用合理的分区分块对称开挖方式，车站结构的竖向位移明显大于水平位移。因此，车站竖向位移，特别是其轨向差异变形可作为这类“环抱”形基坑开挖对车站结构影响的主要参数之一。

2）基坑开挖过程中，车站底板最大隆起值始终发生在与开挖基坑紧密相连的区域，距离较远的区域则隆起值较小。因此，建议在以后类似基坑的设计中可在与基坑紧密相连的区域增加设置与既有地下连续墙刚性连接的绑桩，以控制车站底板的最大隆起值及差异变形[7]。其次，全部基坑开挖完成后，车站最大的隆起值却发生在端部，这也是零距离“环抱”形基坑开挖所引起的车站竖向变形的独特特征。

3）随着各工况基坑开挖，车站竖向隆起及轨向差异变形均不断增大，但Ⅳ区基坑开挖时，由于Ⅰ区基坑的阻隔效应，整个车站竖向隆起值仅有少量增加。这也验证了通过在紧连区域设置小基坑以隔离大基坑开挖对既有结构影响的分隔式开挖的有效性[8]。

4）通过对比分析不设桩、抬高区局部设桩、全长设桩3种控制措施方案，可知仅在本工程车站抬高区局部设桩即可满足地铁车站的保护要求，验证了工程实践中采用的技术措施的合理性。