通过数值模拟确定邻近深基坑开挖对既有地铁车站的影响研究

赵镇林

随着我国城市化进程的不断发展，地下空间的开发与利用越来越受到重视，因此产生大量位于城市繁华地段的基坑工程。而城市基坑工程周围往往存在市政管网、地下管廊、地铁车站等其他市政设施，施工环境非常复杂。此类基坑的开挖不仅涉及到基坑本身的安全与稳定，同时还可能对临近的建筑物、构筑物造成影响。地铁车站有严格的变形限制，而基坑开挖势必造成周围土体的变形，如果施工不当，则会影响邻近地铁隧道的运行甚至造成安全问题。

图1 基坑支护结构平面布置图

一、工程概况

拟建项目位于已运营武汉轨道交通2号线范湖站西南侧，项目总建筑面积145641m2，地下73308m2，该基坑大面积开挖深度为22.7m，公寓塔楼区域开挖深度23.90m，酒店塔楼区域开挖深度24.4m；采用1000mm钢筋混凝土连续墙+4道钢筋砼内支撑梁支护；底部均采用构造连续墙做止水帷幕。连续墙嵌固深度位10m，基坑底部均采用构造连续墙做止水帷幕，连续墙进入中风化岩层不小于1m。图1为该基坑支护结构的平面布置图：

二、模型的建立

建立三维计算模型，土体采用四面体单元；围护结构采用plate结构单元模拟，支撑和立柱采用beam单元模拟；立柱桩采用embend单元，结构与地层之间采用Goodman接触单元模拟，接触面强度折减系数采用0.65。放坡2.5m厚土层自重荷载取值48kpa，地面超载取20kpa。模型平面尺寸位300m×300m，高度为70m。模型边界距离开挖面长度大于3倍开挖深度。计算模型如图2所示：

图2 计算模型

三、计算结果分析

本次计算主要目的是分析地铁周边拟建深基坑施工对既有地铁车站的影响，根据计算工况分别选取每个工况的地面变形及基坑围护结构变形进行比较分析。

1.计算工况

（1）工况一：计算初始地应力场；

（2）工况二：施做地下连续墙、加载放坡深度2.5m厚土层重力荷载。

（3）工况三：施做第一道桁架支撑，基坑开挖至第二道桁架撑标高。

（4）工况四：施做第二道桁架支撑，计算基坑开挖至第三道桁架撑标高。

（5）工况五：施做第三道桁架支撑，计算基坑开挖至第四道桁架撑标高。

（6）工况六：施做第四道桁架支撑，计算基坑开挖至坑底标高。

2.计算结果分析

根据数值模拟计算得出每个工况下的地连墙变形云图及地表变形云图。同时通过对各工况变形云图分析研究可以了解到：工况六下各类变形均为最大，连续墙最大变形达到了68mm，地表最大变形达到了50mm，通过对各工况的比较可知：随着基坑的不断开挖，地表及连续墙变形不断加大，当开挖至基坑底部时，各类变形最大。

深基坑距离车站附属结构最近距离为20m，距离车站附属结构与主体结构之间的变形缝为48m。车站附属结构地板埋深为10m，因此重点考察三维模型中两点的沉降量，A点：距离深基坑最近的附属结构底板边缘点，B点：车站附属结构底板变形缝位置。通过这两个点的沉降量可以考察车站附属结构及车站主体结构的沉降变形情况。

基坑开挖至地面以下-9.4m标高（第三道支撑标高）后，开挖到坑底后，地铁附属结构地板最大沉降为3.0mm，最小沉降为1.5mm，差异沉降为5.5mm。

基坑开挖至地面以下-14.9m标高（第三道支撑标高）后，开挖到坑底后，地铁附属结构地板最大沉降为7.5mm，最小沉降为2.0mm，差异沉降为5.5mm。

基坑开挖至地面以下-20.0m标高（第四道支撑标高）后，开挖到坑底后，地铁附属结构地板最大沉降为14.0mm，最小沉降为3.0mm，差异沉降为9.0mm。

基坑开挖到坑底后，地铁附属结构地板最大沉降为14.0mm，最小沉降为4.0mm，差异沉降为10.0mm，地铁车站主体沉降量小于4mm，差异沉降更小。

通过计算分析，深基坑开挖引起的车站主体结构沉降量小于4mm，在变形控制标准范围之内；车站附属结构最大沉降量为14.0mm，最小沉降为4.0mm，差异沉降10.0mm，尽管车站附属结构与主体结构之间设置变形缝，能够消除一部分沉降变形对结构受力的影响，但是过大变形可能导致变形缝漏水。

四、结论

1.通过计算分析，地铁周围深基坑开挖引起的车站主体结构沉降量小于4mm，在变形控制标准范围之内；车站附属结构最大沉降量为14.0mm，最小沉降为4.0mm，差异沉降10.0mm，尽管车站附属结构与主体结构之间设置变形缝，能够消除一部分沉降变形对结构受力的影响，但过大变形可能导致变形缝漏水。因此，深基坑支护结构应加强水平向支撑刚度，尤其临近地铁车站一侧基坑桁架支撑刚度，并加强地铁附属结构变形监测，变形控制标准为6mm。

2.基坑支护结构设计必须满足的条件：（1）各层钢筋混凝土桁架支撑最小水平向支护刚度不得小于30MN/m；基坑围护结构最大水平向变形不得超过40mm，否则应采取其它措施减小基坑变形。（2）连续墙建议采用止水效果较好的刚性接头形式；连续墙接缝及止水帷幕施工质量极为重要，必须施工到位防止连续墙接缝漏水漏砂导致地铁车站结构发生较大沉降变形。（3）项目位于长江一级阶地，承压水头较高、水头补给较快，基坑开挖过程中应做到按需降水，加强地下水位监测，保持地下水位低于开挖面1m左右即可，应防止盲目抽水导致基坑内外水头差过大，引起围护结构过量变形或地连墙接缝涌水涌砂。

（作者单位：中铁隧道勘测设计院有限公司）