刘露超 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

随着我国城市规模和经济建设的飞速发展，城市化进程逐步加快，城市人口急剧增加，城市交通供需矛盾日趋紧张，地面交通已无法适应日益增长的运量需求，城市轨道交通已成为城市缓解交通问题的首选方案。伴随着城市轨道交通线路的增加以及沿线周边各类建筑工程的开发、施工等影响城市轨道交通结构安全的外部作业大幅度攀升，近年来危及城市轨道交通运营安全的结构受损事件时有发生，城市轨道交通的安全性也受到了越来越多的关注。外部作业对城市轨道交通结构的影响也是设计、施工等各环节需重点考虑的问题。

关于基坑施工对既有轨道交通结构的影响也已经有了丰富的研究成果。丘建金等结合工程实际情况，运用三维数值分析方法对围护桩施工前、后各工况进行详细分析，并据此在桩基施工前采取一系列治理措施；张立明等基于临近地铁线路的某大型深基坑工程，对基坑设计和施工方案、施工期间地铁结构监测数据进行分析；侯凯结合某大型深基坑工程的设计、施工及监测数据，通过有限元计算，分析基坑开挖施工力学特征，研究基坑施工对临近地铁车站的变形影响；袁运涛等对某实例工程作了详细介绍，从设计及施工的角度论述在基坑开挖过程中所采用的各种方法，结构实测结果证实其有效性。

本文以合肥市某邻近既有轨道交通车站结构的深基坑施工为例，通过有限元数值模拟分析的方法，模拟基坑施工全过程中车站结构的变形历程，分析施工全过程对车站结构的安全影响。利用数值计算结果，结合理论分析，对工程实施提出工程建议，并给出变形控制指标。

图1 基坑与车站平面位置关系图

1 工程概况

1.1 基坑工程及轨道交通概况

本项目基坑面积约9500m，周长约400m（约110m×90m长×宽），基坑开挖深度0.85m～5.2m。临近轨道交通车站侧基坑开挖深度约4.2m，采用900@1200悬臂钻孔灌注桩作为支护结构，桩长8.9m，嵌固深度6.0m；其余部位采用一级自然放坡作为支护结构，坡比为1:1.8～1:1.2，坡面采用挂网喷射80mm厚混凝土处理。本项目基坑无降水施工。

既有轨道交通车站为合肥轨道交通“T”形换乘站。车站4号线部分外包总长260.0m，标准段宽度22.7m，标准段底板埋深约为16.9m，为双层三跨钢筋混凝土箱型框架结构；车站7号线部分外包总长177.1m，标准段宽度23.1m，标准段底板埋深约为25.3m，为三层三跨钢筋混凝土箱型框架结构。车站共设置4组风亭、6个出入口。

根据相关设计资料，本项目基坑位于既有车站4号线部分南侧，本项目地下室侧墙结构距离车站侧墙结构最小水平间距约13.01m，基坑开挖长度约107.2m。

1.2 工程地质、水文地质简况及地质参数

根据本项目岩土工程勘察报告，场地位于南淝河二级阶地，地层从新到老为：杂填土①层：以粉质黏性土为主，含大量建筑垃圾、砖渣、生活垃圾等，层厚0.5m～10.7m；粉质黏土②层：可塑～硬塑，中压缩性；黏土⑥层：硬塑～坚硬，中压缩性，层厚7.1m～16.8m；黏土⑦层：可塑，中压缩性，层厚0.60m～4.80 m。

拟建场地共观测到两层地下水，地下水类型为上层滞水（一）、基岩裂隙水（四），其中上层滞水（一）主要赋存于人工填土中，受大气降水补给，水量微弱，基岩裂隙水（四）主要赋存于残积土及全、强风化砂质泥岩中，具有承压性，富水性为极贫乏～贫乏。地层物理力学特性指标详见表1所示。

图2 基坑与车站剖面位置关系图

土层物理力学参数表 表1

1.3 现状调查

根据现场调研，既有轨道交通车站结构基本完好，除局部存在渗水湿渍、磕碰破损及局部结构存在混凝土伸缩性裂缝外无明显承载力裂缝。车站结构如图3所示。

图3 车站结构基本完好

2 数值模拟分析

2.1 计算假定

根据实际情况，有限元数值计算模型假定：

①地表面和各土层均呈匀质层状分布；

②不考虑岩体的构造应力，自重应力是唯一的初始地应力；

③从简化问题方面出发，在模拟计算时将忽略地下水的渗透作用，假设土体的变形不受时间因素的影响，也就是忽视土体的固结和蠕变。

2.2 模型概况

为了研究本项目施工对既有轨道交通结构的影响，采用数值计算软件Midas GTS NX进行三维全过程施工模拟。为了消除边界效应，建立整个地面以下三维模型计算范围为X×Y×Z=230m×200m×50m（长×宽×高），模型除地表为自由表面外其他均为法向约束。采用“地层—结构”模型分析，将模型中的土体视为各向同性、连续的弹塑性体，采用实体单元模拟。围护桩、车站结构等结构均采用各向同性弹性模型，其中车站结构采用板单元模拟，车站立柱、地下室立柱以及围护桩采用梁单元模拟。桩土间的连接单元为刚性连接。根据实际情况和模型计算需要，模型参数见表2所示。

岩土与结构物理力学参数 表2

图4 三维有限元网格

2.3 计算工况

为分析施工全过程对车站结构的安全影响，按实际基坑施工步骤模拟车站结构的变形历程。第一步：模拟轨道交通结构施工，计算土体的初始的应力场，并将土体位移场和速度场清零，作为初始状态；第二步：基坑围护桩施工；第三步：开挖支护第一阶段；第四步：开挖支护第二阶段；第五步：地下室结构施工阶段；第六步：地上结构施工阶段。

2.4 结果分析

2.4.1 车站结构变形分析

①竖向位移

从不同施工阶段车站结构竖向变形云图可以看出：车站结构各部位最大竖向变形均发生在基坑开挖完成阶段，其变形规律为靠近基坑的车站主体结构及附属结构均出现上浮变形，距离基坑较远的车站主体结构出现沉降变形，同时最大竖向变形位于靠近基坑侧车站侧墙中部，变形值为0.32mm。

②水平位移（Y向）

从不同施工阶段下车站结构水平变形（Y向）云图可以看出：车站结构各部位最大水平变形均发生在基坑开挖完成阶段，其变形规律为水平变形均为朝向基坑方向，同时最大水平变形位于靠近基坑侧车站侧墙中部，变形值为0.24mm。

2.4.2 车站结构内力分析

通过计算分析，施工过程中车站结构受力最大断面位于车站4号线部分小里程段中间区域，故截取上述受力最大区域横断面进行内力分析及配筋验算。

根据不同施工阶段下车站内力包络值及车站结构配筋情况，经验算：结构裂缝值均小于变形控制值。

2.4.3 小结

施工过程中，车站结构出现竖向位移和水平位移，其中竖向位移主要为隆起。车站结构最大隆起位移值为0.32mm，最大水平位移值0.24mm（朝向基坑方向）。

车站结构变形情况 表3

水平变形、水平位移中“+”表示朝向基坑方向、“-”表示远离基坑方向。

通过三维空间有限元分析本项目的围护桩施工、基坑开挖、地下室结构施工、回填、地上结构施工等对已建轨道交通车站结构的影响。根据计算结果，车站结构竖向位移和水平向位移均小于变形控制值，表明本项目施工对邻近车站结构安全风险总体可控，通过合理、安全的施工技术和安全保护措施能够确保对车站结构的安全保护。

3 结构安全控制指标与建议

3.1 结构安全控制指标

根据相关技术要求及本工程特点，并结合分析计算结果和工程类比经验，同时考虑到现有常规测量仪器的监测精度，并为后期其他工程预留一定的安全储备，综合考虑确定本项目施工引起的车站结构安全控制指标，如表4所示。

结构安全控制指标 表4

3.2 建议及要求

①围护桩施工时，应采取有效措施防止塌孔危害轨道交通结构的安全，杂填土等较差土层范围建议采用钢护筒。严禁采用冲击钻施工，并采用其他有效措施减小围护桩施工对土体的扰动。围护桩施工建议采用“跳打”“对称打设”的原则进行施工。

图5 基坑开挖完成阶段车站结构竖向变形云图

图6 基坑开挖完成阶段车站结构水平变形云图

图7 基坑开挖完成阶段车站受力最大断面弯矩云图

图8 基坑开挖完成阶段车站受力最大断面剪力云图

图9 基坑开挖完成阶段车站受力最大断面轴力云图

②开挖过程中应采用分段分层开挖施工，并优先开挖远离轨道交通侧基坑，每段开挖长度为10m～20m，每层开挖深度不超过2.0m，开挖后每层作业面暴露时间不得超过24h。

③施工时，应对车站进行严格的动态变形监测，在车站结构内及周围土体布置测点，主要的监测项目包括地面隆起（沉降）量、车站结构的变形量（包括竖向位移量、水平位移量）等，出现变形量或变形速率较大时，加密监测和加强分析。

④本项目基坑围护结构与其地下室结构侧墙之间的空隙，建议采用素混凝土回填密实，不得采用杂填土、建筑垃圾等性质较差或不稳定的材料。