劉天安，郭清鋒，張榮輝

（1、廣州地鐵建設管理有限公司 廣州 510220；2、廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣州 510010）

0 引言

城市快速發(fā)展對用地的需求量急劇增大，城市空間資源日益短缺，緊鄰既有地鐵的基坑開挖越來越常見。基坑開挖過程中土體卸荷將導致周邊土體應力狀態(tài)變化及其變形［1］，運營的地鐵線路對沉降和變形敏感，間接影響結構本身的受力平衡系統(tǒng)［2］。因此當在鄰近地鐵車站進行基坑開挖前，評估基坑開挖對既有地鐵車站的影響具有重要意義。

研究臨近地鐵基坑施工的主要方法包括理論計算、現(xiàn)場實測、模型試驗和數(shù)值模擬等［3-5］。理論計算一般不考慮地鐵隧道和周圍土體的非線性作用，需進行大量簡化，計算精度較低。因此，目前在工程中更傾向于采用數(shù)值模擬的方法。程玉蘭［6］以深圳地鐵5 號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了軟土深基坑與鄰近地鐵車站的相互變形影響。陳魯［7］以深圳地鐵5 號線前海灣站軟土深基坑工程為背景，采用修正劍橋模型模擬軟土，考慮流固耦合作用，研究了軟土深基坑與鄰近地鐵車站的相互變形影響。丁樂［8］以西朗公交樞紐站為例，研究了基坑開挖對鄰近地鐵車站安全影響。黎浩等人［9］以昆明市某深基坑開挖為實例，通過有限元軟件模擬來研究臨近地鐵車站的基坑支護設計要點。李磊［10］基于佛山地鐵二號線魁奇路站工程案例，運用三維有限元整體模型分析法，評估深基坑開挖對既有地鐵車站結構的安全影響情況，給出分析結果和降低相關影響的措施。

本文以廣州地鐵13 號線某車站附近的基坑為研究背景，運用數(shù)值模擬的方法詳細分析基坑開挖對緊鄰地鐵車站結構受力變形的影響，根據(jù)分析結果對地鐵施工期間地鐵隧道的監(jiān)測提出合理建議。

1 工程概況

1.1 基坑支護概況

基坑周長約650 m，建筑±0.00標高為8.60 m，開挖深度約8.1～9.0 m，基坑底板絕對標高（-2.6）～（-1.60）m。支護形式采用“地連墻+內(nèi)支撐”、“灌注樁+內(nèi)支撐”、“灌注樁+錨索”支護體系，其中東側臨近地鐵部分采用地連墻+一道內(nèi)支撐支護，其余部分采用φ850@600三軸水泥攪拌止水樁進行圍閉截水，厚度6.0 mφ800@600單軸攪拌樁的坑底被動區(qū)加固。本項目與地鐵結構的平面關系如圖1所示。

1.2 地鐵車站概況

本項目東側基坑緊貼13 號線某車站圍護結構地連墻，地下室結構邊線距地鐵13 號線某車站結構2.55～4.25 m，侵入軌道交通安全保護線45.75 m，地鐵車站為地下2 層島式結構，車站基坑開挖深度為15.93～15.99 m，設計地面標高7.60 m?；优c地鐵車站位置關系如圖2所示。

2 三維數(shù)值模擬的建立

2.1 計算模型

結合基坑開挖和支護方案及臨近地鐵隧道相關設計資料，采用Midas GTS/NX 軟件建立三維整體模型，模型如圖3 所示。模型計算范圍為長260 m，寬260 m，土層計算深度為40 m，模型外擴范圍不小于3倍基坑深度。各巖土層土體采用彈塑性本構模型進行模擬，具體計算參數(shù)如表1 所示。車站的地連墻和主體結構（頂板/底板/中板）采用彈性本構模型，材料為C30 混凝土。擬建工程主體結構、支護結構采用彈性本構模型，模擬單元為板單元或梁單元。

表1 土體物理參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soils

2.2 邊界條件

對基坑模型底部約束Z向位移，模型前、后面約束Y向位移，模型左、右面約束X向位移。

2.3 荷載條件

荷載主要來自巖土層、主體結構、支護自重，超載一般地面按20 kPa考慮。

2.4 模擬工況

針對基坑開挖、地下室結構施工全過程分7 個施工工況進行數(shù)值模擬，具體模擬步驟如表2所示。

表2 模擬施工工況Tab.2 Simulated Excavation Steps

3 計算結果分析

3.1 基坑開挖對地鐵車站的影響

3.1.1 車站水平位移

根據(jù)模擬結果，擬建基坑施工期間，車站結構水平位移隨項目施工過程增大。工況基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的水平位移極值分別為1.234 mm、1.590 mm、2.287 mm、2.046 mm，水平位移極值為2.287 mm（向基坑方向），出現(xiàn)在工況6（基坑開挖3）。水平位移極值位于車站結構靠近基坑一側。車站結構水平位移極值如圖4所示。

3.1.2 車站豎向位移

擬建基坑施工期間，車站結構豎向變形為隆起，車站結構豎向位移隨項目施工過程先增大后平穩(wěn)。工況基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的豎向位移極值分別為0.986 mm、1.740 mm、2.474 mm、-3.485 mm，位移極值為沉降3.485 mm，出現(xiàn)在工況7（地下室回筑），沉降變形的豎向位移極值位于靠近基坑的位置，且位于車站結構的頂部。車站結構豎向位移極值如圖5所示。

3.1.3 車站結構內(nèi)力

車站結構彎矩隨項目施工過程呈平穩(wěn)的趨勢，車站結構彎矩初始值為-671.7 kN·m，工況圍護結構施工、基坑開挖1、基坑開挖2、基坑開挖3、地下室回筑的 彎 矩 極 值 分 別 為-678.0 kN·m、-665.4 kN·m、-653.4 kN·m、-643.4 kN·m、-697.7 kN·m。車站結構彎矩極值為-697.7 kN·m，彎矩增量為26 kN·m，增幅為3.87%。車站結構彎矩極值如圖6所示。

3.2 水位變化對地鐵車站的影響

建立二維平面應變模型對降水施工過程中基坑及周圍土體的滲流進行有限元計算，分析基坑降水引起坑外水位變化以及鄰近地鐵車站結構的沉降。

初始水位為地面以下1.5 m，基坑內(nèi)水位需降至基坑底以下0.5 m。雜填土、中砂、淤泥、礫砂、微風化灰?guī)r的滲透系數(shù)分別取1.5 m/d、35 m/d、0.01 m/d、45 m/d、16.56 m/d。模型兩側約束Y方向上的位移；模型底部同時限制Y與X方向的位移。荷載主要為土體自重荷載。建立的基坑降水滲流模型如圖7 所示，降水后的水位線如圖8所示。

根據(jù)有限元分析結果，當降水至基坑底以下0.5 m時，車站側水位下降1.50 m，車站結構最大水平位移為1.391 mm，最大豎向位移為-1.502 mm。

4 結論與建議

本文采用三維有限元整體模型模擬各工況條件下地鐵結構的變形與內(nèi)力，研究了擬建基坑施工對鄰近地鐵車站結構的影響。

⑴基坑開挖對鄰近地鐵車站結構有一定影響。通過三維數(shù)值模擬分析，計算得到擬建項目的基坑施工期間，地鐵車站結構水平位移極值為2.287 mm（向基坑方向），豎向位移極值為沉降3.485 mm，車站結構彎矩初始值為-671.7 kN·m，車站結構彎矩極值為-697.7 kN·m，彎矩增量為26 kN·m，增幅為3.87%。

⑵當降水至基坑底以下0.5 m 時，車站側水位下降1.50 m，車站結構最大水平位移為1.391 mm，最大豎向位移為-1.502 mm。

⑶ 數(shù)值模擬能反映車站結構受力和變形的規(guī)律，能量化基坑開挖對車站的影響程度，對基坑設計、施工和監(jiān)測具有較好的工程指導意義。但由于邊界條件、本構模型、巖土參數(shù)選取的差異，模擬值可能與實際有一定差異，施工過程仍須加強對車站的監(jiān)測。