基坑施工對鄰近地鐵車站和區間隧道的影響分析

麥家兒

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

1 工程概況

佛山市越秀星匯云錦商業中心項目由A、B、C三個區組成。A區和B區由多棟超高層建筑物構成，設4層地下室（局部5層），并以C區的4個矩形頂管通道連通。

B區的平面尺寸約101m×87m，基坑深約19.4m，北側緊鄰已運營的廣佛線的桂城站及桂城站—南桂路站區間（以下簡為桂南區間）。B區的基坑采用明挖順作法施工，基坑圍護結構采用1m厚地下連續墻加3道混凝土水平內支撐（圓環撐）的支護體系。

桂城站為廣佛線與規劃中的佛山3號線的換乘站，已運營的廣佛線部分為地下2層結構，規劃的佛山3號線部分為地下3層結構。已運營的桂南區間的左線隧道原采用盾構法施工；右線隧道約113m長采用明挖法施工，并已預留聯絡線的接口條件，右線其余部分系采用盾構法施工。B區基坑與桂南區間明挖段的最小距離約3.06m，與桂南區間盾構段的最小距離約24.72m，與桂城站主體的最小距離約19.08m，與桂城站Ⅱ號出入口的最小距離約10.39m。本基坑工程與既有廣佛線地鐵車站及區間的平面位置關系見圖1—圖2。

圖1 本基坑工程與桂城站及相鄰區間的平面關系圖

場址地層從上往下依次為：①填土、②－1淤泥質土、②－2淤泥質粉細砂、②－4粉質黏土、③－1粉細砂、③－2中粗砂、④－1可塑狀粉質黏土、⑤－2硬塑狀殘積土、⑥全風化泥質粉砂巖、⑦強風化泥質粉砂巖、⑧中風化泥質粉砂巖和⑨微風化泥質粉砂巖。本基坑底部和桂城站、桂南區間底板大部分處于③－2中粗砂層中。B區基坑北側3m范圍內采用φ850mm三軸水泥攪拌樁加固淤泥質土層和砂層。

圖2 B區基坑與廣佛線桂南區間隧道關系剖面圖

2 地鐵保護控制標準

既有地鐵變形控制標準可分為隧道結構變形控制標準和軌道結構變形控制標準兩類［1］。隧道結構變形控制是安全評估最為關鍵的計算內容，而軌道結構變形控制更多是體現在動態監測及預警方面。國內目前可參照的隧道結構變形控制標準有《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》和深圳市地鐵有限公司《城市軌道交通安全保護區施工管理辦法（暫行）》。這兩個規定或管理辦法關于隧道結構變形控制的核心內容大致相同：①結構最大位移不能超過20mm；②隧道變形曲線的曲率半徑必須大于15 000m；③相對曲率不大于1／2 500。

本工程依據上述三個控制值進行基坑設計和對地鐵結構的保護。

3 主要研究內容及方法

采用巖土隧道結構專用有限元分析軟件Midas／GTS建立三維數值模型，重點分析基坑施工過程對鄰近地鐵車站和隧道結構變形的影響。在計算分析中做了如下假設：

1）地鐵結構變形與該處土體變形一致，即地鐵結構網格與土體網格節點耦合共同變形。

2）土體采用修正摩爾—庫倫模型，以更符合基坑開挖卸土的情況。

三維有限元模型的參數如表1所示。

表1 三維有限元模型輸入參數表

3.1 方案設計階段

在方案設計階段，由于支撐型式和平面布置尚未最終定型，采用對撐、桁架支撐或圓環撐也均有可能。為減少三維有限元數值分析模型的建模時間和運行時間，并避免由于方案變化導致的工作反復，采取施加基坑側向位移來模擬地層損失導致地鐵結構變形的簡單模型來進行模擬分析。即首先采用理正深基坑設計軟件對基坑工程地質勘測的典型鉆孔進行分析計算，根據B區基坑圍護結構水平支撐道數、剛度等設計輸入條件，按彈性地基桿系有限元法可得地下連續墻豎向各點的側向位移；然后在Midas／GTS三維模型中一次性挖除基坑內土層，并強制對地下連續墻網格節點施加由理正深基坑軟件計算所得的側向位移，由此便可求得地鐵車站和區間的變形數值。

圖3為方案設計階段的簡單計算模型。經過求解可得在指定基坑發生23.8mm最大位移情況下，桂城站最大側向變形為6.12mm，桂南區間盾構段最大側向變形為7.36mm，桂南區間明挖段最大側向變形為9.68mm，均小于控制值20mm。此時可推測基坑的圍護結構支撐方案基本合理，支撐剛度能夠滿足地鐵保護的要求。

圖3 方案設計階段簡單計算模型

3.2 施工圖設計階段

3.2.1 三維計算模型

在施工圖階段需分析基坑開挖和地下室回筑各種工況下地鐵結構的變形。根據本基坑各道支撐及地下室樓板的標高關系，通過理正深基坑設計軟件可知，基坑及地鐵結構的最大變形出現在拆除第三道水平支撐之前，故三維分析可在拆除第三道水平支撐時截止。

分析中考慮基坑施工的主要工況如下：①施工地下連續墻、中立柱；②開挖第1層土，施作冠梁；③施作第1道水平支撐、腰梁，開挖第2層土；④施作第2道水平支撐、腰梁，開挖第3層土；⑤施作第3道水平支撐、腰梁，開挖第4層土；⑥施作負4層和負3層樓板，拆除第3道水平支撐。

圖4為施工圖設計階段的仿真計算模型。

3.2.2 計算結果分析

圖4 施工圖設計階段B區基坑的仿真計算模型

地鐵車站和區間隧道最大的矢量位移見圖5。桂城站的最大位移是5.76mm，Ⅱ號出入口的最大位移是8.65mm；桂南區間右線明挖隧道的最大位移是9.31mm，右線盾構隧道的最大位移是5.06mm，左線盾構隧道的最大位移是7.10mm，均滿足小于地鐵保護控制值20mm的要求；桂城站、桂南區間右線隧道和左線隧道的結構變形最小曲率半徑分別為34 888m、19 328m、16 205m，均滿足大于地鐵保護控制值15 000m的要求。

圖5 地鐵車站和區間最大矢量位移

對于地鐵車站和區間隧道的沉降，其很大比例是由于在地面上施加20kPa的超載引起的。例如桂城站與區間接口的端墻處、桂南區間右線隧道和左線隧道最大變形處，由于地面超載引起的沉降分別為4.58mm、4.66mm、4.61mm，由于基坑開挖引起的沉降分別為0.38mm、0.40mm、0.32mm。這是由于本基坑深度只比地鐵結構底板埋深稍大，基坑高度范圍內土層側向位移引起地鐵結構底板以下土層的地層損失量有限。

關于地鐵車站和區間隧道的水平位移，是本工程影響分析的重點。圖6—圖8分別是桂城站和桂南區間隧道隨基坑開挖過程的水平變形仿真計算曲線。

由圖6～8可知，桂城站最大水平位移發生在與廣佛線區間隧道接口的端墻處，桂南區間右線隧道和左線隧道的最大水平位移發生在距離車站約47m和48m處，即地鐵結構最大水平位移均發生在距離基坑最近處；地鐵車站和區間隧道的變形隨著基坑開挖逐漸增大，基坑開挖到基底（即工況⑤）和拆除第3道水平支撐澆筑負4層和負3層樓板（即工況⑥），地鐵結構的變形增量可以忽略不計，兩個階段的水平變形曲線基本重疊，變形趨于穩定。

圖6 桂城站水平位移變形仿真計算曲線

圖7 桂南區間右線隧道水平變形仿真計算曲線

圖8 桂南區間左線隧道水平變形仿真計算曲線

4 結語

本文結合鄰近已運營的廣佛線桂城站及桂南區間隧道的越秀星匯云錦商業中心項目工程，通過Midas／GTS軟件，建立了基坑支護結構、地鐵車站、區間隧道和周邊土體的三維有限元數值模型，對地鐵結構的變形進行了詳細的分析，得出以下4點結論：

1）通過在地下連續墻節點上施加水平位移來模擬地層損失的簡單模型，在預評估基坑開挖對地鐵結構變形影響等方面簡單實用，并能考慮多個基坑同步開挖時對地鐵結構變形的疊加影響，與施工圖設計階段的三維仿真計算模型相比，計算誤差在10%以內。

2）通過動態模擬基坑開挖及回筑工況的仿真模型，分析得到基坑施工引起的車站和區間隧道變形均滿足相關規定。從目前基坑施工期間對地鐵的監測數據來看，地鐵結構的實際變形曲線與理論分析大致相同，最大水平位移為9.52mm，發生在桂南區間右線靠近基坑處。故有限元計算分析為本工程的實踐提供了可靠的定量依據。

3）基坑施工使地鐵結構一側的土體發生了水平和豎向卸載，導致地鐵車站和區間隧道產生了朝向基坑方向的水平位移和沉降，且變形以水平位移為主。最大水平位移發生在距離基坑最近處。

4）關于地鐵結構變形的安全性復核計算，一般以隧道變形曲率半徑為控制值，且盾構法隧道比明挖法隧道對變形更加敏感。

［1］李興高.既有地鐵線路變形控制標準研究［J］.鐵道建筑，2010（4）：84.

［2］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009：149.

［3］施仲衡，張彌，宋敏華，等.地下鐵道設計與施工［M］.陜西：陜西科學出版社，2006.

［4］劉占民.基坑突發事故的應急處理對鄰近地鐵隧道的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（11）：77.

［5］徐軍林.地鐵車站深基坑對周圍建筑物的影響分析［J］.城市軌道交通研究，2011（6）：71.