談新建深基坑工程對既有地鐵車站的變形影響

唐 飛 周小華 朱炎兵

(1．武漢地鐵集團，湖北武漢 430000;2．中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

隨著我國城市化進程的加快，地面空間日趨擁擠飽和，建設用地稀缺，加之地鐵周邊地理位置優越，所以目前在地鐵車站周邊進行地下空間開發時，基坑工程距離既有地鐵車站越來越近，甚至二者緊鄰(見圖1)。

基坑的施工會對地鐵車站產生一定的影響，只有將此影響控制在一定的范圍內，才能確保車站結構的安全及地鐵系統正常運營。當前已有學者對這類問題的某些方面進行研究:姚燕明、孫巍［1］以緊靠上海地鐵2號線東方路站的明珠二期張楊路車站基坑工程為背景，對既有地鐵車站的內力變化情況進行分析;高盟等［2］以緊貼上海地鐵2號線靜安寺站的越洋廣場基坑工程為背景，建立三維數值分析模型模擬基坑開挖過程，對既有車站的受力及變形進行了分析;于松等［3］對既有地鐵車站結構單側卸載工況下變形控制技術進行了研究。

目前，鄰近基坑開挖對既有地鐵車站影響及控制標準的研究主要在結構變形方面，但少有一致意見。如對于車站底板的豎向位移，在上述文獻中的分析中，有的抬升，有的沉降。產生這樣迥異的結果，是否與基坑的開挖深度(He)及基坑與地鐵車站的距離(D)有關，有待進一步研究。

圖1 基坑與地鐵車站相對關系圖

本文將采用 PLAXIS8．5建立全基坑模型(見圖2)，通過36組二維數值模擬，研究不同(He，D)組合條件下，深大基坑工程實施對既有地鐵車站的變形影響。

圖2 計算模型有限元網格圖（單位：m）

1 土層參數

蘇州地區水網密布，地下古河道較多，由上而下，典型的地層序列［4］見表 1。

表1 土層物理力學參數

2 計算模型

研究采用控制變量法，設基坑寬度B=60 m，He取值分別為9 m～21 m，增量為4 m，共4個值;D的取值分別為5m～40m，增量為3 m～5 m，共9個值;采用兩兩組合，共計36組工況。分析模型包含一個寬度為60 m的順作法基坑以及一個標準的雙層雙跨島式車站。計算模型邊界距離基坑圍護結構120 m，模型二維尺寸為300 m×72 m。模型側面為位移邊界，限制水平移動;底部為固定邊界，限制水平移動和垂直移動;模型頂面為地表，取為自由邊界。

地鐵車站與基坑支護結構尺寸如表2所示。車站的樓板及墻體以及基坑的圍護結構(地下連續墻)采用Plate單元模擬，基坑支撐采用Anchor單元模擬。各部分結構單元的EI或EA根據表2所示的尺寸計算獲得。為準確模擬土層的變形，粘土采用考慮小應變的硬化土本構模型(HSS);砂土采用摩爾—庫侖本構模型(M-C)。

在開始參數化分析前，采用所取參數對只有基坑的模型進行試算。試算結果表明，當基坑開挖深度分別為9 m，13 m，17 m，21 m時，地下連續墻最大側移量與實測統計平均值十分接近［5］。

3 計算結果分析

基坑開挖至坑底后，新建基坑與地鐵車站的變形如圖3所示(He=21 m，D=11 m)。由圖3可以看出，受側向基坑開挖的影響，地鐵車站結構會呈現出不均勻側移和輕微的不均勻沉降，這有可能對地鐵車站結構的承載力以及列車的運行造成不可接受的影響。

表2 地鐵車站和基坑尺寸

圖3 基坑開挖后有限元網格變形圖

3．1 車站底板變形及軌道橫向轉角

在鄰近基坑開挖過程中，車站結構的初始變形將發生變化，其變化值稱之為附加變形。附加變形加劇或減緩了車站結構的初始變形。如圖4所示為He=21m，D=5 m和He=21 m，D=35 m兩種工況下車站底板在不同施工階段時的變形圖。當車站距離基坑較近時，基坑開挖引起底板順時針旋轉;而當車站與基坑較遠時，基坑開挖引起車站底板逆時針旋轉。

圖4 不同階段車站底板的變形圖

由于列車軌道是鋪設在底板上，底板的變形直接影響軌道的平面傾角。當傾角過大時將對列車運營造成影響;忽略底板的水平向和豎向的剛性平移，選取左右線軌道平面轉角為變形指標，如圖5所示。

圖5 底板變量定義

由于底板初始變形的存在，列車左線(靠近基坑一側，下同)和右線(遠離基坑一側，下同)軌道存在一定的初始轉角，其絕對值為8．8×10－5。周邊深基坑工程實施造成左線傾角最大絕對值為51．7 ×10－5，右線傾角最大絕對值為18．9 ×10－5。

GB 50299-1999地下鐵道工程施工及驗收規范規定:軌頂橫向高差不大于2 mm，即允許的軌道平面轉角為139．4×10－5;在本研究范圍(He∈(9，21)，D∈(5，40))內，|ωl|的最大值為 51．7 ×10－5，約為允許轉角的1/3，滿足軌道橫向高差的要求。

3．2 車站側墻變形

車站側墻最終相對變形(Δ/L)與(D/He)的關系如圖6所示。可以看出，當D較小時，基坑開挖引起的地鐵車站側墻附加位移較大。在左側墻處，附加位移與初始位移方向相反，因而左側墻相對變形減小;在右側墻處，附加位移與初始位移方向相同，因而右側墻相對變形增大。隨著D增大，基坑開挖引起的車站側墻附加位移逐漸減小，因而車站側墻最終相對變形左增右減，二者逐漸趨于初始狀態的相對變形。可以看出，當D＞1．5He時，基坑開挖對地鐵車站左右側墻最終相對變形的影響可以忽略。

圖6 車站側墻最終相對變形圖

3．3 中柱轉角

為方便評價基坑開挖引起車站結構傾斜的作用，選取中柱轉角α為指標，取順時針轉動為正，逆時針轉動為負。α隨D/He的變化關系如圖7所示，車站左右側墻以及中柱的附加變形幾乎一致。約在D/He=1時，不同開挖深度的基坑引起鄰近車站左右側墻的最終剛性轉角相同，且接近于零，此時可認為車站結構未發生旋轉。

圖7 車站中柱轉角變化圖

3．4 剪切作用

當基坑與地鐵車站距離較近時，地鐵車站結構受到剪切作用。主要表現在車站結構發生旋轉過程中，由于車站左右側墻的剛度比底板、中板和頂板要大，這三層樓板的附加變形呈現“波浪狀”，但隨著距離的增大，“波浪狀”逐漸變為“圓弧狀”。為衡量不同工況下車站結構所承受的剪切作用，如圖8所示，選取車站中柱的轉角α與車站底板剛性轉角ωr的差值γ為指標。

圖8 車站結構剪切變量定義

當基坑與地鐵車站距離較近時，車站結構受到的剪切作用較強，|γ|的最大值為34．17 ×10－5;隨著距離的增大，|γ|逐漸減小，當D=2He時，γ已處于零值附近，表明此時車站結構所受的剪切作用已經很小，可以忽略。同時，可以看出，鄰近基坑開挖深度越大，車站結構受到的剪切作用越強，但其主要存在范圍并不顯著改變，皆為2He。

4 結語

1)新建基坑引發地鐵車站結構出現沉降、不均勻沉降、旋轉等類型的變形。當D/He較小時，車站結構呈現順時針旋轉，隨著D/He增大，車站結構逐漸變為逆時針旋轉。約在D/He=1時，可認為車站結構未發生旋轉。2)鄰近基坑開挖會引起運營地鐵車站結構產生不均勻側移和不均勻沉降。同時，由于車站結構各部分抗彎剛度(EI)不盡相同，使得車站結構各部分發生局部變形。由于車站左右側墻剛度較大，因而其變形主要以剛體位移為主。3)當D＞1．5He時，基坑開挖對地鐵車站結構變形的最終相對變形的影響可以忽略。4)當基坑與地鐵車站距離較近時，車站結構受到的剪切作用較強;同時鄰近基坑開挖深度越大，車站結構受到的剪切作用越強，但其主要存在范圍并不顯著改變，皆為2He。

［1］姚燕明，孫 巍．深基坑開挖對共用連續墻的既有車站結構內力影響的空間分析［J］．巖土工程學報，2006，28(sup):1411-1414．

［2］高 盟，高廣運，馮世進，等．基坑開挖引起緊貼運營地鐵車站的變形控制研究［J］．巖土工程學報，2008，30(6):818-823．

［3］于 松，許 抒．既有地鐵車站結構單側卸載工況下變形控制技術［J］．建筑施工，2008，30(5):352-355．

［4］王國慶．蘇州軟土地區的基坑支護工程［J］．江蘇地質，2001，25(2):111-114．

［5］朱炎兵，周小華，魏仕鋒，等．臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀研究［J］．巖土力學，2013，34(10):2997-3002．

［6］張文奇．深基坑開挖對臨近地鐵的影響分析［J］．山西建筑，2013，39(8):63-65．