與既有地鐵并行的車站深基坑變形數值模擬分析

孫 波

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063)

1 概述

近年來，隨著我國經濟的快速發展，人口越來越多地流向大城市，造成城市交通狀況日益惡化。地鐵作為緩解城市交通擁堵的一種有效交通方式，被越來越多的城市采用，而且許多地鐵修建在城市繁華中心地帶。這些地方，土地利用價值高，所以不可避免一些地下空間開發選擇在既有地鐵區間很近的地方。地鐵盾構區間隧道一般采用預制混凝土管片和高強螺栓拼裝的形式，整體剛度小，對變形較為敏感。周邊地下空間基坑開挖易造成隧道發生收斂變形，從而發生管片接縫張開，進而造成地下水滲漏。滲漏又會造成地層中的粉土顆粒進入區間，發生冒砂、冒泥。隨著地層的流失，結構裂縫又會進一步擴張，最后造成道床脫空等病害。這嚴重影響列車的正常運營安全，也會對旅客的乘坐舒適度產生影響[1-5]。因此，各個城市對既有運營隧道的變形控制極為嚴格[6-8]。

國內外諸多學者開展了相關研究工作。劉庭金等[9]研究了臨近既有隧道的基坑開挖對隧道的影響，結果表明：對隧道影響最大因素為隧道外側由于基坑開挖卸載造成的土壓力釋放大小。蔣洪勝等[10]對某基坑臨近的地鐵隧道由基坑開挖引發的變形的監測結果進行了分析，分析結果顯示一方面基坑臨近隧道由于自身剛度會對基坑開挖引發的位移在一定程度上產生抵抗作用， 另一方面這種作用使得隧道自身的橫向變形進一步加劇。祝龍川[11]結合上海地區某典型工程實例，根據既有隧道的監測結果，分析了隧道在臨近基坑開挖過程中受力特性。李進軍等[12]結合上海典型軟土地層中緊鄰地鐵區間隧道的深基坑工程，總結了相關設計方法和措施。王如路等[13]對地鐵運營隧道上方深基坑開挖卸載引起的變形情況進行了監測和研究。

杭州地鐵8號線某車站基坑和既有地鐵1號線區間隧道呈平行關系，平行長度約400 m。本文結合此車站基坑，基于Plaxis二維和三維數值模擬，研究了與既有地鐵并行的車站深基坑的變形控制。本文和之前的研究區別在于，本基坑和既有區間隧道呈平行關系，長邊效果明顯，開挖影響范圍大，對既有區間隧道的影響也更大。而前述其他學者研究的基坑均位于既有區間周邊某一范圍內，影響面相比較小。

隨著地鐵運營線路的增多，這種和既有區間隧道并行的車站基坑會越來越多。本文基于既有案例的數值模擬分析，提出指導基坑開挖和隧道保護措施的建議，可供類似工程參考借鑒。

2 計算模型的建立及分析

2.1 工程概況

本項目為杭州地鐵8號線文海南路站，此站為地鐵1號線和8號線換乘車站，換乘方式為通道換乘，二者均為地下兩層站，基坑深度約為17 m，其中1號線目前正在運營。8號線文海南路站全長約590 m，地鐵1號線文海南路站全長約290 m，故8號線車站基坑和1號線既有區間并行長度約300 m。8號線基坑距1號線車站結構最近約5 m，8號線基坑距1號線區間結構最近約8 m。既有1號線區間采用350 mm厚管片，盾構內徑5.5 m，線間距17 m。1號線已于2015年通車運營，設計時未考慮8號線基坑開挖對1號線車站和區間的影響。另外，8號線文海南路站以北緊鄰2號渠河道，車站結構距河道邊約5 m，河道寬約25 m，河道深約2 m。綜上，本站的施工風險極大。8號線車站基坑和既有地鐵平面位置關系如圖1所示。

圖1 8號線車站基坑和既有地鐵平面位置關系

本項目場地內的地層主要有雜填土、砂質粉土、粉砂、淤泥質粉質黏土以及黏土層，基坑坑底位于淤泥質粉質黏土層。

根據勘察成果，場地巖土設計參數建議采用表1中數值。

表1 物理力學參數

根據本車站所處的環境、工程地質、水文地質，經技術經濟綜合比較、計算分析和工程類比，本車站側墻結構采用復合墻體系。為了減小基坑開挖變形，靠近1號線一側的主體圍護結構采用厚度1 000 mm地下連續墻，河道一側的主體圍護結構采用厚度800 mm地下連續墻。

本站基坑采用5道支撐+1道換撐進行支護，其中第1道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐，鋼支撐全部采用預應力補償系統。為了減小基坑開挖對1號線影響，擬對整個車站基坑在長度方向采用封堵墻分割為7個小基坑，每個基坑長約80 m。基坑采用跳坑施工，即先期施工一期基坑(第1、3、5、7基坑)，在一期基坑結構頂板施工完成后方可進行二期基坑(第2、4、6基坑)施工。基坑跳坑開挖方案如圖2所示。理論上分坑寬度越小，基坑的長邊效應也越小，開挖對既有1號線車站以及隧道結構的影響也就越小，但是分坑過多會影響工程的施工工期。本文后續根據有限元分析來驗證假定的跳坑方案是否合理。其中二維有限元分析屬于平面應變，對應于基坑中間未設封堵墻，不分坑的情況。三維有限元分析對應于坑中設置封堵墻，跳坑施工的工況。

圖2 8號線基坑跳坑施工示意

2.2 變形控制標準

根據《城市軌道交通工程監測技術規范》(GB50911—2013)和《杭州市城市軌道交通運營管理辦法》對于軌道交通規劃、運營等方面的規定，對于已運營地鐵隧道，城市軌道交通結構安全控制指標應符合以下標準。

(1)隧道結構豎向變形累計值小于10 mm。

(2)隧道結構水平變形累計值小于5 mm。

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(3)結構裂縫寬度預警值：迎水面<0.1 mm，背水面<0.15 mm。結構裂縫寬度控制值：迎水面<0.2 mm，背水面<0.3 mm。

2.3 二維有限元分析

二維數值分析采用巖土有限元軟件Plaxis 2D，土體采用小應變硬化模型(HSS模型)[14-20]。基坑地連墻采用板單元進行模擬，支撐采用點對點錨桿單元，車站內襯結構、隧道管片等采用板單元模擬。數值分析包括分步加撐、分步開挖、分步拆撐及回筑階段。

8號線基坑在加撐開挖過程中，兩側地連墻和周圍土體均發生朝向坑內的水平位移，隨著開挖的進行，水平位移最大點逐步下移，均出現在開挖面附近。當基坑開挖到底結構回筑過程中，由于拆撐造成圍護結構進一步發生朝向坑內的水平位移，所以在整個開挖回筑過程中，回筑完成后的位移最大，此時1號線結構也最不安全。鑒于篇幅，本文只給出基坑內襯結構全部回筑完成后的位移云圖。

2.3.1 基坑開挖對1號線區間隧道的影響

圖3給出了內襯結構回筑完成后，整個模型的水平位移，從圖3可以看到，基坑在經歷開挖和回筑后，地連墻均發生了朝向坑內的水平變形，水平變形最大值位于坑底以下2 m左右，在豎向方向上呈“大肚子”狀。右側地連墻的最大水平位移為11.15 mm，左側地連墻最大水平位移為9.38 mm。左側位移小于右側是因為左側位于河道邊，地面超載范圍小。圖4給出了整個模型的豎向位移，從中可以發現坑內土體最大隆起量為85.34 mm，最大隆起位置位于坑底中間附近。另外，從圖5可以看到，基坑在開挖和回筑完成后，1號線區間隧道發生了斜向坑內的以水平位移為主的變形，變形后區間呈“鴨蛋”狀。其中左線隧道最大水平位移為6.55 mm，最大沉降為3.57 mm。右線隧道的最大水平位移為2.56 mm，最大沉降為0.9 mm。綜上所述，在8號線基坑開挖以及回筑階段，1號線既有區間的左線隧道的水平位移大于變形限制值(5 mm)，不滿足要求，右線隧道在規定的變形范圍之內。

圖3 區間水平位移(結構回筑完成后)

圖4 區間垂直位移(結構回筑完成后)

圖5 地連墻以及既有地鐵隧道位移(結構回筑完成后)

2.3.2 基坑開挖對1號線車站結構的影響

圖6～圖8給出了8號線基坑開挖以及回筑對地鐵1號線車站結構的影響。從圖中可以看出，相比區間斷面，不管是8號線基坑的變形型態還是1號線車站結構的變形型態都有很大不同。變形特點主要有以下幾個方面：(1)由于車站的范圍比較大，所以對于8號線基坑來講，由于1號線車站側墻的遮擋，1號線車站和基坑間的主動土壓力會較小，使得基坑左側的土壓力大于右側，造成左側地連墻的位移要大一些，并且位移最大值相比區間斷面也減少30%；(2)由于1號線車站側墻的遮擋，地連墻在開挖范圍內呈馬鞍形；(3)由于1號線車站結構頂板的遮擋，地面的超載無法傳遞到下部的土體中，造成1號線車站結構和基坑右側土體在豎向上發生了隆起變形；(4)1號線車站結構發生了斜向上的變形，其中水平變形為1.8 mm(坑內方向)，隆起為1 mm。綜上分析，在8號線基坑開挖和結構回筑后，1號線車站結構的位移都在變形限制值之內。

圖6 車站結構水平位移(結構回筑完成后)

圖7 車站結構垂直位移(結構回筑完成后)

圖8 地連墻以及既有地鐵隧道位移(結構回筑完成后)

2.4 三維有限元分析

如上節所述，二維數值模型屬于平面應變，并不能反映本基坑中間設置封堵墻、跳坑施工的情況，但三維數值模型可以體現這種影響。三維數值分析采用巖土有限元軟件Plaxis 3D，土體仍采用小應變硬化模型(HSS模型)[14-20]，模型參數和上節二維模型參數一致。工況相比二維數值分析，分成一期基坑(第1、3、5、7基坑)和二期基坑(第2、4、6基坑)，待一期基坑分步加撐、分步開挖、分步拆撐及回筑階段完成之后，再進行二期基坑的加撐、開挖以及回筑階段。同上節，這里也只給出內襯結構全部回筑完成后的工況分析。

根據基坑開挖對周邊的影響范圍，合理選取模型尺寸可減少邊界條件對計算結果的影響。計算模型的平面尺寸為720 m(X方向)×120 m(Y方向)。最大圍護結構深度(Z方向)約為47 m，計算模型中深度(Z方向)取60 m，三維模型如圖9所示。

經計算，施工完成后，Uy方向圍護結構最大水平位移為9.4 mm(圖10)，方向均朝向坑內，小于二維計算的結果(11.15 mm)，另外從圖10可以發現，第一批基坑的圍護結構發生的位移普遍要大于第二批基坑的位移，跳坑施工效果明顯。

圖10 圍護結構Uy方向位移

圖11給出了內襯結構回筑完成后，Ux方向的位移云圖，從圖中可以知道，Ux方向圍護結構最大水平位移為10.3 mm，主要為基坑兩個端頭的位移，方向均朝向坑內。

圖11 圍護結構Ux方向位移

圖12 既有1號線結構Uy方向位移云圖

圖12、圖13分別給出了施工完成后，既有1號線車站結構和區間在y方向的云圖和變形示意圖。從圖中可以發現，既有1號線區間的水平位移最大值為4.1 mm，方向朝向8號線基坑方向。變形最大值發生在8號線車站第1個基坑中間附近位置，這是因為第1個基坑是7個基坑中最長的一個。圖14、圖15分別給出了施工完成后，既有1號線車站結構和區間在z方向的云圖和變形示意。從圖中可以發現，既有1號線區間的沉降最大值為2.4 mm。

圖13 既有1號線結構Uy方向變形示意

圖14 既有1號線結構Uz方向位移云圖

從圖13中可以看到，在8號線基坑開挖及回筑完成后，整個區間在長度方向上呈“W”狀，位移大值發生在各個基坑的中間部位，位移小值發生在各個封堵墻位置。

圖15 既有1號線結構Uz方向變形示意

另外，表2給出了8號線基坑開挖前、基坑開挖過程中、基坑開挖到底以及結構回筑后1號線既有區間管片的強度及裂縫驗算結果，從表2可以看出，目前既有區間管片配筋滿足規范要求，處于安全狀態。

從上述分析中可以看到，8號線基坑經過設置封堵墻、跳坑施工后，既有1號線區間和車站的變形以及強度均滿足規范的相關要求，可以保證基坑開挖過程中并行既有車站和區間隧道的安全。

表2 管片強度以及裂縫驗算

3 結論

本文基于杭州地鐵8號線與既有地鐵1號線線路平行的車站基坑，進行了Plaxis二維和三維數值模擬。通過對比二維和三維數值分析，驗證了分坑的有效性，并得到如下結論。

(1)對于和既有地鐵線路平行的長條形基坑，設置封堵墻、跳坑施工是減小對既有結構影響的最有效措施。分坑長度需根據地質、周邊環境等綜合確定，一般不超過100 m。

(2)在基坑和既有區間附近，基坑開挖和回筑完成后，地連墻均發生了朝向坑內的水平變形，水平變形最大值位于坑底以下2 m左右，在豎向方向上呈“大肚子”狀；既有區間隧道會發生斜向坑內的以水平位移為主的變形，豎向位移為沉降，變形后區間呈“鴨蛋”狀。

(3)在基坑和既有車站附近，基坑開挖和回筑完成后，由于既有車站結構的遮擋，地連墻朝向坑內的變形減小，在開挖范圍內呈馬鞍形；既有車站發生斜向坑內的變形，豎向位移為隆起。

(4)基坑開挖及回筑完成后，整個既有區間在長度方向上呈“W”狀，位移大值發生在各個基坑的中間部位，位移小值發生在各個封堵墻位置。