深基坑施工對臨近地鐵車站穩定與變形特性研究

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510641)

引言

近年來，城市地鐵建設正處在高速發展階段，地鐵車站作為地鐵運營節點，其安全性十分重要。由于城市建設發展的需要，地鐵車站不可避免的會受到臨近工程活動的影響，包括深基坑開挖等。

針對基坑開挖對臨近結構的影響，國內外很多學者進行了相關研究，主要通過理論分析[1]、數值模擬[2]、現場實測[3]等方法。其中結合工程實踐的數值模擬方法得到了廣泛的應用和發展，鄭剛[4]等結合天津市某鄰近既有隧道深基坑實測資料，研究了基坑施工對坑外既有隧道的影響規律；溫忠義[5]等對廣州某深基坑開挖對鄰近地鐵的影響進行了有限元模擬，并與實測結果進行對比分析；付江山[6]等采用FLAC3D有限差分數值模擬軟件，研究了超大基坑施工對臨近建筑的影響規律，并提出具體控制措施。徐長節[7]等基于Plaxis模擬分析了基坑開挖對建筑物基礎不均勻沉降的影響程度。

從現有基坑工程相關研究方法來看，通過數值模擬可以有效分析基坑工程的整體性狀。隨著對基坑空間效應認識的不斷深入，基坑工程的三維空間性狀也得到日益廣泛的關注[8]。本文根據深圳某臨近地鐵車站深基坑工程，基于三維有限元分析方法，研究基坑開挖各個階段對對臨近車站產生的影響，從而為實際工程的設計施工提供理論和計算依據。

一、工程概況

本文研究的工程基坑支護工程周長為405.88m，開挖面積為9057.75m2，基坑深度約22.61m～31.31m，屬于深基坑工程。基坑主要采用“咬合樁+四道內支撐”和“地下連續墻+四道內支撐”的支護形式。工程北側與地鐵11號線車站緊鄰，東側則緊臨13號線車站。

本場地主要地質條件及支護結構參數如表1、2所示，由表1可知，基坑施工范圍內存在強度較低的淤泥，對基坑支護會產生不利影響。

表1 土層物理力學參數

表2 支護結構的力學參數

二、基坑開挖有限元計算與分析

如圖1所示，建立基坑開挖的三維有限元計算模型，本次分析主要在于新建基坑開挖對既有地鐵結構影響及基坑支護結構力學特性分析，主要分析工況如下：(1)初始應力場計算；(2)11號線及13號線車站施工；(3)基坑支護樁、立柱施工；(3)基坑第一次開挖并施工第一道支撐體系；(4)基坑第二次開挖并施工第二道支撐體系；(5)基坑第三次開挖并施工第三道支撐體系；(6)基坑第四次開挖并施工第三道支撐體系(7)施工底板及各層頂板。詳細土層及支護結構參數見表1及表2。

圖1 基坑開挖有限元計算模型

(一)基坑支護及地鐵車站結構變形分析

表3 基坑開挖各階段結構位移最大值匯總

表3為基坑開挖各個階段基坑支護結構、11號線及13號線車站結構的位移最大值，由表可知：

1.本項目基坑開挖施工過程中，支護結構最大位移為20.93mm，位置在基坑西側，基坑最大位移小于《建筑基坑工程監測技術規范》(GB50497-2009)中規定的深層水平位移控制值(40mm)。

2.受基坑開挖施工影響，11號線車站X向位移最大值4.87mm，車站Y向位移最大值為6.45mm，13號線車站X向位移最大值6.91mm，車站Y向位移最大值為2.86mm，且大部分集中在車站中部靠近基坑附屬部分，主體絕大部分位移都在1～2mm。車站結構位移小于《地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法》(2018年版)中的限值10mm。

(二)地鐵車站結構內力分析

由于基坑的開挖會使地鐵車站側墻產生一定的增量位移，在增量位移的影響下，需要對側墻的承載能力進行驗算。根據《混凝土結構設計規范》，由已知地鐵車站側墻的配筋可以按下式計算：

α1fcbx=fyAs

(1)

(2)

根據式1及式2，可以得出地鐵車站側墻的抗彎承載力設計值為827kN·m。由圖2可知，地鐵車站側墻的最大彎矩變化值為17.16kN·m，遠小于最大設計抗彎承載力，地鐵車站側墻是安全的。

圖2 地鐵車站側墻主體結構彎矩變化值(最大彎矩)

三、結語

本文以深圳某臨近地鐵車站的基坑工程為實例，采用實際工程的施工工況，運用有限元方法分析方法模擬了基坑開挖的全過程。分析結果表明，本項目基坑開挖對基坑支護結構及臨近地鐵車站存在一定的影響，但均滿足相關建筑規范規定的位移及內力限值，而針對位移及內力出現極值的施工階段應尤其注意，在實際施工過程中應做好實時監測，保障基坑支護結構及地鐵車站結構的安全與穩定。同時，采用數值計算的方法可以很好的分析各個階段基坑支護結構及臨近結構的變形及內力分布，結合實際工程實際的數值模擬分析是必要的，為工程的設計施工提供理論計算和分析依據。