基坑開挖對鄰近既有城際鐵路車站安全影響分析

李日華

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

城市建設進程的加速帶來了各種基礎設施、民用建筑以及工業建筑的建設，使得地面建設空間變得日趨緊張[1]，地下空間開發力度的加大使得越來越多的基坑工程出現在地鐵、城際鐵路車站等的附近。臨近既有城際鐵路車站的基坑工程勢必會對車站產生一定的影響，而既有城際鐵路車站對其自身的變形要求也是極其嚴格的[2]。因此，如何通過科學有效的方法對基坑開挖引起的既有城際鐵路車站的結構位移及內力變化進行安全評估是至關重要的。

本文運用基于MIDAS GTS NX的三維數值模擬方法，對某臨近既有城際鐵路車站的基坑開挖工程從位移和內力變化兩個方面進行計算評估。

1 工程概況

本基坑開挖深度為7.65～8.60m，基坑周長約301.37m。基坑南、北側部分采用樁錨支護，東側距既有城際鐵路出入口約6.8m，采用單排樁懸臂支護，西南角靠近已建建筑，采用雙排樁支護，西側為地下室側墻，無需支護。基坑直立開挖，各段均設上部放坡及平臺。基坑及車站所處地層從上到下依次為雜填土、淤泥、砂質黏土和全風化花崗巖。

2 數值計算方案

2.1 有限元模型建立

本次數值模擬采用摩爾庫侖（M.C）彈塑性本構模型，數值計算軟件為大型商業數值軟件MIDAS GTS NX。考慮到施工過程中的空間效應，計算模型取基坑工程與城際鐵路車站的有效影響范圍，本次數值計算中取長400m、寬250m、自地表向下100m厚的土體作為計算分析范圍。重點分析受基坑工程施工影響城際鐵路車站結構及軌道結構產生的變形情況[3]。三維有限元計算模型如圖1所示，計算模型中基坑與城際鐵路車站的相對位置關系如圖2所示。

本次計算模型中，基坑及車站周圍的土體采用實體單元模擬，不同的土層采用不同的材料模擬，模型頂面設為自由邊界，其余各面采取法向約束，基坑灌注樁和車站結構采用板單元模擬，軌道結構采用梁單元模擬[4]。

圖1 三維有限元計算模型圖2計算模型中基坑與車站相互位置關系

2.2 計算參數選取

土層參數參照勘察報告確定，各土層基本物理力學性質參數取值如表1所示。

表1 土體物理力學參數

要徹底模擬基坑中樁與樁之間、樁與土體之間的相互作用，從模型和理論上都是困難的，因此對樁與樁之間、樁與土體之間的混合體采取材料參數等代的思路，以近似模擬樁的作用。通過剛度等效原理：可得出在剛度等效的情況下，車站及圍護結構的參數，如表2所示。

表2 車站及圍護結構參數

2.3 施工模擬

本次評估采用分層施工方式模擬，計算模型中的施工工序采用10步模擬。

本次數值模擬的計算原則如下：

（1）假定圍巖各層都是各向同性連續介質，土體采用Mohr-Coulomb模型，車站主體結構、附屬結構與基坑圍護結構采用彈性模型；

（2）假定地表和各土層均成層均質水平分布；

（3）地層和材料的應力應變均在彈塑性范圍內變化；

（4）初始平衡按照將重力加速度加到模型上，由程序自動獲得；

（5）計算建模時，對基坑工程范圍、城際鐵路車站范圍及周邊網格剖分加密。

（6）計算荷載主要考慮為重力荷載。

3 計算結果分析

3.1 車站及出入口變形計算結果

基坑工程施工過程對城際鐵路車站及地表產生一定程度的附加位移，為明確這種附加位移，對基坑施工各階段城際鐵路車站的位移進行了分析，部分位移云圖如圖3所示。

圖3 基坑施工部分階段車站位移云圖

依據數值計算結果可知，整個施工階段城際鐵路車站結構總位移最大值約為4.440mm，出入口結構總位移最大值為11.681mm，不同施工階段下位移結果列于表3中。

表3 各施工階段既有車站及出入口結構位移結果

車站結構最大總位移隨施工步變化情況如圖4所示。出入口結構最大總位移隨施工步變化情況如圖5所示。

圖4 車站結構最大總位移隨施工步變化曲線

圖5 出入口結構最大總位移隨施工步變化曲線

由圖5、圖6可知，基坑開挖過程中，由于開始開挖的土層較淺，對車站及出入口結構的影響相對較小，所以車站及出入口結構位移變化較小。隨著基坑開挖深度越來越大，對車站及出入口結構的影響也越來越大，其位移變化越來越大，至開挖完最后一塊土體后，車站結構的最大總位移達到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口結構的最大總位移達到了11.681mm，小于20mm的控制值。結構最大總位移小于20mm，則結構水平、豎直方向位移也必然小于20mm的控制值，因此滿足了車站及出入口結構的位移控制要求。

3.2 出入口結構內力計算結果

本項目基坑距離城際鐵路車站出入口僅6.8m，通過分析基坑開挖完成后出入口結構的內力云圖，如圖6所示，可以了解出入口結構的安全性。

圖6 基坑開挖完成后出入口結構內力云圖

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010(2015版)），通過提取關鍵點的內力，可以計算得出基坑開挖完成后出入口結構裂縫寬度，如表4所示，經檢算，各關鍵點均能滿足裂縫控制要求。

表4 基坑開挖完成后出入口結構安全性分析

3.3 軌道變形計算結果

為明確城際鐵路軌道變形情況，選取距離車站較近的西側股道為研究對象，分析其水平位移和豎向位移。軌道與基坑的相對位置關系如圖7所示，西側股道的細部圖如圖8所示。

圖7 軌道與基坑的相對位置關系圖8西側股道細部圖

按照10弦長，確定24個比較位置，分析了基坑開挖過程中西側股道的位移變化情況，發現最大位移變化出現在開挖基坑最后一塊土體時，此時西側軌道1號軌軌向偏差最大為0.045m，西側軌道2號軌軌向偏差最大為0.044m，西側軌道水平偏差最大為0.212m，西側1號軌高低差值最大為0.425mm，西側2號軌高低差值最大為0.390m，均小于2m的控制值。

4 結 論

通過采用MIDAS GTS NX仿真平臺，建立包含本基坑工程影響范圍內的城際鐵路車站結構、軌道和地層等工程項目要素在內的三維計算模型，對基坑施工引起的力學特性及土層位移變形特性進行了分析，得到主要結論如下：

（1）基坑工程對既有城際鐵路車站存在一定的影響，引起既有結構產生一定的變形，至開挖完最后一塊土體后，車站結構的最大總位移達到了4.440mm，小于20mm的控制值；出入口結構的最大總位移達到了11.681mm，小于20mm的控制值。結構最大總位移小于20mm，則結構水平、豎直向位移也必然小于20mm的控制值，因此滿足了車站及出入口結構的位移控制要求。

（2）基坑開挖的各階段中，開挖最后一塊土體對軌道產生的影響最大，但其變形范圍均在規范控制范圍之內。

（3）車站周邊大規模基坑施工的情況在已開通運行地鐵的城市較常見，在調研的案例中，車站出口與基坑最近的距離僅為2.1m。盡管本基坑工程與既有城際鐵路車站水平距離較近，但在采取恰當基坑支護方案的前提下，基坑施工不會對臨近的城際鐵路運營安全產生重大影響。