城市軌道交通車站施工對周圍環境影響數值模擬研究

（安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

基坑開挖是一個動態的過程，這使得周圍土體的應力變化隨之發生，進而影響土體周邊建筑物，對于城市軌道交通工程而言，周邊環境復雜，必須科學合理地確定地表沉降值，評估地表沉降造成的環境（周圍建構筑物、地表道路、城市管線等）影響程度[1]。因此采用合理的方法進行數值模擬分析，并進行預測很有必要。楊福麟等針對武漢軌道交通工程用有限元軟件MIDAS模擬軌道開挖工程，研究了軌道開挖對地表沉降的影響[2]；孟益平等針對青島軌道交通工程用有限元軟件ANSYS分析軌道開挖對地表沉降的影響[3]。

針對合肥市軌道交通6號線和8號線換乘站徽州大道站周邊某建筑物進行計算分析，很好地模擬了城市軌道交通工程車站基坑的開挖。計算結果表明：基坑開挖過程中，坑底產生了一定的隆起，坑壁兩側一定范圍內的土體產生了豎向沉降；建筑物靠近基坑較近的一端發生了一定的沉降，而遠離基坑的一端沉降相對較小。

1 工程概況

1.1 軌道交通車站工程概況

合肥軌道交通6號線徽州大道站位于太湖路與徽州大道交叉口東南象限地塊，為6、8號線同期實施T型換乘車站。車站整體位于太湖路南側，6號線位于徽州大道與青年路之間呈東西向布置，8號線沿徽州大道南北向設置。6號線車站為地下四層14m島式車站，有效站臺中心里程為CK21+519.791，車站主體外包總長212.1m，標準段外包尺寸寬22.90m。8號線車站為地下三層14m島式車站，有效站臺中心里程為CK1+666.262。車站主體外包總長188.456m，標準段外包尺寸寬22.90m。車站共設11個出入口（含5個物業出入口）、5個消防專用出入口、4組風亭共設新風井、排風井、活塞風井20座。本站兩側區間工法均為盾構法施工，盾構井為兩端始發。本車站勘探范圍內揭露的主要巖土層有第四系填土層、沖積黏土層及白堊系砂質泥巖等。

1.2 周邊某建筑物概況

該建筑物為地下一層、地上六層框架結構，基礎采用柱下獨立基礎，基礎埋深約為6.5m，持力層為建筑物勘察報告中②層粘土層，地基承載力特征值fak=260kPa。負一層層高為3.3m，一層層高為3.8m，二層層高為3.6m，三至六層層高為2.8m。該建筑物標準層平面布置示意圖見圖1。

1.3 建筑物與車站工程相對位置關系

該建筑物為地下1層，地上6層框架結構，采用獨立基礎，基礎埋深6.5m，其距徽州大道站6號線基坑73.7m，距徽州大道站8號線基坑33.5m，距5號出入口基坑4.22m，位置關系如圖2～圖3所示。可見，建筑物受影響的主要為5號出入口基坑與徽州大道站8號線基坑，故數值計算中可僅考察5號出入口基坑與徽州大道站8號線基坑的施工擾動，而無需考慮徽州大道站6號線基坑對該建筑的影響。

圖1 建筑物標準層平面布置示意圖

8號線標準段基坑深度約25.630m，坑底位3-1-2黏土層，圍護結構選用Ф1200@1400鉆孔灌注樁，樁長約36.50m，樁底位于弱風化泥質砂巖＜6-2-3＞ 中，插入比為 1：0.31，沿基坑深度方向設置五道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，第二道為Ф609鋼支撐，第三、四、五道為Ф800鋼支撐。

徽州大道站5號出入口由基坑段與暗挖段組成，基坑段長約36.0m、寬6.7m，圍護結構選用Ф600@800鉆孔灌注樁，樁長約15.3m，內設兩道鋼支撐；暗挖段長約32.0m，上部覆土厚度約10.5m。

圖2 建筑物與車站工程位置關系平面示意圖

圖3 建筑物與車站工程位置關系剖面示意圖

2 模型假設及地層力學性質參數

2.1 模型假設

①建筑物已投入使用多年，故認為其地基的固結沉降及基礎的工后沉降早已完成。

②為了降低數值計算工作量，認為建模范圍內各土層呈均質水平層狀分布，且同一土層為各向同性。

③基坑所在的土層屬于弱透水層，且施工過程采取多種措施有效阻止地下水向基坑內的滲透、流動，故有限元計算中忽略地下水的滲透、流動影響。

④通常，基坑施工的最危險工況發生在基坑底板澆筑之前。基坑底板澆筑之后，后續順作法施工箱型混凝土車站結構，車站結構的施工逐漸提高了基坑的穩定性，危險性大大降低。故本次計算僅模擬基坑開挖至底板澆筑為止。

⑤建筑上部結構的荷載按15kPa/層，等效分配到各基礎上。

2.2 土體計算參數

鉆孔灌注樁等效為地下連續墻，采用板（plate）單元進行模擬，采用彈性本構模型；混凝土支撐采用梁（beam）單元進行模擬，其截面尺寸及慣性矩按實際計算，采用彈性本構模型；鋼支撐采用點對點錨桿單元（便于施加預應力）進行模擬，各類結構的計算參數見表2所示。

土體計算參數 表1

基坑結構計算參數 表2

3 有限元模型的建立

現用三維數值模擬分析徽州大道站基坑對建筑物的影響。徽州大道站基坑與建筑物之間的結構模型如圖4所示。模型長寬高為200m×190m×70m，使基坑與建筑的外圍到模型邊緣的距離不小于25.0m。采用15節點三角形單元進行劃分，網格剖分如圖5所示。

圖4 徽州大道站基坑建模結構圖

圖5 隱藏部分土體的有限元網格剖分

4 計算步驟及計算說明

徽州大道站主基坑共5道內支撐、5號出入口基坑共2道內支撐。施工過程中應逐層開挖、依次逐層激活各層支撐，數值模擬的計算步驟如表3所示。

5 計算結果分析

5.1 土體變形

數值計算提取每一層基坑施工完成后的結構與土體變形結果，重點對基坑施工引起的周邊地表建筑物不均勻沉降進行分析，具體為提取建筑若干個角點沉降隨開挖步的變化，得出相鄰柱基差異沉降率。

圖6 徽州大道站主基坑開挖至底時土體豎向沉降云圖

圖7 徽州大道站5號出入口基坑開挖至底時土體豎向沉降云圖

圖8 徽州大道站主基坑開挖至底時建筑地下室底板豎向沉降云圖

圖9 徽州大道站5號出入口基坑開挖至底時建筑地下室底板豎向沉降云圖

圖6～圖7給出了不同施工階段土體的豎向沉降云圖，可見，基坑開挖過程中，坑底產生了一定的隆起，坑壁兩側一定范圍內的土體產生了豎向沉降。

5.2 建筑物變形

圖8～圖9給出了不同施工階段既有建筑地下室底板的豎向沉降云圖，可見，靠近基坑較近的一端發生了一定的沉降，而遠離基坑的一端沉降相對較小。

5.3 建筑物變形定量分析

為了便于分析，在建筑各關鍵位置設置監測點，位置如圖10所示。計算得到了不同開挖步驟的監測點沉降值，數據如表4所示。監測點的沉降曲線如圖11所示。可見，建筑的最大豎向沉降為-11.68mm，位于靠近5號出入口基坑最近的J1點處；基坑施工誘發建筑物產生的相鄰柱基最大差異沉降為2.46mm（0.000724L）；基坑施工誘發建筑物產生的整體傾斜最大值為0.237‰，位于靠近基坑位置處的短邊方向。既有建筑受徽州大道主基坑施工的影響非常小，其受5號出入口基坑與暗挖段施工的影響相對較大，數值模擬軌道交通工程車站施工對建筑物的影響計算結果均滿足規范要求[4]。

圖10 建筑物監測點詳細分布圖

圖11 監測點的沉降曲線

數值模擬計算步驟 表3

建筑物監測點沉降值（單位：mm） 表4

6 結語

近年來合肥、蕪湖等地多個城市大力發展城市軌道交通工程，需要一套科學合理的計算、模擬流程來評估預測軌道施工對周邊環境(周圍建構筑物、地表道路、城市管線等)的影響，總結軌道施工沉降規律，為省內軌道工程施工提供必要的借鑒和指導。