基坑開挖對周邊既有地鐵結構影響的安全評估研究

福建船政交通職業學院，福建 福州 350007

1 主要安全評價指標

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013）及相關經驗，城市軌道交通結構安全控制指標值如表1所示，城市軌道交通圍護結構安全控制指標值如表2所示。

表1 城市軌道交通結構安全控制指標值

表2 城市軌道交通圍護結構安全控制指標值

2 工程實例安全評估分析

2.1 工程概況

某工程場地位于東南沿海地區，場地東北側為地鐵站，場地西側為地鐵運行庫，場地東側為已建道路，場地南側為歷史建筑。項目基坑開挖深度為1.50～3.85m，該項目基坑開挖范圍內主要為填土層，坑底以下存在淤泥和淤泥質土層，車輛基地下穿管涵位于基坑正下方，排水箱涵為鋼筋混凝土結構，主體結構為鋼筋混凝土結構。該項目與地鐵站區間的相對關系平面圖如圖1所示[1]。

圖1 場地與地鐵結構相對關系平面圖

2.2 評估范圍

該工程評估工程項目施工對地鐵車輛基地、6號線車站（含車站主體、2號風亭D出入口及C出入口）及隧道結構安全的影響，尤其是基坑開挖對側向既有地鐵結構的影響，并提出合理化建議。

2.3 評估手段

此次研究擬通過工程類比、理論分析、相關行業經驗以及三維數值模擬計算評估項目建設對地鐵車輛基地及6號線既有結構安全的影響[2]。結合工程項目特點，車輛基地工程樁雖作為地鐵永久結構，但承臺施工后樁基變形較難觀測，因此計算變形控制指標參照地鐵結構按20mm控制。車輛基地擋墻作為地塊與車輛基地的分隔結構，變形要求相對低，且易修復，建議按30mm控制。該項目地塊下方箱涵功能主要為過水，對結構變形要求相對低，但考慮該項目地下室完成后，箱涵遠期修復困難，因此建議按20mm控制。

2.4 數值模擬分析

在MIDAS-GTS有限元模型中，采用三維實體單元模擬土層，采用板單元模擬車站結構、隧道襯砌、擋墻及箱涵；采用植入樁單元模擬車輛基地工程樁。為了消除模型尺寸對計算結果的影響，計算模型范圍以項目基坑的外輪廓為基準，外擴一定距離（大于基坑開挖深度的3倍）后而建立，模型深度按基坑圍護結構深度的2倍建立，整體模型軸視圖如圖2所示。為保證計算結果精度及盡量減小有限元模型規模，該項目模型建立過程中進行了如下簡化處理：

圖2 整體模型軸視圖

（1）支護結構。根據等效剛度原理，將支護樁等效為地下連續墻結構，采用板單元模擬。等效地下連續墻厚度計算公式如下：

式中：d為排樁的單樁直徑；bk為相鄰樁中心間距。

（2）隧道結構。考慮隧道襯砌接頭對襯砌結構剛度削弱的影響，將襯砌結構剛度折減15%。根據工程設計和工程實際情況，對項目基坑施工過程進行模擬，施工工況分析分為工況1（初始地應力平衡）、工況2（既有地鐵結構完成）以及工況3（基坑開挖至坑底）[3]。

2.5 評估結論及建議

（1）評估結論。項目基坑開挖造成基坑周邊一定范圍內土體應力狀態發生改變，導致影響區內地層產生附加變形，進而對臨近的既有地鐵及車輛基地既有結構產生影響。通過模擬得出結論如下：①該項目建設與臨近的車輛基地工程樁、擋墻、地塊下方箱涵結構及地鐵6號線地鐵車站、車站區間結構在空間位置上不存在沖突，采取必要的工程安全保護措施，工程具備實施的可行性。②項目基坑施工過程中，地鐵6號線車站結構X、Y、Z方向最大位移均發生在工況3（基坑開挖完成），變形值分別達到了1.683mm、-3.904mm（向基坑方向）、1.541mm（隆起）。地鐵6號線車站區間隧道結構X、Y、Z方向最大位移均發生在工況3（基坑開挖完成），變形值分別達到了0.631mm、-0.908mm（向基坑方向）、-0.269mm（沉降）。地鐵車輛基地工程樁X、Y、Z方向最大位移均發生在工況3（基坑開挖完成），變形值分別達到了-1.810mm、5.918mm（向基坑方向）、2.848mm（隆起）。地鐵車輛基地擋墻結構X、Y、Z方向最大位移均發生在工況3（基坑開挖完成），變形值分別達到了-4.593mm、7.753mm（向基坑方向）、9.540mm（隆起）。地鐵車輛基地箱涵結構X、Y、Z方向最大位移均發生在工況3（基坑開挖完成），變形值分別達到了-1.992mm、-3.921mm（向基坑方向）、10.654mm（隆起）。根據數值模擬計算結果，項目基坑開挖對地鐵樟嵐車輛基地（工程樁、擋墻及下方箱涵）及6號線地鐵車站、地鐵車站區間隧道各方向變形的影響均在安全范圍內，變形控制滿足規范要求。③經過計算分析6號線地鐵車站區間隧道結構的附加縱向變形的最小曲率為R=375000m＞15000m，滿足地鐵保護要求。

（2）實施建議。①該項目施工單位應編制專項施工作業方案，經過專家論證并報送地鐵公司審核后，方可按照批準的方案進行施工。②該項目基坑開挖深度相對淺，考慮基坑開挖采用放坡方案，坑底存在深厚淤泥層，因此基坑開挖期間應合理布置施工現場，近軌道交通側不得作為材料堆場。此外，基坑開挖過程中應密切關注坑底地層情況，如發現地層條件與勘察存在較大偏差，應及時通知地鐵公司、設計、評估等相關參加單位。③臨近軌道交通側需加強坡面防護及監測，避免因邊坡穩定問題影響周邊地層變形，同時坡頂不得用于重型車輛及設備通行，更不得進行堆載。④該項目東西兩側均存在既有地鐵結構，基坑開挖施工時建議采用盆式開挖，由中間至兩邊分段開挖。當挖至基底設計高程時，應立即施作墊層、防水層及地下室底板，避免因基坑長時間暴露增加既有地鐵結構安全風險。此外，由于過水箱涵橫穿基坑，箱涵上部覆土較淺，開挖時注意覆土保護，嚴禁超挖。⑤基坑施工期間，應遵循先監測后施工的原則，建設單位需委托符合資質要求的第三方監測單位對地鐵結構進行變形監測。該項目箱涵位于基坑正下方，箱涵變形監測方案建議采用間接量測方案，先在約1m×1m范圍放坡開挖至設計坑底，而后在坑底下采用人工探挖至箱涵頂面，進而埋設剛性測點。⑥考慮該項目預制管樁管樁較長，且坑底存在深厚軟弱淤泥層，樁基施工對淤泥層的擾動可能對既有地鐵結構產生不利影響，樁基靜壓施工前應先采取引孔措施，減小土體對既有軌道交通結構的擠壓。

3 結束語

文章針對基坑施工對周邊城市地鐵結構的安全影響，立足實際案例，利用MIDAS-GTS系統建立有限元評估模型并開展三維模擬分析，主要分析了基坑施工對周邊地鐵既有結構的形變影響，并提出了合理的施工方法和地鐵結構保護措施，以便保護周邊既有地鐵結構的安全穩定。