復雜基坑開挖對雞鳴寺地鐵站及區(qū)間隧道的變形影響分析

毛昆明，陳 磊，唐擁軍

（1.金陵科技學院建筑工程學院，南京 210009；2.中國聯(lián)合工程有限公司，杭州 310052；3.廣西水利科學研究院，南寧 530023）

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施對變形要求較為嚴格，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，既有地鐵隧道鄰側(cè)或者上方進行建筑施工的活動日益增多。其中，基坑工程對地鐵隧道的影響最為突出。基坑工程對鄰近地鐵隧道的影響主要表現(xiàn)在引起后者的變形，嚴重時還將引起隧道結(jié)構(gòu)的破壞，威脅到地鐵的安全運行。因此，針對基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性影響安全性進行評估具有很重要的工程實際意義，不少學者對此進行了研究[1～10]。

雞鳴寺站是南京地鐵3號線、4號線的換乘站，周邊有一大型復雜基坑正在施工，因此需分析鄰近施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變位是否在允許的范圍內(nèi)，確定其是否滿足地鐵安全和使用的要求。

1 有限元建模

根據(jù)基坑和區(qū)間幾何尺寸大小，結(jié)合基坑開挖施工對臨近環(huán)境影響范圍的現(xiàn)場監(jiān)測經(jīng)驗，基坑開挖深度為6～21 m，本模型計算深度取40 m，基坑長約650 m，寬約600 m。基坑距離地鐵結(jié)構(gòu)最近處約10 m。對計算區(qū)域內(nèi)涉土體、基坑支護結(jié)構(gòu)、地鐵結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)進行了三維精細建模，土體采用實體單元，基坑支護、地鐵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)采用板單元。基坑分區(qū)采用的樁基圍護按照等效剛度的原則等效為同等剛度的地連墻結(jié)構(gòu)形式，并考慮基坑周邊10 m范圍內(nèi)作用20 kPa的車輛載荷。根據(jù)計算模型大小，綜合考慮計算時間和計算精確度，共計剖分單元464 792個。建立的“地鐵結(jié)構(gòu)-基坑-圍護”計算模型見圖1。

根據(jù)本工程的地質(zhì)勘察報告中的土工試驗取值，各層土的c、φ取直剪固快試驗指標計算，地質(zhì)土層的主要物理參數(shù)見表1。

表1 土質(zhì)物理參數(shù)

圖1 有限元模型圖

由于基坑周邊環(huán)境復雜，基坑的面積較大，因此采用分部開挖的方式，施工順序為基坑A→基坑B→基坑C，其中B基坑底部還有一個坑中坑。A基坑深約6 m，設(shè)1道支撐；B基坑深約21 m，設(shè)3道支撐；C基坑深約6 m，設(shè)一道支撐。

分析步的設(shè)置影響計算結(jié)果的精度，如果設(shè)得過多，結(jié)果自然精確，但計算用時長；如果太少，則結(jié)果不精確，更有可能跳過關(guān)鍵變形步，使得計算結(jié)果失真。因此本模型的分析步采用與實際主要支撐工序相結(jié)合的方法。B 基坑深度最深，開挖對地鐵車站隧道的影響最大，因此B基坑的每一道支撐都做了一個工作步；A基坑和C基坑的深度較淺，因此將開挖、設(shè)支撐、澆筑底板等合成一個工作步，具體分析步設(shè)置見圖2。

圖2 施工工序圖

2 有限元計算結(jié)果分析

2.1 基坑變形分析

基坑位移主要控制參數(shù)見表2，基坑變形云圖見圖3。

本文主要關(guān)注地鐵結(jié)構(gòu)的變形，因此圖3 只給出基坑3 個典型工況（step1 開挖A 基坑至坑底、step4 開挖B 基坑至坑底、step6 開挖C 基坑至坑底）的坑底隆起及地面沉降云圖（隱去了支撐模型，云圖能看得清晰）。從圖3 可以看出，開挖A 基坑時，坑底隆起2.3 mm，地面沉降2.1 mm；由于B基坑的面積及深度均大于A基坑，因此B基坑開挖結(jié)束時，其坑底隆起值最大，達到19.7 mm，地面沉降為19.9 mm；C基坑為L型狹長淺基坑，因此開挖時引起的變形較小，此時坑底隆起20.1 mm，地面沉降20.0 mm。

表2列出了基坑3個方向的最終變形及控制標準，均在控制范圍內(nèi)，因此基坑變形安全。

表2 基坑位移主要控制參數(shù) mm

圖3 基坑變形云圖

2.2 地鐵結(jié)構(gòu)位移分析

基坑工程由于開挖卸載，基坑側(cè)壁發(fā)生側(cè)向位移，坑底產(chǎn)生一定的隆起變形，地面發(fā)生沉降，也帶動鄰近的地鐵結(jié)構(gòu)隧道發(fā)生側(cè)向和豎向變形，其變形量的大小是判別基坑變形和穩(wěn)定的重要依據(jù)。地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖見圖4～圖6。地鐵結(jié)構(gòu)各方向位移時序圖見圖7。

從圖4 可以看出，A 基坑離4 號線遠，因此開挖A 基坑時，4 號線車站及隧道的各個方向位移都較小，3號線車站位移也不大，但是其隧道由于離A基坑很近，所以位移較大，尤其是X和Y方向位移明顯（見圖7a）。

根據(jù)圖5、圖7，B 基坑開挖時，3 號線隧道位移緩慢增加，但X 方向增幅稍大（見圖7a），并且位移最大處往車站方向偏移。3號線車站的位移則劇烈增加，并且豎向（Y 向）沉降為主要運動方向（見圖7b）。4號線隧道也開始產(chǎn)生位移，Z方向位移最大，X方向位移最小（見圖7c）。4號線車站的位移則相對復雜，在B基坑開挖過程中，X方向的位移始終最小；開挖到第一道支撐時，Z 方向位移最大；從開挖至第二道支撐至坑底，Y方向位移（即沉降）最大（見圖7d）。開挖B基坑底部坑中（step5）坑對地鐵結(jié)構(gòu)的位移影響幾乎沒有。

C 基坑為L 型狹長淺基坑，開挖時引起的地鐵結(jié)構(gòu)的累計變形很小（見圖6、圖7），step6 分析步的位移均無明顯變化。

圖4 地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖（step1）

圖5 地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖（step4）

圖6 地鐵結(jié)構(gòu)變形云圖（step6）

圖7 地鐵結(jié)構(gòu)各方向位移時序圖

表3 為地鐵結(jié)構(gòu)變形表，列出了基坑開挖結(jié)束后，車站及區(qū)間隧道各個方向的最大位移以及連接處的差異變形和差異沉降，以及根據(jù)隧道變形計算出的變形曲率半徑和相對變曲。所有數(shù)據(jù)均小于《地鐵設(shè)計規(guī)范》（GB50157-2013）規(guī)定的控制值，結(jié)果均滿足要求，說明項目采用的施工及支護方案合理有效，使基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響在安全范圍內(nèi)。

表3 地鐵結(jié)構(gòu)變形表 mm

注：表中UZmax、UXmax、UYmax分別為Z、X、Y向最大水平位移；Sh和Sv分別為水平和垂直差異變形；Rc 和Cr 分別為隧道的變形曲率半徑和相對變曲。

3 結(jié)語

（1）本項目采用的施工及支護方案合理有效，基坑3個方向的變形在各個施工階段均在標準控制范圍內(nèi)；3、4 號線區(qū)間隧道的變形曲率半徑和相對變曲、車站結(jié)構(gòu)變形、車站與隧道連接處差異變形、車站主體與附屬變形縫處差異沉降也均符合要求。

（2）從位移云圖可以看出，整個地鐵結(jié)構(gòu)各個方向的位移最大處在不斷變換位置，兩條地鐵區(qū)間、車站均出現(xiàn)過，因此監(jiān)測點布置的位置應隨施工流程逐漸變換。

（3）地鐵結(jié)構(gòu)周邊開挖復雜基坑時，使用有限元軟件進行預測性評估分析很有必要，確保使用有限的傳感器能監(jiān)測到必要的部位，消除安全隱患。