基坑工程施工對鄰近在建地鐵車站基坑圍護結構安全影響分析

任亞亮

（北京城建設計發展集團股份有限公司西安分公司，陜西西安 710016）

隨著城市地下空間開發的蓬勃發展，地鐵周邊基坑工程越來多，往往存在相鄰基坑同時開挖的情況。本文以某市地鐵車站基坑為例，分析了相鄰基坑同時開挖存在的風險及控制措施，采用有限元軟件建立數值分析模型，對基坑交叉施工的全過程進行動態模擬，研究深基坑工程交叉施工的相互不利影響，以期為類似工程提供一定的參考。

1 工程概況

國際體育之窗項目（后簡稱項目）由三層地下車庫、商業裙房及1#～4# 樓組成。基坑東西長約174m，南北最大長度約173m，開挖深度約20.5m，西側靠近地鐵車站基坑。

地鐵車站基坑呈南北走向，長212.5m，標準段寬度41.3m，基坑深約18m。車站采用明挖法施工。

相鄰基坑關系:

1.1 空間關系

車站基坑處于項目基坑西側，基坑水平邊距14.2m～19.1m。

1.2 施工時序

根據各自工籌安排，車站基坑與項目基坑均開展施工。地鐵基坑土方開挖共10 段（約20m 一段），分兩個工作面由兩側向中部進行。項目基坑開挖分四個片區和四層，土方開挖順序依次為先開挖東南側，再開挖西北側，次開挖東北側，最后開挖西南側。

從各自的工籌安排判斷，雙方基坑開挖存在同時開挖工況。

2 工程水文地質概況

擬建場地地層由第四紀全新世人工填土、沖洪積黃土狀土；晚更新世風積黃土、殘積古土壤及沖積粉質粘土、砂類土；中更新世沖積粉質粘土、砂類土組成，地層結構清晰，分布規律明顯，地下水位在項目基底以下約5m。

3 風險點分析

3.1 項目基坑施工對車站基坑的影響

受氣候、出土條件及投入等因素影響，現場施工難以嚴格按工籌完成，因此需找出項目基坑施工對車站基坑影響的最不利工況。

本文取車站基坑開挖至基底，項目基坑再分層開挖的過程進行數值模擬分析，找出項目基坑施工對車站基坑影響的最不利工況。

3.2 車站基坑變形控制標準

3.2.1 車站基坑圍護結構容許變形計算

根據初步分析，項目基坑開挖對車站基坑影響最不利工況出現在車站基坑開挖至基底狀態下，項目基坑拆除第三道支撐時。累積變形時間段為車站基坑開挖到底后狀態，項目基坑從開挖至負三層頂板達到設計強度期間。

在最不利工況下，項目基坑后開挖，土體卸載，相鄰基坑之間夾土體水平應力釋放形成偏載，引起車站基坑圍護結構向項目基坑偏移的趨勢。

3.2.2 變形后內力計算結果分析

通過對橫向支撐施加強制位移，計算鋼立柱強度容許范圍內的最大頂、底差異水平位移。

強度正應力/限值: 0.961 [滿足要求]

穩定正應力/限值: 0.962 [滿足要求]

1-3 平面長細比/限值: 0.037 [滿足要求]

1-2 平面長細比/限值: 0.037 [滿足要求]

此結果對應的立柱頂、底差異水平位移為11.6mm。

3.2.3 圍護結構容許變形確定

根據以上分析計算，項目基坑施工對地鐵車站圍護結構影響最大差異水平位移為11.6mm，由立柱柱頂與柱底差異水平位移表征。

4 數值模擬

4.1 模型簡介(圖1)

地鐵車站主體基坑東側為項目基坑，計算模型按1：1 全尺寸考慮進行數值模擬模型的建立，綜合考慮數值計算的邊界效應以確定模型的整體尺寸為：X 方向340m，Y 方向315m，Z 方向50m。

基坑支護形式：地鐵車站采用鉆孔灌注樁（等效地連墻）+三道內支撐的支護形式，等效地連墻高度26m，厚度0.6m。該基坑分四步開挖，開挖高度依次為2m、6m、6m、4m。項目基坑采用鉆孔灌注樁（等效連續墻）+三道內支撐的支護形式，局部采用鉆孔灌注樁+預應力魚腹梁及預應力錨索的支護形式，其中第一道鋼筋混凝土支撐截面為800X800（mm）/600X800（mm），最大水平間距8m，第二、三道支撐采用IPS 型鋼支撐；局部采用的IPS 型鋼支撐及預應力錨索水平間距1.6m。該基坑分四步開挖，開挖高度依次為4m、6m、6m、4m。

圖1 三維模型建模圖

4.2 施工階段模擬

根據分析，并考慮現場實際情況，綜合分析項目基坑開挖對地鐵車站主體基坑的影響，對最不利工況進行模擬。

4.3 典型工序數值計算地鐵等效連續墻位移云圖（圖2-3）

圖2 工況十九（項目基坑開挖至底）地鐵等效連續墻X 向水平向位移云圖

圖3 工況二十一（項目基坑拆除第三道支撐）地鐵等效連續墻X 向水平向位移云圖

根據數值計算結果，對不同工況下地鐵東側圍護樁、項目基坑西側圍護樁位移進行分析對比可知：地鐵基坑開挖至底后東側圍護樁水平位移最大值為-14mm，受地鐵基坑影響，項目基坑開挖自身西側圍護結構水平位移最大約為32mm，項目基坑開挖后地鐵圍護樁整體向東側偏移，偏移最大絕對值約為25mm。因此，若項目基坑開挖時，地鐵基坑尚未進行主體結構回筑，將導致地鐵基坑整體向項目基坑一側偏移，兩處基坑均存在安全風險。

4.4 典型工序數值計算地鐵立柱樁位移結果及分析（圖4-5）

圖4 工序十八（項目基坑開挖至第三道支撐標高）地鐵立柱樁X 向水平向位移云圖

圖5 工序二十一（項目基坑拆除第三道支撐）地鐵立柱樁 X向水平向位移云圖

根據數值計算結果可知，項目基坑開挖至第三道支撐標高位置時，地鐵立柱樁最大差異水平位移為15.4mm，項目基坑拆除第三道支撐時，地鐵立柱樁頂最大水平位移約為17.9mm，根據以上分析，項目基坑開挖至第三道支撐標高位置時，地鐵立柱樁差異變形達到最大值。

4.5 推薦工況下項目基坑開挖對地鐵車站基坑影響分析

考慮項目基坑在地鐵車站基坑回筑至主體結構中板處時再行開挖第三層土方，分析此工況下，項目基坑對地鐵車站基坑的影響，推薦工序數值計算地鐵立柱樁位移云圖如圖6-7。

圖6 工序二十二（項目基坑開挖至底）地鐵立柱樁X 向水平向位移云圖

圖7 工序二十四（項目基坑拆除第三道支撐）地鐵立柱樁X 向水平向位移云圖

根據數值計算結果可知：在推薦工況下，項目拆除第三道支撐時，地鐵立柱樁體最大差異水平位移約為10mm＜11.6mm，結合本文的分析，在推薦工況下，項目基坑開挖對地鐵基坑立柱樁的影響較小，立柱樁仍能滿足施工階段的承載力要求。

5 基本結論

5.1 根據車站基坑圍護結構容許變形計算，確定了基坑變形控制值。

5.2 根據數值模擬計算，確定了地鐵立柱樁差異變形臨界值，根據分析，建議項目基坑在地鐵車站基坑回筑至中板后，再進行第三層土方開挖。

5.3 項目基坑支護在靠近地鐵車站一側采用內支撐，無其它輔助措施侵入車站附屬結構范圍內，且車站附屬結構施工在項目基坑回筑完成后實施，故項目施工對地鐵車站附屬實施影響可控。