零距離“環抱”形基坑開挖對既有地鐵車站軌向變形的影響分析

劉 書

上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司 上海 200125

隨著我國城市化進程的不斷深入，城市地下空間得到廣泛的綜合開發。為充分利用地下軌道交通的便利資源，地鐵車站越來越多地與周邊商業地下空間形成零距離相連，構造出交通、商業交織的城市核心。而這些鄰近的基坑工程對地鐵車站的受力及變形影響是需要重點研究的。

近年來，國內關于鄰近基坑開挖對地鐵影響的監護及控制，包括數值模擬以及實測分析等方面的研究逐漸增多[1-7]。但主要集中在單個基坑或分坑開挖對鄰近地鐵的影響，并且對地鐵車站的影響分析大多為二維橫向平面問題，軌向變形特征的研究亦集中在地鐵區間隧道上。

地鐵車站寬度大多為20 m左右的軌向框架體系且體型細長，其軌向不均勻變形嚴重影響到地鐵的正常運營。零距離“環抱”基坑開挖對地鐵車站軌向變形的影響分析則未見報道。

因此，本文以上海臨港新城軌道交通16號線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間）為背景，通過數值模擬方法研究既有地下車站零距離“環抱”水平擴建基坑開挖過程中的豎向變形特性，并評估了工程實際中控制地鐵車站軌向不均勻變形措施的有效性。

1 工程背景

1.1 工程概況

上海軌交16號線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間）位于臨港新城中心區一期建設區北部，北連臨港大道，南鄰滴水湖，環抱上海軌交16號線臨港新城站，基坑總平面約61 000 m2，如圖1所示。

圖1 基坑平面布置

軌交16號線臨港新城站為地下2層雙島式站臺車站，總凈長324.80 m，標準段凈寬36.38 m，標準段底板埋深約18.60 m?！碍h抱”基坑開挖深度約11 m，一側利用軌道交通車站的地下連續墻，其余圍護結構采用厚600 mm地下連續墻，豎向設置2道鋼筋混凝土支撐，明挖順筑法施工。

考慮到地鐵保護要求及地塊開發計劃，采用分區對稱開挖施工，運用時空效應原理，化整為零，減小大基坑一次性大體量開挖卸載對周邊環境造成的影響，如圖2所示。第一階段實施Ⅰ區基坑；第二階段同時實施Ⅱ區及Ⅲ區基坑；第三階段實施Ⅳ區基坑。

圖2 基坑開挖分區

1.2 水位地質

根據地質勘察報告，本工程擬建場地在所揭露的65.45 m深度范圍內的地層主要由黏性土、粉性土、砂土組成，具體為：①填土、②3砂質粉土、④淤泥質黏土、⑤1黏土、⑤3粉質黏土、⑤4粉質黏土、⑦1砂質粉土、⑦2粉砂，缺失上海地區常見的③、⑥層。其中⑦層中的承壓水為第一承壓含水層，承壓水位埋深為3.0～11.0 m。

2 三維數值模擬

三維有限元整體建模分析可較好地實現基坑分區開挖的復雜工況模擬，也可求出地鐵車站的軌向變形等結果，彌補了常規桿系或二維有限元等分析方法的不足。

2.1 有限元模型

本計算中，在確定有限元模型尺寸時考慮了工程的影響范圍。模型模擬區域外擴本工程場地200 m，土層厚度取100 m，共有44 030個單元。土體單元采用含有8個積分點的8節點六面體三維實體單元模擬，本構采用修正摩爾-庫侖準則；車站梁、柱、抗拔樁以及混凝土支撐均采用一維梁單元模擬；車站樓板及地下連續墻采用二維板單元模擬，如圖3所示。

圖3 有限元模型

2.2 工況模擬

根據工程實際工序，對計算工況和步驟的定義如下：

1）初始階段，地鐵車站已建（位移清零）。

2）Ⅰ區基坑地下連續墻、樁基施工，第一步開挖。

3）Ⅰ區基坑架設第1道混凝土撐，第二步開挖。

4）Ⅰ區基坑架設第2道混凝土撐，開挖至坑底。

5）Ⅱ區以及Ⅲ區基坑地下連續墻、樁基施工，第一步開挖。

6）Ⅱ區以及Ⅲ區基坑架設第1道混凝土撐，第二步開挖。

7）Ⅱ區以及Ⅲ區基坑架設第2道混凝土撐，開挖至坑底。

8）Ⅳ區基坑地下連續墻、樁基施工，第一步開挖。

9）Ⅳ區基坑架設第1道混凝土撐，第二步開挖。

10）Ⅳ區基坑架設第2道混凝土撐，開挖至坑底。

3 計算結果分析

3.1 既有地鐵車站變形分析

通過對計算結果的對比分析，發現由于分區分塊對稱開挖，車站結構的水平位移相比豎向位移可以忽略不計。豎向位移，特別是其軌向差異變形，嚴重影響到地鐵的正常運營及車站結構的安全性能。各區基坑開挖完成后車站底板隆起變形如圖4所示。

圖4 各區基坑開挖完成后車站底板隆起變形

對圖4進行分析，可以看出：

1）車站底板最大隆起值發生在與開挖基坑緊連區域，距離較遠的區域則隆起值較小。一方面是因為相連基坑的開挖使該區域車站的地下連續墻喪失了部分側摩阻力，車站在地下水作用下有上浮趨勢；另一方面是因為基坑的開挖引起土體位移場的改變是不均勻的，有隨與基坑的距離增大而減小的趨勢。這種不均勻變形也是車站結構產生附加應力的直接原因。

2）雖然Ⅰ區基坑開挖引起車站兩側區域的隆起值增量很大，但全部基坑開挖完成后車站最大的隆起值卻發生在端部。這主要是由于地鐵車站的軌向框架體系以及體型細長的尺寸效應所引起的，無疑也是零距離“環抱”形基坑開挖所引起車站豎向變形的獨特特征。

圖5為各工況下車站底板的隆起變形，可以看出：Ⅰ區基坑開挖完成后，與基坑相連區域的最大隆起值為70.3 mm，沿線路中心線的最大隆起值為61.6 mm，最小隆起值為18.1 mm，最大差異變形為43.5 mm。Ⅱ區及Ⅲ區基坑同時開挖完成后，與Ⅱ區基坑相連區域的最大隆起值由48.6 mm增加至95.1 mm，與Ⅲ區基坑相連區域的最大隆起值由18.1 mm增加至70.2 mm，沿線路中心線的最大隆起值為95.1 mm，最小隆起值為35.3 mm，最大差異變形為59.8 mm；Ⅳ區基坑開挖完成后，由于Ⅰ區基坑的阻隔效應，整個車站豎向隆起值僅有少量增加，沿線路中心線的最大隆起值增加至97.0 mm，最小隆起值為35.8 mm，最大差異變形為61.2 mm。

圖5 各工況車站底板隆起變形

而地鐵對運營、在建線路及結構保護要求極其嚴格，最終絕對沉降（或隆起）值和水平位移值小于20 mm，軌向差異變形小于10 mm。因此，如不采取控制地鐵車站軌向不均勻變形的措施，則無法滿足對地鐵車站的保護要求。

3.2 控制軌向不均勻變形措施評估

為控制車站豎向位移及軌向差異變形，考慮采取如下措施：

1）僅在三處車站局部抬高區域設置抗拔工程樁。

2）沿車站軌向全長設置抗拔工程樁，如圖6所示。

圖6 車站軌向抗拔工程樁方案

因此，本節針對不設樁、抬高區局部設樁、全長設樁3種方案進行對比分析。由上一節分析可知，車站最大豎向隆起及差異變形發生在Ⅳ區基坑開挖完成后，故該階段3種方案的車站底板隆起變形如圖7所示。

圖7 3種方案的最終底板隆起變形

由圖可以看出：相比于不設樁方案的車站最大隆起值97.0 mm，沿線路中心線最大差異變形為61.2 mm，只在局部抬高區域設樁方案的車站最大隆起值減少至19.8 mm，沿線路中心線最大差異變形減少至9.7 mm。而全長設樁方案的最大隆起值減少至18.4 mm，沿線路中心線最大差異變形減少至9.4 mm。即抬高區局部設樁和全長設樁2種控制措施均可使車站滿足相鄰基坑開挖對地鐵車站的保護要求，但綜合考慮到控制效果、施工造價及工期因素，最終工程實踐選擇了只在車站抬高區域局部設樁。

4 結語

本文結合上海軌交16號線滴水湖站交通樞紐工程（含配套地下空間），采用數值模擬方法對既有地下車站零距離“環抱”水平擴建基坑開挖過程中的軌向變形特性進行了分析，并評估了工程實際中控制地鐵車站軌向不均勻變形措施的有效性，得到如下結論：

1）由于采用合理的分區分塊對稱開挖方式，車站結構的豎向位移明顯大于水平位移。因此，車站豎向位移，特別是其軌向差異變形可作為這類“環抱”形基坑開挖對車站結構影響的主要參數之一。

2）基坑開挖過程中，車站底板最大隆起值始終發生在與開挖基坑緊密相連的區域，距離較遠的區域則隆起值較小。因此，建議在以后類似基坑的設計中可在與基坑緊密相連的區域增加設置與既有地下連續墻剛性連接的綁樁，以控制車站底板的最大隆起值及差異變形[7]。其次，全部基坑開挖完成后，車站最大的隆起值卻發生在端部，這也是零距離“環抱”形基坑開挖所引起的車站豎向變形的獨特特征。

3）隨著各工況基坑開挖，車站豎向隆起及軌向差異變形均不斷增大，但Ⅳ區基坑開挖時，由于Ⅰ區基坑的阻隔效應，整個車站豎向隆起值僅有少量增加。這也驗證了通過在緊連區域設置小基坑以隔離大基坑開挖對既有結構影響的分隔式開挖的有效性[8]。

4）通過對比分析不設樁、抬高區局部設樁、全長設樁3種控制措施方案，可知僅在本工程車站抬高區局部設樁即可滿足地鐵車站的保護要求，驗證了工程實踐中采用的技術措施的合理性。