深基坑開挖對緊鄰既有地鐵隧道結構形變數值模擬分析

摘要：以杭州地鐵5號線建國路車站基坑開挖工程為例，利用有限元數值模擬分析的方法，分析基坑不同開挖工況下對既有地鐵車站的影響。數值計算結果顯示，按照既定基坑開挖方案施工，對既有地鐵車站結構變形影響較小，可滿足相關規范的變形限值要求。在此基礎上，通過現場監測數據對比表明，數值模擬計算結果與實測值變形趨勢相一致，偏差較小，說明在數值模擬基礎上指導施工，切實可行，滿足現場施工要求。

關鍵詞：地鐵車站；基坑開挖；變形分析；數值模擬

0" "引言

我國城市中地鐵線網的持續加密，難免會出現新建工程影響既有地鐵線路的情況。為保證既有地鐵隧道結構的安全，必須在全面評估新建工程施工對既有地鐵結構影響的基礎上，方可進行后續工程施工[1]。深基坑開挖引起臨近既有隧道的變形是一個比較復雜的過程。基坑開挖常會造成既有隧道周邊荷載變化，繼而引起隧道變形，其內力分布、變形特征和影響因素非常復雜，現階段并沒有一個較成熟的理論來闡述這種變形[2]。本文以杭州地鐵建國路站為工程實例，采用數值模擬的方法，分析基坑開挖對緊鄰既有地鐵線路結構變形的影響，以期為同類工程提供借鑒。

1" "工程背景

杭州地鐵建國路站地處杭州下城區建國北路與鳳起路交叉路口附近，為2號線和5號線的換乘站。其中2號線沿鳳起路呈東西向布置，5號線沿建國路南北向布置。建國路站先前已完成2號線車站主體以及5號線北側車站主體工程，新建工程將對5號線南側車站主體進行續建，新建基坑與地鐵車站位置關系如圖1所示。

5號線南側車站主體基坑標準段寬21.7m，端頭井段寬26.2m，標準段基坑深25.59m，端頭井段基坑深26.87m，基坑長58.75m。圍護結構采用1200mm厚地連墻（型鋼接頭）+7道內支撐（端頭井段8道），其中第1、3、5道為鋼筋混凝土支撐，其余為Φ609、16mm鋼支撐（其中第6、7道為雙拼），坑底無加固措施。

該部分結構于換乘節點處與已運營2號線結構地下一、二、三層接駁。接駁處存在1200mm封堵地連墻以及臨時可拆內襯墻（地下一、二層400m、地下三層600mm），頂板處設置400mm擋土墻。車站距錢塘江約4.2km，為錢塘江沖海積平原，地貌形態單一。擬建場地自然地面較平坦，地面標高約5.60～6.45m。淺層地下水屬孔隙性潛水，主要賦存于表層填土及②層和③層粉土、粉砂中，結合周邊環境，地下潛水流速較小。施工時采用地連墻隔斷承壓水。

2" "基坑開挖數值模擬方法

分析新建地下工程對既有地下結構安全性影響，目前常用的數值分析軟件有邁達斯GTS、ABAQUS、FLAC3D、ANSYS等。通過建立數值仿真模型進行計算分析，可判斷新建地下工程是否會對既有結構的正常運營使用造成威脅。本模型采用FLAC3D有限差分軟件運算。FLAC3D能夠進行土質、巖石和其它材料的三維結構受力特性模擬和塑性流動分析。

2.1" " 計算模型及土（巖）體參數

地鐵2號線車站為地下二層結構，5號線車站為地下三層結構。車站頂部覆土3.5m。2號線車站深18.5m，地連墻長度45m，5號線主體二期基坑深27m，5號線車站地墻長度55m。通過比對地層參數表，對參數相近的土層進行擬合。

模型地層分7層賦參數。土體強度參數采用《杭州地鐵2號線一期工程西北段（Ⅰ標）建國路站巖土工程勘察報告（詳勘）》所提供參數，如表1所示。從上到下根據地層（Z坐標）深度依次分為七層，分別為-4～0m填土層、-16～-4m砂性土、-24～-16m淤泥質土、-31～-24m粘性土、-42～-31m粉砂、-46～-42m圓礫、-60m～-46m基巖。模型地層如圖2所示。

圍護體系側壓力計算按照朗金土壓力理論，根據所處砂性地層按水土分算原則，計算側向水土壓力，粘性土按水土合算原則計算側向水土壓力。該基坑標準段設計總深為25.6m，按一級基坑 ，依據依據《浙江省標準—建筑基坑工程技術規程（DB33/T1008-2014）》進行設計計算。南側主體基坑整體穩定性、抗傾覆計算簡圖如圖3所示。

滑弧圓心坐標為（6.77m，-0.00m），半徑為53.60m， 起點坐標為（-46.82m，0.00m），終點坐標為（53.86m，25.60m），拱高比0.778。經計算，得到下滑力為12133.97kN/m，土體抗滑力為19443.19kN/m，土釘/錨桿抗滑力為0.00kN/m，樁墻的抗滑力為0.00kN/m；安全系數為1.60，抗傾覆安全系數為1.70，抗滲流穩定安全系數為2.66。

土體結構模型采用摩爾庫倫模型。車站結構采用C35參數實體彈性材料模擬，2號線車站及5號線車站已施工部分車站中柱等效為墻體處理。運算所用到的土體彈性模量，根據杭州地區的分析經驗，彈性模量E一般可以取3～8倍Es，本次取5倍Es。模型邊界條件為只留Z方向頂部一個自由面，其他五個面施加垂直方向邊界約束條件。整體模型如圖4所示。

2.2" " 基坑開挖施工工序模擬

建國路站為疊合墻結構，地下連續墻兼做結構側墻。換乘節點處地連墻與5號線車站地連墻等深。本次僅開挖南側基坑，坑深27m，坑內共設置7道支撐。工況設置及施工內容如表2所示。

2.3" " 數值計算結果

通過對5號線建國路站南側基坑施工各工況進行三維數值模擬可知，各開挖工況下，上部土體卸載造成坑底上浮，圍護向坑內位移。5號線車站土體位移曲線如圖5所示。在工況九（開挖第七層土，深27m）條件下，坑底土體及圍護變形達到最大值，后續工況趨于穩定。坑底最大隆起25.207mm，圍護最大變形40.027mm。

2號線車站結構位移曲線如圖6所示。2號線車站變形為先呈上浮趨勢，待開挖至2號線底板附近（18.5m深）位置達到最大值，最大上浮1.06mm。待開挖至2號線車站底板以下部分時，車站呈回落下沉趨勢。最終工況累計豎向變形不足0.3mm。2號線車站水平變形于工況十（回筑底板）達到最大值（0.523mm）。由此可見，受空間效應影響，5號線南側基坑開挖對已建成2號線車站影響較小。

5號線車站已建成部分位于2號線車站以北。計算結果顯示，本次基坑開挖對5號線已建成部分幾乎無影響。本次不再羅列5號線已建成部分變形統計。

3" "地鐵工程變形控制值

為保證地鐵隧道結構的安全，相關規范對地鐵隧道的變形要求極為嚴格。在已建和運營中的地鐵隧道，隧道結構位移可能產生軌道偏差從而影響線路平順性，嚴重時將影響列車的運行安全，為此相關規范對隧道容許變形量的要求更嚴格。目前關于地鐵隧道結構容許變形量研究較少，國內不同城市結合當地的建設工程經驗給出了不同的標準[3-4]。

建國路站2號線部分及建國路站至中河路站區間隧道已運營，根據浙江省工程建設標準《城市軌道交通設施結構安全保護技術規程》[5]及長期運營監測數據、盾構隧道三維掃描數據，盾構隧道累計水平位移控制值為8mm，豎向位移控制值為10mm，相對收斂控制值為8mm，車站結構水平位移控制值為10mm，豎向位移控制值為10mm。當存在時空相近的多項外部作業時，應綜合考慮其影響的疊加效應，分配結構安全控制指標。

考慮后續周邊有可能的施工疊加效應，本項目施工對已運營地鐵結構影響控制值在原基礎之上有所提高，控制值取水平位移5mm，豎向位移10mm，相對收斂為5mm。經有限元模擬計算分析，車站結構最大豎向位移1.06mm，最大水平位移0.523mm，故認為本次基坑開挖對已建成2號線車站影響較小，風險可控。

4" "結語

本文以杭州地鐵5號線建國路車站基坑開挖工程為例，利用有限元數值模擬分析的方法，分析基坑不同開挖工況下對既有地鐵車站的影響。

有限元計算結果分析表明，車站、隧道在本工程基坑開挖過程中產生了一定的沉降和水平位移，但各項變形指標數值均處在變形控制標準之內，符合相應的評估標準，結構安全，工程可行。后經現場監測數據對比驗證，數值模擬計算結果與實測值變形趨勢相一致，偏差較小，數值模擬結果相對保守，說明采用數值模擬的方法分析新建工程對既有地鐵的影響切實可行，可對施工方案的編制起到重要的指導意義。

參考文獻

[1] 付先進.既有地鐵車站兩側基坑施工對車站結構變形影響分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版）， 2013，37（6）：1347-1350+1354.

[2] 朱炎兵，周小華，魏仕鋒，等.臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀研究[J].巖土力學，2013，34（10）： 2997-3002.

[3] 胡云龍.基坑開挖對既有地鐵結構變形影響的研究[J].鐵道建筑，2013（6）： 85-87.

[4] 汪小兵，賈堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施[J]城市軌道交通研究，2009（5）：52-57.

[5] DB33/T1139-2017《城市軌道交通設施結構安全保護技術規程》[S].浙江省住房和城鄉建設廳. 2017.