大面積連排基坑開挖對緊鄰地鐵車站的影響分析

李燦輝

（北京城建設計發展集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 概述

隨著我國城鎮化進程的不斷推進，軌道交通沿線的住宅、商業等設施用地的需求量逐漸增加，在軌道交通建設運營過程中出現了許多綜合配套項目，如地鐵車站旁配套建設商業建筑物、廣場、連廊等，這些配套工程的施工會對車站產生一定影響。

1 國內外研究現狀

臨近地鐵車站的基坑開挖打破了原有地鐵結構力學平衡關系，地應力重新進行分布，從而導致地鐵結構產生額外的內力與變形。許多學者基于理論研究與工程實踐，對該問題進行研究。孔祥鵬系統研究了緊鄰運營地鐵車站基坑施工變形控制和保護問題，認為施工改變了原有車站結構的傳力路徑，從而增加了結構頂板及中板的彎矩，轉變了底板的彎矩方向；高盟以緊鄰上海某地鐵車站的基坑工程為背景，建立三維數值模型并研究了托換樁、旋噴加固、分塊開挖等措施對變形控制的影響；曠慶華結合長沙地區某地鐵車站工程實例，對深基坑開挖引起緊鄰已建成地鐵車站的變形規律進行了數值模擬，討論了有效控制車站結構變形的主要措施。除數值模擬外，還有學者采用離心模型試驗對多個方案下的基坑開挖過程進行模擬，分析了緊鄰、部分緊鄰、不緊鄰情況下車站旁基坑開挖引起的土體變形情況。現有研究針對車站旁獨個基坑施工對既有結構的影響，很少涉及多個連排開挖施工的案例，同時在研究中很少考慮不同支撐形式對既有地鐵車站的變形特性。該文以徐州地鐵2號線物資市場站綜合配套項目工程為背景，采用Midas計算緊鄰既有地鐵車站的基坑大面積開挖對已建地鐵車站變形及內力影響，并分析連排基坑、不同支撐形式對車站的影響程度。

2 工程概況

2.1 位置關系

物資市場站是徐州地鐵2號線的一座地下3層車站，車站長度約215m，底板埋深約22.8m。綜合配套工程涉及A、B 2個地塊，平面關系如圖1所示。A地塊長約126m，寬約24m～32m，基坑深度為17.2m。B地塊基坑分為兩期，一期基坑長約77m，寬15m～25m，基坑深約19m；二期基坑長約77m，寬約62m，基坑深約19m。A地塊采用一道混凝土支撐與兩道鋼支撐；B地塊一期采用一道混凝土支撐與三道鋼支撐。

2.2 工程地質條件

工程所在地的地貌上分屬沖積垅狀高地與沖（坡）—洪積平原。沿線地表為第四系地層覆蓋，表層為人工填筑土，其下為第四系全新統（Q4）淤泥質粉質黏土、老城雜填土、黏土；再下為第四系上更新統（Q3）黏土。車站及配套基坑工程所在的主要土層為黏土、黏質粉土層。場地地下水類型主要為分布在填土、黏質粉土層的孔隙潛水。

3 模型建立

3.1 幾何模型

為評估配套項目基坑開挖對車站的影響，采用Midas GTS NX軟件建立二維有限元模型，分別選取A、B地塊的2個典型斷面作為計算斷面。A地塊模型尺寸為X×Y=120m×42m，B地塊模型尺寸為X×Y=140m×42m。

3.2 材料參數

土體采用平面應變單元，本構關系選取修正摩爾-庫倫模型；車站等結構物采用梁單元進行模擬，本構關系為線彈性。地層及結構的主要物理力學參數見表1。

表1 地層及結構的物理力學參數

4 計算結果及分析

4.1 A地塊計算結果

對地層變形來說，以A地塊基坑開挖完成時的計算結果為例，如圖2所示。根據計算結果可知，在豎向變形時，基坑開挖導致坑底出現隆起變形，最大變形為6.7cm。同時，靠近車站側的土層受到既有車站的限制作用，沉降值與遠離車站側相比要小。在水平變形時，坑底以下土體向坑內位移。

從車站結構位移及內力變形計算可以看出，基坑開挖引起既有車站豎向上浮變形，同時既有車站呈現上部向坑外，下部向坑內的水平變形。

另一方面，地鐵結構的內力在配套工程基坑開挖過程中逐漸減少，說明開挖施工減少了臨近基坑側結構的側向受力，從而減少了該側車站結構的內力，而配套工程施工完成后荷載可向深層傳遞，對既有車站結構的內力影響不大。

圖1 基坑開挖對結構內力影響的對比關系圖

4.2 B地塊計算結果

對地層變形來說，以B地塊一期基坑開挖完成時的計算結果為例，如圖3所示。根據計算結果可知，B地塊一期施工完成時的地層變形與A地塊類似，僅在量值上略有增大。在二期基坑施工時，地層的豎向位移影響未擴散至既有車站，而水平位移仍對既有車站有影響，但量值較小。

4.3 基坑開挖對既有車站的影響分析

結合A、B地塊3個基坑可分析不同基坑對既有車站的影響。為方便討論，對變形量進行歸一化處理，由此定義結構相對位移，如公式（1）～公式（2）所示。

式中：δ、δ為結構水平、豎向相對位移；x、y為結構水平、豎向位移；H為基坑開挖深度。因此可得到3個基坑的相對位移對比關系，如圖4所示。

從圖4中可以看出，A地塊基坑的相對位移普遍大于B地塊一期基坑，而2個基坑均緊鄰車站，基坑的深寬比亦較為接近，其差異的原因應該歸結為支撐形式的不同，具體可采用基于Clough的剛度理論提出的可反應多類型支撐的MVSS（Multiple variables system stiffness）綜合剛度以定量描述。

A地塊計算得出的綜合剛度遠低于B地塊一期基坑，從而傳遞至既有車站的相對位移較大。可見，車站結構的變形不僅與基坑的卸載量相關，與基坑本身的剛度也有較大關系。對該工程來說，與A地塊相比，支撐綜合剛度更大的B地塊一期基坑減少了約20%～40%的結構相對位移。

將B地塊的一二期2個工程進行對比，其在支撐體系上相同，但與既有車站的相鄰關系不同。B地塊一期位于既有車站強烈影響區內；二期工程與既有車站間隔1倍開挖深度以上，處于一般影響區，對既有結構影響較小。從相對位移關系來看，這種連排基坑開挖對既有車站的影響主要體現在緊鄰基坑的施工，遠端的二次開挖僅對結構的水平位移產生影響，而在豎向位移上可認為沒有影響。

類似的，對結構內力變化值進行歸一化處理，因此定義結構內力相對值如公式（5）～公式（6）所示。

式中：M、q為結構相對彎矩、剪力變化量；ΔM、Δq為基坑開挖引起結構彎矩、剪力變化值；M、q為基坑開挖前結構的彎矩及剪力。

因此可得到3個基坑的相對內力對比關系，如圖5所示。從圖中可見，與A地塊相比，B地塊一期更大的支撐綜合剛度會減少結構內力的變化量，從而使結構的彎矩和剪力處于相對較高的水平；同時并排基坑中非緊鄰基坑對結構內力幾乎沒有影響。

5 結論

該文以物資市場站綜合配套基坑開挖工程為背景，進行了數值模擬及理論分析，計算了既有車站在配套工程的2個地塊共計3個基坑施工中的變形及內力情況，研究了緊鄰車站基坑施工對既有地鐵車站的影響，得到了以下3個結論：1）緊鄰基坑開挖會導致坑底出現隆起變形，而這種隆起變形會在上部荷載激活后適當減少，同時，靠近車站側的土層受到既有車站的限制作用，沉降值相比遠離車站側要小。在水平變形時，配套工程施工導致坑底以下土體向坑內位移。2）緊鄰基坑開挖將引起既有車站豎向上浮變形，同時既有車站呈現上部向坑外，下部向坑內的水平變形。原有結構的內力在配套工程基坑開挖過程中呈減少趨勢。3）基坑的支撐形式通過改變基坑綜合剛度，從而對緊鄰車站的內力及變形產生影響，更高的支撐剛度可較大程度控制既有結構變形，但也會減少內力的變化量，使結構處于較高應力水平。

圖2 A地塊基坑開挖完成工況下地層豎向位移云圖

圖3 B地塊一期基坑開挖完成工況地層豎向位移云圖

圖4 基坑開挖對結構變形影響的對比關系圖

圖5 基坑開挖對結構內力影響的對比關系圖

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