深大基坑開挖對既有地鐵結構的影響分析

【摘" " 要】：針對深大基坑施工對既有地鐵結構安全的影響問題，以實際工程為例，通過理論分析與三維數值模擬，分析基坑開挖對既有地鐵結構的影響。結果表明：基坑開挖將導致地鐵結構產生變形和不均勻沉降，須嚴格按設計方案施工并采取可靠的施工方案方能保證既有結構的安全。

【關鍵詞】：基坑；地鐵；結構安全

【中圖分類號】：TU753 【文獻標志碼】：C 【文章編號】：1008-3197（2024）02-66-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.02.017

Analysis of the Influence of Deep and Large Foundation Pit Excavation on the"Existing Subway Structure

SUN Shichen

（Tianjin Municipal Engineering Design and Research Institute ，Tianjin 300392，China）

【Abstract】： In view of the influence of deep and large foundation pit construction on the safety of existing subway structures， this paper takes the actual project as an example， analyzing the influence of foundation pit excavation on existing subway structures through theoretical analysis and three-dimensional numerical simulation.The results show that the excavation of foundation pit will cause deformation and non-uniform settlement of subway structure.Therefore， only by strictly following the design plans and adopting reliable methods during construction can the safety of existing structures be guaranteed.

【Key words】：foundation pit; subway; structural safety

隨著我國軌道交通建設的發展，工業、民用建筑基坑鄰近既有地鐵結構施工的情況越來越多。建筑基坑開挖過程中，由于施工擾動、地層損失和固結沉降等因素會引起地層移動和變形，導致鄰近的既有地鐵結構發生移動，影響地鐵結構安全[1～5]；因此針對深大基坑開挖對既有地鐵結構安全產生的影響應予以充分重視。

本文以實際工程為例，通過理論分析與數值模擬，分析深大基坑開挖過程中自身圍護結構變形、對周邊土體沉降及既有地鐵結構的相關影響，提出相關工程建議。

1 工程概況

1.1 新建工程

華凌國際物流港地上25層、地下5層，建筑高度99.50 m，框架-剪力墻結構。基坑面積約20 821 m2，周長約584.4 m，基坑深度25 m，為典型的深大基坑。

基坑深度范圍內地層自上而下依次為雜填土、粉土、卵石、粉土、強風化砂巖、中風化砂巖層；地下水為潛水及基巖裂隙水?；訃o結構為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁和預應力錨索組成的錨拉式體系，鉆孔灌注樁直徑1 m、間距2 m、樁長為28.5 m，各邊共設置3～4道錨索，錨索腰梁采用型鋼組合梁。

1.2 既有地鐵

既有地鐵車站2號風道地下一層，頂板覆土厚度約3.2 m，底板埋深約9.0 m，為現澆混凝土箱形結構。隧道區間礦山法施工段二襯厚度為0.4 m，拱頂覆土厚度9.8～18.4 m，埋深16.62～25.22 m；明挖段地下二層，頂板覆土厚度約2.8～6.3 m，底板埋深17..0～20.5 m，為兩柱三跨現澆混凝土箱形結構。

1.3 新建工程與既有地鐵位置關系

基坑距隧道區間二襯水平最小凈距約12 m，距2號風道外墻最小距離約10.2 m。見圖1。

2 項目重難點分析

1）新建基坑開挖面積和深度大，自身風險等級高。

2）新建基坑周邊施工環境復雜，建筑物、構筑物較密集，地質環境復雜。

3）新建基坑距離既有地鐵結構最小距離約10 mlt;0.7H（H為基坑深度），對結構變形、沉降等影響明顯。

4）根據現行規范要求，既有線隧道結構沉降、水平變形控制值分別為10、5 mm，控制標準較高，因此對基坑開挖要求也較高。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

采用大型巖土有限元分析軟件 Midas GTS NX 建立整體三維有限元模型進行計算分析，為消除模型邊界效應，X軸方向取390 m，Y軸方向取456 m，Z軸方向取70 m，共劃分單元601 924個，節點233 056個。見圖1。

3.2 計算參數

土體本構采用修正摩爾-庫侖模型。土體相關參數來自工程地質勘查報告和工程經驗取值。見表1。

基坑圍護樁、車站及風道結構柱、車站及風道結構梁、風道圍護樁采用梁單元；暗挖區間二襯，車站、風道、明挖區間結構頂板、中板、底板均采用板單元，錨索采用桁架單元。

3.3 控制標準

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》對城市軌道交通既有線隧道結構變形控制值要求，結合地方經驗，既有地鐵控制標準為：豎向沉降10 mm，上浮變形5 mm，變化速率控制值均為1 mm/d，差異沉降控制值為0.04%Ls（Ls為隧道軸向兩監測點間距），水平方向變形5 mm。

3.4 計算結果分析

3.4.1 基坑開挖對2號風道變形影響

基坑開挖前，2號風道結構自身的既有沉降值最大為1.95 mm。見圖2。

按不考慮基坑開挖前2號風道既有沉降建模，基坑開挖過程中，2號風道最大沉降值在靠近基坑開挖角點處，為10.64 mm。開挖過程中產生沉降為10.64-1.95=8.69 mm≤10 mm。見圖3。

沉降差考慮的是2號風道靠近基坑側在基坑開挖過程中產生最大沉降的角點沿X/Y方向27.8 m范圍內的沉降差，最大沉降差5.79 mm≤0.04%Ls=11.12 mm。

基坑開挖對2號風道側墻靠近基坑側水平方向變形影響較小，最大變形值為4.75 mm≤5 mm，滿足變形控制要求。見圖4。

3.4.2 基坑開挖對隧道區間變形影響

基坑開挖前，隧道區間自身的既有沉降值最大為1.84 mm。見圖5。

按不考慮基坑開挖前隧道區間既有沉降建模，基坑開挖過程中，隧道區間最大沉降值在靠近基坑開挖側中段，為10.10 mm。開挖過程中產生沉降為10.10-1.84=8.26 mm≤10 mm。見圖6。

沉降差考慮的是隧道區間靠近基坑側在基坑開挖過程中沿線路方向沉降量最大點與最小點范圍內的沉降差，最大沉降差3.59 mm≤0.04%Ls=33.6 mm，沉降值與沉降差均滿足變形控制要求。

基坑開挖對隧道區間暗挖水平方向變形影響較小，最大變形值為4.08 mm≤5 mm，滿足變形控制要求。見圖7。

4 結論及建議

1）地鐵既有結構沉降及變形在鄰近基坑范圍受開挖影響明顯，在遠離基坑范圍受基坑開挖影響微弱。

2）基坑圍護結構設計方案既要考慮經濟性也需充分評估對既有結構的影響，為保證既有結構的安全，圍護結構應有足夠的剛度。

3）考慮到土質條件的變化、土體參數的空間差異、實際施工過程與數值模擬的差異等原因，應以信息化施工、適時修正為指導施工的原則。

4）合理安排工籌，建議在基坑施工鄰近既有地鐵結構段時，選取一定范圍作為施工試驗段，根據監測結果，進一步判斷基坑開挖施工對地鐵車站及區間結構的影響，優化基坑鄰近地鐵車站及區間施工段的開挖方法及支護等參數，確保地鐵結構的運營安全。

參考文獻：

[1]黃沛堯.淺析深基坑開挖對既有地鐵結構安全的影響[J].低碳世界，2018，（9）：229-230.

[2]王洪昌.軟土地區多基坑開挖對既有地鐵影響分析[J].天津建設科技，2020，30（3）：3-6.

[3]陳濤，翟超，范鵬程，等.基坑開挖對鄰近既有地鐵結構變形影響的數值分析與研究[J].勘察科學技術，2018，（3）：1-6+31.

[4]麻鳳海，宋帥，董博.基坑開挖對鄰近地鐵區間隧道結構安全的影響分析[J].徐州工程學院學報（自然科學版），2022，37（2）：71-76.

[5]劉博.深大基坑開挖對近接地鐵站影響的數值分析[J].天津職業院校聯合學報，2017，19（7）：81-85.

作者簡介：孫士臣（1980 - ）， 男， 高級工程師， 從事工民建及軌道交通結構設計工作。