基坑施工對地鐵車輛段結構的影響分析

摘要：基于某臨近地鐵車輛段結構的基坑工程，采用有限元計算軟件MIDAS-GTS建立了三維仿真模型，模擬基坑開挖及基坑降水對車輛段結構的影響，并對基坑自身穩定性進行評價。計算分析表明，基坑開挖施工引發車輛段結構最大總位移為4.6mm；有限元滲流模擬基坑降水導致的最大總位移為3.6mm，基坑開挖與降水不影響車輛段結構的安全；采用有限元模擬與傳統理正深基坑計算基坑自身的穩定性安全系數分別為1.79、1.40，均滿足規范1.25的要求。研究結論可供類似工程設計與施工參考。

關鍵詞：基坑開挖；地鐵結構；仿真模擬分析；基坑降水

中圖分類號：U231+.3文獻標志碼：A

AnalysisoftheImpactofFoundationPitConstructiononthe StructureofMetroDepot

WANGDiLUOQiqiLIYajie

SchoolofArchitectureandCivilEngineering，XihuaUniversity，Chengdu，SichuanProvince，610039China

Abstract：Inthispaper，athree-dimensionalsimulationmodel?;isestablishedbyusingthefiniteelementcalculationsoftwareMIDAS-GTSforafoundationpitprojectbasedonthestructureofanearbymetrodepot.Theimpactofexcavationandprecipitationonthestructureofthedepotissimulated，andthestabilityofthefoundationpititselfisevaluated.Calculationanalysisshowsthatthemaximumtotaldisplacementofthedepotstructuretriggeredbypitexcavationconstructionis4.6mm;Themaximumtotaldisplacementcausedbypitprecipitationinfiniteelementseepagesimulationoffoundationpitis3.6mm，andtheexcavationandprecipitationofthefoundationpitdonotaffectthesafetyofthestructureofthevehicledepot;ThestabilitysafetycoefficientofthepititselfcalculatedusingfiniteelementsimulationandtraditionaltoolLizhengsoftwareis1.79and1.40respectively，bothmeetingtherequirementinthestandard（1.25）.Theresearchconclusionscanbeusedasareferenceforthesimilardesignandconstruction.

KeyWords：Excavationoffoundationpit;Metrostructure;Simulationandanalyses;Precipitationoffoundationpit

隨著城鎮化程度不斷加深，城市交通擁堵問題愈發突出，地鐵作為一種綠色環保，高效節能的交通方式也得到了快速發展[1]。截至2023年底，我國內地已有59個城市開通城市軌道交通，運營里程達11232.65km，運營線路338條[2]。與此同時，城市建設活動也不斷向地下拓展，基坑越來越深，開挖面積也越來越大[3]，基坑與地鐵間的相互影響也日益增多，如何評估新建工程對既有結構的影響成為學者的研究重點。在此研究過程中，理論分析、實地監測及仿真模擬被廣泛地應用[4]，李維[5]、肖先[6]分析了當臨近地鐵隧道與車站時基坑支護的難點，建立了三維有限元模型，并對實施效果進行了監測，提出的基坑支護方案效果良好。然而，現有研究專注于基坑圍護結構自身以及地鐵車站或隧道結構，基坑開挖對地鐵車輛段軌道影響的研究卻較少，車輛段又是地鐵進出車庫的必經之路，其結構安全至關重要。本文以昆明某基坑工程項目為依托，建立了基坑與地鐵車輛段結構的仿真模型，并通過多種手段分析了基坑施工對鄰近結構的影響，研究結論可供類似基坑項目參考。

1工程概況

1.1項目簡介

擬建場地為2-1#地塊，位于昆明市官渡區，含9棟29～34層高層住宅，2棟3層幼兒園及兩層地下車庫。基坑東西長約251m，南北寬約105m，基坑開挖深度為1.6～9.8m，平均深度為5.4m，基坑支護底邊線由地下室輪廓線外移2.0m。擬建地塊現為空地，地形平坦。基坑北側約40m為云福路，西側為施工活動板房，基坑施工前將拆除；基坑東側為在建操場，距離約為38.7m；基坑南側臨近地鐵車輛段，開挖深度最大為8.7m，基坑邊線與車輛段結構承臺最小距離為20.4m，與軌道最小距離為27.2m，基坑與地鐵結構的位置關系如圖1所示。

1.2工程地質

場地內分布的地層主要為：人工填積（Q4ml）層、第四系全新統沖、洪積（Q4al+pl）層，第四系全新統沖、湖積（Q4al+l）層；水文地質條件單一，地下水及地表水對鋼筋混凝土具有微腐蝕性；場地淺層存在一定厚度的黏土及粉質黏土，對基坑位移控制不利；場地存在深厚強透水圓礫層，基坑滲漏水可能對軌道產生不利影響；車輛段整體道床區段前期已采用水泥粉煤灰碎石樁（CementFly-ashGravelPile，CFG樁）進行地基處理。

1.3基坑支護

基坑北側、西側及南側均采用二級放坡掛網噴混凝土加1m短土釘及6m和9mΦ48鋼管土釘（花管）的支護方式；基坑東側采用長為16m和18m的Φ800@1400鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加2排可回收預應力錨索的支護方式；基坑外側設置Φ650的三軸水泥土攪拌樁止水。

綜合場地基坑圍護結構設計及施工特點、周邊建筑現狀，認為地塊建設對車輛段軌道的不利影響主要為：（1）基坑開挖誘發車輛段軌道位移；（2）基坑降水影響地鐵車輛段沉降；（3）基坑南側自身的穩定性。

2基坑開挖對車輛段影響的模擬分析

2.1三維仿真模型

根據基坑與臨近地鐵結構的位置關系，采用MIDAS-GTS軟件建立三維有限元仿真模型如圖2所示。基坑東側為錨索與灌注樁支護，南側為花管，西側為放坡+土釘。車輛段周邊地層的力學性質對約束基坑施工過程中車輛段及軌道的變形起關鍵作用，因此，模型中的地層參數依據勘察資料與實測數據反演分析確定；車輛段與軌道及基坑圍護結構體系的力學計算參數依據設計施工圖紙確定。三維有限元仿真模型的邊界條件為：模型底部Z方向（豎向）位移約束，模型前后兩個面Y方向約束，模型左右兩個面X方向約束。

2.2加載工況

加載工況參照實際施工適當簡化，基坑開挖施工對南側車輛段影響模擬的主要流程：初始地應力場分析，此階段將在模型中施加重力，進行應力及位移清零；施作CFG樁加固地基，施作車輛段軌道結構、施加南側道路荷載30kPa、車輛段荷載40kPa；施作基坑灌注樁、冠梁，施加基坑東側、西側超載各20kPa；開挖第一層土；施作第一道護坡、錨索、腰梁、土釘與花管；開挖第二層土；施作第二道護坡、錨索、腰梁、土釘及花管；開挖土層至基底；施作第三道護坡、土釘及花管。

2.3模擬結果

車輛段軌道結構發生較大位移將影響地鐵車輛進出的安全，因此仿真模型匯總了在基坑開挖施工過程中車輛段軌道的位移，如表1所示，包括水平位移（XY方向）、豎向位移（Z方向）和總位移（XYZ方向）。由表1中數據可知：基坑施工誘發軌道的最大水平位移為4.1mm，最大豎向位移為-2.2mm，最大總位移為4.6mm。圖3為開挖至基底時軌道結構的位移云圖，由圖中位移數據可知，越靠近基坑開挖面，軌道結構位移越大，最大水平位移與豎向位移發生位置相近，且為最大總位移位置處。基坑施工的整個過程中，誘發車輛段軌道位移絕對量值較小，對軌道結構的安全影響較小。

3基坑降水影響分析

地下水位隨著基坑開挖而逐漸下降，地下水滲流場與基坑開挖應力場耦合將對軌道變形產生不利影響。因此，結合項目基坑所在場地的工程地質情況和軌道、基坑的空間關系，建立有限元模型，計算分析基坑開挖降水誘發地鐵軌道的變形。根據勘察報告取初始地下水位為地面以下1.5m。模型高度為30.1m，故初始總水頭為28.6m。有限元計算模型的地層主要為填土、粉質黏土、黏土及圓礫。模型的邊界條件為：模型底部約束Z方向（豎向）位移，模型左右部位約束X方向（水平）位移。

模擬分析主要流程為：設置初始地下水位進行初始滲流分析；施加重力并進行初始地應力分析；將水位降至開挖第一層土下0.5m；開挖第一層土；將水位降至基底下0.5m；開挖至基底。圖4為基坑降水誘發軌道結構水平、豎向位移以及總位移，圖中標示點為最靠近基坑的車輛段軌道。由圖中仿真模擬數據可知，基坑降水誘發軌道結構最大水平、豎向位移以及總位移分別為-1.0mm、-3.5mm、3.6mm，基坑降水對地鐵車輛段軌道結構產生的位移較小，不影響車輛段的結構安全。

4基坑穩定性分析

基坑東側采用樁+預應力錨索支護，北側、西側、南側均采用放坡+土釘及花管支護。基坑東、北、西3個方向均無重要建筑物，因此對自身穩定性要求較低。而南側則有車輛段軌道及架空站房，基坑開挖后形成臨空面，主體結構在場地內施工，此時南側基坑的穩定對控制基坑本身的位移、車輛段基礎位移、車輛段軌道位移至關重要，因此為評估南側基坑的穩定性，分別利用有限元邊坡模型與理正深基坑進行分析校核。南側基坑具體支護型式為二級放坡掛網噴混凝土加1m短土釘和6m或9m長Φ48鋼管土釘（即花管）。

4.1有限元模擬分析

有限元模型為二維，計算剖面為最靠近南側車輛段軌道結構的斷面，采用強度折減法（StrengthReductionMethod，SRM）進行計算，模型的邊界條件為：模型底部約束Z向（豎向）位移，模型左右兩面約束X向（水平ViO3ONfjNmhWLDEi7JJwPA==），有限元邊坡模型如圖5所示，計算安全系數為1.79>1.25，基坑安全系數滿足要求，基坑處于安全狀態。

4.2理正深基坑計算

基坑南側深度最大為8.7m，基坑外地下水位埋深為1.5m，基坑內最終降水至基底下0.5m，基坑采用兩級放坡+土釘（包括注漿花管）支護，地面超載20kPa。其中，短土釘為1m長直徑16mm的鋼筋，花管長6m或9m，外徑48mm，壁厚3mm，坡面掛網鋼筋為6.5@200x200，坡面采用100mm厚的C20混凝土，并在上兩級坡面設置泄水孔。基坑安全等級為二級，根據《建筑基坑支護技術規程》[7]確定基坑重要性系數為1.0。基坑各開挖階段對應的安全系數如表2所示，根據表2數據，基坑開挖至基底時安全系數為1.40>1.25，滿足規范要求，南側基坑處于穩定安全狀態。

5結語

隨著地鐵線網不斷加密，城市項目建設過程中不可避免地對地鐵結構產生影響，本文從實際項目出發，建立了基坑與地鐵車輛段的三維有限元仿真模型，按照實際施工步驟進行模擬，分析結果表明基坑施工誘發車輛段軌道的最大水平、豎向及總位移分別為4.1mm、-2.2mm、4.6mm；根據地下水位的有限元滲流分析，水位下降誘發軌道結構最大總位移為3.6mm，基坑施工及降水誘發軌道結構的位移較小，不影響車輛段結構安全。進一步地，分別采用有限元邊坡模型和傳統理正深基坑軟件對基坑穩定性進行計算，兩種方法計算出的基坑穩定性安全系數分別為1.79、1.40，均滿足規范1.25的要求，南側基坑處于穩定安全狀態。

參考文獻

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