地铁车站出入口改造工程施工对结构安全的影响分析

地铁车站出入口改造工程施工对结构安全的影响分析

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上海市基础工程集团有限公司，上海市200442上海市基础工程集团有限公司，上海市200442

摘要：某拟建项目与已运营地铁车站出入口结合，施工时需紧贴地铁出入口开挖基坑，并凿除地铁出入口临时封堵墙。本文以此项目为背景，通过三维有限元数值模拟的方法，计算了改造工程施工过程中引起的地铁车站出入口结构和周围地层位移。分析了改造项目施工对地铁结构安全的影响，并给出了合理建议。

关键词：地铁出入口，改造工程，影响分析

前言：引言地铁车站出入口改造工程施工中，由于基坑开挖产生地层扰动，会导致附存于地层中的既有地铁车站结构随之发生移动，引起车站结构受力变化。另一方面，改造工程对原有结构进行部分凿除，直接引起结构受力变化，产生变形。过大的变形将影响地铁结构安全。在临近地铁基坑工程施工前，正确分析改造工程对地铁结构带来的影响十分必要。

1工程概况

某拟建项目位于天津市，是集居住、商业、写字楼于一体的城市综合体。该项目地下部分共两层，地下一层与已建地铁车站A、D出入口结合。已建地铁车站为地下2层车站，位于拟建项目地块西侧。车站共设置4个出入口，其中A、D出入口以投入使用。按照规划要求，A、D出入口在结构设计上预留了与拟建项目的接建条件。本次改造工程将紧贴A、D出入口开挖基坑，施工与拟建地块的连接通道，并将出入口预留的临时封堵墙凿除。A、D出入口预先设置了暗梁、暗柱结构。改造基坑采用明挖顺作法施工，基坑围护采用放坡+钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕支护方案，基坑设计深度分别为：A出入口处10.794m，D出入口处10.021m。从基坑的面积、开挖深度以及基坑与既有地铁结构的位置关系上看，两个基坑的情况基本一致。考虑到D出入口处距离1号风亭较近，该处地下结构复杂，受基坑开挖影响更大，因此选择D出入口改造工程进行影响分析。地铁车站主体距离改造基坑距离较远，且出入口与车站主体间设有变形缝，可在一定量值内割断变形。因此，本次安全性分析范围不包含车站主体，仅对D出入口进行分析。

2安全性分析内容及标准

2.1安全性分析内容（1）建立基坑支护体系和地铁出入口结构三维有限元模型，通过数值计算分析改造基坑开挖对地铁车站出入口结构的影响；（2）分析临时封堵墙凿除对出入口结构的影响；（3）给出基坑支护设计、施工方案对地铁出入口结构的安全影响评价，提出保护改进建议。

2.2安全性分析控制标准根据车站现状及周边设施，参考国内类似工程经验，制定本工程变形控制指标。改造工程施工期间地铁车站出入口结构变形控制指标.

3三维有限元计算

3.1网格划分采用MIDAS-GTS4.2有限元计算软件，建立三维模型。为减小边界约束对计算结果的影响，各方向均取至围护结构外侧不小于3H（H为坑深或结构埋深）。模型长（沿地铁线路方向）90m，宽（垂直地铁线路方向）60m，高（铅垂方向）30m。地铁出入口边墙、顶板、底板均采用板单元；连接通道基坑围护结构采用板单元，基坑钢支撑采用梁单元。地应力场按自重应力场考虑。

3.2计算荷载在基坑施工期间考虑土层及结构的自重荷载，地面超载取20kPa。

3.3边界条件在计算模型中，采用位移边界条件，模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束。

3.4施工阶段划分计算时，将基坑的动态开挖过程分为6施工步，土体开挖和结构施作通过激活和钝化单元实现，每个开挖步内荷载通过开挖边界荷载释放系数分配.

3.5计算结果基坑开挖后，坑底出现隆起，周边土体产生沉降。基坑开挖至底部后，基坑在垂直连接通道方向的两侧，地表沉降较大，最大沉降量为0.824mm；凿除临时封堵后，土体位移继续增大，最大地表沉降发生在沿连接通道方向靠近地铁车站出入口一侧，最大沉降量为0.833mm。地层竖向位移云图基坑开挖到底后，出入口整体发生沉降，且距离基坑越近沉降量越大，最大沉降量为0.672mm，发生在临时封堵墙与底板连接位置。凿除临时封堵墙后，车站顶部由于失去了封堵墙的支撑沉降量进一步增大，该处发生最大沉降，最大沉降量为1.270mm。

地铁出入口竖向位移云图凿除临时封堵墙后底板受到卸载作用，沉降量有所减小。临时封堵墙位置底板发生隆起，最大隆起量0.22mm。最终阶段出入口斜坡段沉降较均匀，沉降量约0.14mm。由于底板刚度较大，出入口标准段底板靠近基坑一侧发生沉降，使得靠近车站一端被翘起，但量值很小，最大抬起量0.13mm。地铁出入口底板竖向位移曲线基坑开挖到底后，出入口结构发生朝向基坑方向的水平位移；同时发生朝向基坑一侧的倾斜，离地面越近水平位移越大。最大位移发生在扶梯顶板靠近地面位置，最大水平位移量为0.284mm；凿除临时封堵墙后该处水平位移略有减小，最大水平位移为0.276mm。

4结论及建议

4.1安全分析结论(1)出入口改造基坑开挖后周边土体应力发生变化，土体产生变形，最终阶段地表最大沉降为0.833mm，变形集中于开挖基坑周边5m范围内，该范围地表无建筑，地下无管线，沉降不对周边环境构成影响。(2)出入口通道底板在基坑开挖到坑底后产生最大沉降，量值为0.672mm，位于新旧结构连接部位。凿除临时封堵墙后，该位置顶板失去支撑，顶板处沉降量在整体下沉的基础上继续增大，最大值为1.270mm。改造工程施工引起的地铁车站出入口竖向位移最大值为1.270mm，满足评估控制标准要求。(3)改造基坑开挖到底后，出入口结构发生朝向基坑方向的水平位移，最大位移发生在扶梯顶板地面位置，最大水平位移量为0.284mm；凿除临时封堵墙后该处水平位移略有减小，最大水平位移为0.276mm。改造工程施工引起的地铁车站出入口水平位移最大值为0.284mm，满足评估控制标准要求。

4.2建议(1)为更好控制基坑开挖时周边地表变形，支撑轴力应及时施加，并实时跟进支撑轴力监测，保持在合理范围。(2)为减小基坑降水对既有结构周围及底板下土层的影响，应严格做好基坑开挖范围内土层与既有结构底土层间的隔水措施，防止水头的联通，影响既有结构周围土层变形。(3)施工时对地铁车站、附属结构进行监控量测工作，监测内容包括结构裂缝、结构变形等，尤其是临近基坑的结构应加强监测并保持高度关注，对异常情况要早发现早处理。(4)基坑开挖前按设计要求做好既有结构底土层的加固工作，待加固土体到达设计要求后方可开挖。

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