基坑开挖对既有地铁车站影响研究

基坑开挖对既有地铁车站影响研究

聂雄1刘博2

1、广州地铁设计研究院有限公司；2、天津铁道职业技术学院

摘要：随着我国城市化的快速发展，地铁和基坑工程大量涌现，而且规模不断加大。由于建设时序的原因，必然会存在后续基坑开挖对临近既有地铁车站造成影响的问题，基坑开挖对临近或下卧地铁车站的影响是一个十分复杂的动态过程。对文将对基坑开挖及建筑物回筑进行深入分析、研究，并结合工程实例，利用FLAC3D进行数值模拟研究分析基坑开挖对既有车站结构的影响并提出可行性建议。

关键词：基坑地铁车站FLAC3D数值模拟

1、研究意义

基坑开挖过程中，由于地层应力释放必然会引起地层初始应力状态的变化，基坑坑底一定范围内的地层发生回弹，地层的回弹对地下已建地铁车站产生上浮的作用，使其产生竖向的上抬变形以及水平方向的收敛变形。上方卸荷引起下方己有地铁车站的位移过程包括两个方面:一方面是卸载引起的地层回弹变形；另一方面是地层土体引起车站的上抬位移，且两者之间存在相互作用。

为分析大规模基坑开挖、回筑对地铁车站的影响，以求最大限度的降低工程风险，保证基坑开挖施工和既有地铁车站的安全，对文将对基坑开挖及建筑物回筑进行深入分析、研究，评价基坑开挖对既有车站结构的影响，提出可行性建议。

2、既有地铁车站受基坑开挖影响的变形机理

既有地铁车站的沉降变形是通过基础的变形来实现的，而基础变形是由于基础下的土体发生了侧移或沉降，当基础的刚度较大时，基础可以调节地下土体不均匀沉降从而达到减少对地铁车站的影响。当基础的深度较大时，对车站的影响也会大大减小。车站除了自身的结构形式、结构高度对其沉降变形有影响外，受到的最大的影响因素就是地下土体的运动变形，所以既有地铁车站的变形机理实质上就是建筑物基础变形和地下土体运动变形的一个关系的综合。当基坑开挖深度大于既有地铁车站深度时，不均匀沉降和倾斜会明显增加，主要原因有：

(1)基坑和车站之间的土体向基坑方向发生了位移，靠近基坑一侧基础的侧向土压力减少，而另一侧的侧向土压力基本变化较小，造成基础两侧之间有一个较大的压力差，从而引起车站向基坑方向发生倾斜。

(2)基坑开挖卸荷后，地铁车站基底的附加应力会重新分布并向基坑方向传递，从而引起建筑物发生不均匀沉降。

3、工程实例数值模拟分析

某御景半岛锦绣苑8#地块建设项目位于某市地铁1号线汽车北站西侧，地下室边线距离车站平面约5.9~13m。基坑东侧与车站附属平面最近距离约1.7~5.2m。据现场钻探及室内试验成果，场地第四系覆盖层厚度约为10-16m，自上而下依次为杂填土、素填土、粉质粘土、粉土、细砂、粗砂、圆砾、卵石，基岩为中元古界冷家溪群板岩。建设项目基坑排桩嵌固深度为8m，嵌入中风化板岩中，后期回筑建筑物为群桩基础，桩型为钻孔桩，直径为1m，桩长约11m，且进入中风化板岩不小于4.5m，受力类型为摩擦端承桩，桩端持力层为中风化板岩。地下室底板所处地基土层为圆砾或砾砂。与车站结构底板所处土层基本一致。勘察场地地下水类型分为第四系松散层中的孔隙承压水、强-中风化基岩裂隙水，局部分布赋存于人工填土、粘性土中的上层滞水。

本次计算利用FLAC3D有限差分程序对基坑开挖及回筑对既有地铁车站的影响进行了数值模拟分析，计算范围内的土体采用实体单元模拟，土体的本构模型类型采用摩尔-库伦模型，桩、墙、柱采用弹性模型模拟。本计算模型主要分析基坑开挖对车站的影响，考虑边界条件的影响，及简化计算，模型大小为81.3m×35.5m，仅对车站最不利断面进行基坑开挖施工过程和基坑对地铁车站影响的模拟计算。数值分析模型共有2112个zones和5796个grid-points组成。模型中选取了5个关键监测点对基坑开挖过程中结构的位移值进行了记录追踪。计算结果如下：

地层竖向位移云图车站监测点竖向位移时程曲线

通过国内外相关工程实例和研究的调研，结合数值模拟计算结果，分析研究了深基坑开挖对既有地铁车站产生的影响，并得出了以下结论：

1）、随着基坑开挖深度的加深，车站附属的水平位移和竖向位移都呈现增大的趋势，水平位移在开挖至基坑底部时，达到最大值，回筑后逐步减小，地面部分施工完成后亦不会完全恢复；竖向位移在基坑回筑过程中有所减小。

2）、随着基坑开挖深度的加深，地铁车站水平位移和竖向位移都呈现增大的趋势，水平位移在开挖至基坑底部时，达到最大值，回筑后逐步减小，地面部分施工完成后亦不会完全恢复；竖向位移在基坑回筑过程中有所减小。

3）、基坑开挖在纵向应尽量避免在地铁车站结构一侧采取一挖到底的方式，应沿车站纵向采用间隔式跳槽分步开挖，保证车站沿纵向的应力均匀卸载，这样合理利用了土体开挖的时空效应，更有利于控制车站沿纵向的不均匀沉降，且引起车站的变形值是最小的。

4）、车站结构的竖向位移、水平位移、差异变形等物理量均呈现随基坑土体开挖增大、结构施做减小的规律，变形曲线随施工工况的进行总体表现出波浪形状，体现出开挖卸载作用与结构加载作用对结构、周围岩土体位移场的动态叠加抵消作用。

5）、岩土工程由于自然界岩土材料的地域性、多相性和不均性，比较困难寻找一个理论的本构关系和合适的计算参数来精确模拟岩土问题的力学行为。计算表明，土体本构关系、计算参数的变化对计算结果有较大的影响。

4、可行性建议

1）、在基坑的开挖、支护及回筑过程中，加强对基坑东侧土体及地铁结构的变形监测频率和强度，从严控制报警值，确保地铁1号线的安全运营及地铁结构的安全。

2）、基坑的围护桩和工程桩施工均不得采用挤土桩，以免打桩过程中的动力荷载以及其挤土效应对已建成车站造成不利影响。推荐采用旋挖法施工，以减小施工对地铁结构的影响。

参考文献：

[1]陈骏峰,地表建筑与地下洞室共同作用分析[D].华中科技大学2008

[2]郭典塔，周翠英.基坑开挖对近接地铁车站的影响规律研究[J].现代隧道技术2015（01）

[3]潘军刚,隧道近接施工引起邻近既有桩基的内力和变形研究[D].山东科技大学2007

[4]王卫东,吴江斌,基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J].岩土力学,2004,25:251-255