基坑開挖對鄰近地鐵車站安全影響的三維有限元分析——以西朗公交樞紐站為例

丁 樂（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

基坑開挖對鄰近地鐵車站安全影響的三維有限元分析——以西朗公交樞紐站為例

丁 樂
（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

摘要：隨著城市地鐵工程的快速發(fā)展，地鐵周邊建筑物基坑的施工必然會對鄰近的地鐵車站產生一定的影響，特別是超近距離的基坑施工；因此必須進行更為可靠的安全評估。借助有限元分析軟件MIDAS／GTS，考慮邊界條件、土層參數等工況條件，建立了基坑開挖的三維有限元模型。先計算出基坑開挖前地鐵結構的初始應力狀態(tài)，再計算出由于基坑施工引起的位移、內力等的變化，根據該變化值來判斷基坑施工對地鐵結構的影響。同時，為滿足超近距離安全評估可靠性較高的要求，提出運用Plaxis有限元模型進行復核，為超近距離地鐵車站的深基坑施工安全評估提供了操作可行的方法。

關鍵詞：基坑開挖；鄰近地鐵車站；三維有限元模型；結構位移；結構內力

0　引言

目前，城市地鐵工程已進入快速發(fā)展時期，地鐵線路已逐漸遍布城市地下各處，除地面上的建筑施工工程所涉及的基坑開挖規(guī)模和開挖深度都在不斷增加外［1］，因城市用地緊張，部分基坑與已開通運營車站的距離相當近，其施工無疑將對鄰近的地鐵車站產生一定的影響。而已開通運營的地鐵車站對自身的變形要求也極為嚴格［2］，如何有效地對基坑開挖引起鄰近地鐵車站的結構位移及內力變化進行安全評估是至關重要的。

曾遠等［3］以張揚路地鐵車站基坑開挖工程為依托工程，為了研究臨近基坑開挖對既有車站變形的影響，通過運用有限元分析軟件建立數值模型，從新舊兩車站間距、源頭變形、土體彈性模量3個因素入手，分析了張揚路地鐵車站基坑開挖對既有車站變形的影響；李偉強等［4］通過建立有限元數值模型，分析了臨近深基坑施工對既有地鐵的影響，并針對工程提出了合理的措施和建議，可以為今后類似的工程提供參考；張國亮等［5］以深圳地鐵5號線前海灣站基坑工程為依

托工程，研究了臨近地鐵站基坑與既有地鐵站結構的相互影響，通過運用FLAC 3D有限元軟件建立數值模型，分析了前海灣站基坑與既有1號線鯉魚門車站結構的受力變形情況；丁習富等［6］以臨近某地鐵車站的某市控制中心深基坑工程為背景，基于理正軟件驗算基坑支護結構，建立了既有滲流場、位移場的情況下深基坑按實際開挖工況的三維數值模型，以緊鄰車站變形量和基坑結構內力最小為優(yōu)化目標，對開挖工法進行優(yōu)化，并分析了基坑開挖對該站地鐵的影響評估；徐奴文［7］和謝弘帥［8］通過運用Plaxis軟件建立了地鐵站深基坑開挖過程的二維有限元分析模型，分析了地鐵站深基坑開挖過程的變形規(guī)律。

本工程與地鐵車站距離超近（最近處為2.1 m），因此對地鐵車站的變形及內力變化的安全評估要求極為嚴格，而對距離超近的類似工程如何進行安全可靠性評估及同時考慮變形和內力變化的研究較少。本文運用基于MIDAS／GTS的三維數值模擬方法從位移和內力變化2方面進行計算評估；另外，為提高安全評估的可靠性，運用Plaxis有限元模型進行復核，針對超近距離地鐵車站的深基坑施工的安全評估，提出一種操作可行的方法。

1　工程概況

1.1西朗公交樞紐站工程與地鐵車站的位置關系

西朗公交樞紐站工程位于廣州市區(qū)，擬建建筑物地上為24層、地下2層，建筑基礎采用人工挖孔樁樁基礎。擬開挖基坑不規(guī)則，周長約500 m，開挖面積約20 570 m2，基坑底絕對標高為－2.10 m，開挖深度為9.6～9.8 m。基坑邊線距離廣佛線西朗站主體結構約8.6 m，距離Ⅰ號出入口主體結構2.6 m，距離Ⅲ號出入口主體結構2.1 m。西朗公交樞紐站平面圖見圖1。

圖1　西朗公交樞紐站平面圖Fig.1 Plan of Xilang public transportation hub

廣佛線西朗站位于2條道路交叉部位，呈西南至東北走向布置，橫跨花地大道，車站東北側為加油站及民房，西南側為公共汽車站。車站全長384.3 m，標準段寬20.7 m，車站帶雙列位停車線。車站覆土約2.25 m，底板埋深15.64 m，基底主要處于中、微風化泥質粉砂巖中。主體結構頂板、中板、底板、側墻厚度分別為800，400，900，700 mm。主體圍護結構采用1 000＠2 000鉆孔樁；附屬結構位于車站南北兩側，北側現有風亭及出入口，南側與地鐵1號線西朗站的Ⅰ號換乘通道相連；附屬圍護結構采用800＠1 000鉆孔樁。廣佛線西朗站的橫斷面圖如圖2所示。

圖2　廣佛線西朗站的典型橫剖面圖Fig.2 Typical crosssection of Xilang Station on GuangzhouFoshan Metro line

1.2工程地質概況

場地所處地貌單元為珠江三角洲平原，地面大致平坦，自上而下劃分為人工填土層（Qml）、第四系沖積土層（Qal）、第四系殘積土層（Qel）及白堊系（K2d2）基巖。

1.3幾何關系分析

在施工的全過程中確保地鐵區(qū)間的安全運營成為本工程能否順利實施的關鍵。在深基坑開挖過程中，土體卸載必然會引起基坑一定范圍內土體的回彈和側向變形。影響土體側向變形的因素眾多，主要有：基坑參數（包括基坑平面尺寸、開挖深度、圍護結構形式及插入深度比等）、基坑底部狀況（土層性質、是否有樁基及土體的殘余應力等）、開挖參數（總卸荷量及比例、每次開挖卸荷量及無支撐暴露時間等）。

本基坑開挖深度為9.6～9.8 m，廣佛線西朗站的主體結構埋深約15.64 m，與基坑平面距離約8.6 m，距離較大，因此深基坑開挖對車站主體結構的影響較小；對車站附屬結構，埋深約10 m，距離廣佛線西朗站的Ⅰ號出入口主體結構2.6 m、Ⅲ號出入口主體結構2.1 m，基底埋深與基坑開挖深度基本一致，因此深基坑開挖對附屬結構存在一定不利影響。

2　三維有限元模型的建立

2.1邊界條件及本構關系

計算過程中的主要荷載包括自身重力、水土壓力、施工期間地面超載（按20 kPa考慮）等，周邊環(huán)境按無限剛度體模擬，約束有限元模型底部的豎向位移及各側面的法向位移?；觾炔坎捎媒邓?，降水位置處于基坑開挖面以下500 mm。

本次分析的土層參數關系如表1［9］所示，采用MohrCoulomb破壞準則［10］模擬巖土體的材料特性。

表1　地層的主要物理力學性質指標表Table 1 Main physical and mechanical parameters of strata

地鐵車站、區(qū)間隧道、圍護結構、支撐等參數及本構關系如表2所示。

表2　支護、地鐵結構主要指標表Table 2 Main parameters of support and Metro structure

2.2建立有限元模型

如上所述，地鐵車站及區(qū)間隧道周邊地層的力學性質對約束基坑施工過程地鐵結構的受力和變形起著關鍵作用，為此，進行三維模擬分析計算時須充分結合本工程的地層分布特點合理選取計算參數。三維有限元計算模型中的地層主要根據本項目詳勘報告中地鐵結構附近的工程地質資料進行適當優(yōu)化而來，主要有：〈1〉素填土、〈2－2〉淤泥質土、〈4－1〉強風化泥質粉砂巖、〈4－2〉中風化泥質粉砂巖及〈4－3〉微風化泥質粉砂巖等地層。各地層的計算參數取值主要依據相關工程地質勘察資料和工程經驗綜合分析確定。對地鐵車站主體結構、出入口、聯絡通道和基坑支護結構體系的力學計算參數依據相關設計施工圖紙資料，經綜合考慮相關因素后確定。

對地鐵車站結構構件及地層的有限元模擬，采用板單元模擬圍護結構、車站結構、附屬結構，梁單位模擬冠梁、支撐，植入式桁架模擬錨索，實體單元模擬地層。本次分析采用水土分算的模式，摩爾－庫倫破壞準則仿真模擬地層。計算模型范圍以基坑外輪廓或者地鐵結構外輪廓為基準外擴不小于25 m（約2倍基坑深度）而建立。三維有限元計算模型的邊界條件為：模型底部z方向位移約束，模型前后面y方向約束，模型左右面x方向約束。建立的三維有限元計算模型如圖3—6所示。

圖3　初始狀態(tài)有限元模型Fig.3 Finite element model of public transportation hub under initial status

3　結構位移及內力的計算

本項目有限元模型復雜，單元、節(jié)點有三十幾萬個，為節(jié)約計算時間，便于收斂，第1，2計算步驟先計算出基坑開挖前地鐵結構的初始應力狀態(tài)，并將前2個階段的位移清零。從第3至最后一個計算步驟計算出由于基坑施工引起的位移、內力等變化，根據該變化值來判斷基坑施工對地鐵結構的影響，具體工況如表3所示。

圖4　基坑開挖后的有限元模型Fig.4 Finite element model of public transportation hub after foundation pit cutting

圖5　地面超載有限元模型Fig.5 Finite element model of public transportation hub with ground overload

圖6　地鐵結構與開挖土體關系的有限元模型Fig.6 Finite element model of relationship between Metro station structure and foundation pit cutting

3.1結構位移

結構位移分為車站主體結構Ⅲ號出入口、Ⅰ號出入口、樁基等結構的位移，并繪制關系圖如圖7所示。

通過計算可知：

1）隨著基坑的開挖，車站主體、Ⅲ號出入口、Ⅰ號出入口及樁基的水平位移、豎向位移、總位移不斷增大，開挖至第3次時，位移達到最大，且位移均滿足變形要求。

表3　各工況階段分析表Table 3 Analysis on different construction stages

圖7　土體開挖引起各結構的位移Fig.7 Displacement of Metro station structure induced by foundation pit cutting

2）水平位移、豎向位移以及總位移的變化，離基坑越近，變化越大。

3）水平位移大于豎向位移?；娱_挖前豎向在土體的擠壓下，已經達到了平衡狀態(tài)，且開挖基坑與地鐵結構為平面位置關系；因此開挖土體后，土體水平向失去平衡，土體產生較大水平位移，推動圍護結構向基坑內移動，最終和圍護結構一起達到平衡。豎向位移為土體水平移動后導致土層變薄所致，為附帶位移，因此較水平位移小。

3.2結構內力

根據三維有限元分析結果表明，地鐵結構的彎矩、軸力在基坑開挖過程中變化值比較小，變化最大值出現在Ⅰ號出入口處，軸力最大變化值為69 kN／m，彎矩最大變化值為58 kN·m／m，對地鐵結構受力影響很小，計算結果詳如表4所示。

表4　軸力、彎矩變化表Table 4 Variation of axial force and bending moment

4　Plaxis有限元平面模擬分析復核

考慮本工程與地鐵車站距離太近（最近處為2.1 m），為確保地鐵車站的變形及內力變化的安全，須采用Plaxis有限元模型進行模擬分析復核有限元分析軟件MIDAS／GTS的計算結果。因本項目基坑與地鐵結構基本成平行分布，符合平面模型的特點，因此采用Plaxis平面模型進行復核。

Plaxis平面模型中，邊界條件、土層參數及本構關系、地鐵結構參數及本構關系等詳見2.1節(jié)，工況階段分析同表3。采用plate單元模擬圍護結構、車站結構，anchors單元模擬錨索，soil＆interface單元模擬地層；采用水土分算的模式，摩爾－庫倫破壞準則仿真模擬地層情況。計算模型范圍以基坑外輪廓或者地鐵結構外輪廓為基準，外擴不小于25 m（約2倍基坑深度）而建立。有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移。模型左右兩側約束水平向位移，建立模型如圖8所示。

計算結果如表5—8所示。

同時，深基坑施工造成鄰近地鐵結構的受力狀態(tài)變化為：軸力最大變化值為77 kN／m，彎矩最大變化值為69 kN·m／m（均出現在出入口位置），地鐵結構的受力變化處于可控范圍。

圖8　地鐵各結構與開挖土體關系的Plaxis模型Fig.8 Plaxis model of relationship between Metro station structure and foundation pit cutting

表5　車站主體結構的位移匯總表Table 5 Summary of displacement of main structure of Metro station

表6　車站Ⅲ號出入口的位移匯總表Table 6 Summary of displacement of No.3 entrance of Metro station

表7　車站Ⅰ號出入口的位移匯總表Table 7 Summary of displacement of No.1 entrance of Metro station

表8　樁基位移匯總表Table 8 Summary of displacement of pile foundation

通過計算結果可知，對結構位移與內力，均與有限元分析軟件MIDAS／GTS計算的結論一致，因此可以判斷深基坑施工不危及鄰近地鐵結構的安全。

5　結論與討論

通過建立的三維有限元模型分析了西朗公交樞紐站基坑項目對地鐵車站主體結構、出入口及樁基的影響，因本工程與地鐵車站距離超近，同時采用Plaxis有限元模型進行模擬分析復核有限元分析軟件MIDAS／GTS的計算結果，從以上計算過程及結果可知：

1）地鐵車站結構受基坑開挖的影響較小，不需要采用額外的基坑加固措施便能確保地鐵結構的安全。

2）針對與地鐵車站距離超近的基坑開挖工程，為滿足開通運營的地鐵車站對自身的變形及內力變化要求，宜采用2種或2種以上的分析模型進行安全評估計算。

3）本工程中，基坑施工造成鄰近地鐵結構的受力狀態(tài)發(fā)生一定程度的改變，但引起地鐵車站結構、出入口及樁基的位移較小，且鄰近地鐵結構的受力變化處于較低水平，故本深基坑施工不危及鄰近地鐵的結構安全，不影響地鐵的正常運營。

在后續(xù)的施工過程中，可根據計算結果，合理優(yōu)化布設監(jiān)測點，出入口處應加密布設，樁基處可適當減少布設，以節(jié)約投資；同時，應重點監(jiān)控水平位移，必要時根據監(jiān)測數據采取相應的施工加強措施。

由于廣州地區(qū)工程地質的復雜性，在進行數值模擬分析時極難選取合適的參數來反映現場實際，而且，在本文的模擬中并未考慮地下水的影響，這些都是有待于今后進一步研究和討論的。

參考文獻（References）：

［1］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：75－83.（LIU Guobin，WANG Weidong.Handbook for founbdation pit engineering［M］.2nd Edition.Beijing：China Architecture＆Building press，2009：75－83.（in Chinese））

［2］ JG J120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012：13－15.（JG J120—2012 Technical specification for retaining and protection of building foundation excavations［S］.Beijing：China Architecture＆Building Press，2012：13－15.（in Chinese））

［3］ 曾遠，李志高，王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究［J］.地下空間與工程學報，2005，4（1）：642－645.（ZENG Yuan，LI Zhigao，WANG Yibin.Research on influencing factors of deep excavation adjacent to subway station［J］.Underground Space and Engineering，2005，4 （1）：642－645.（in Chinese））

［4］ 李偉強，孫宏偉.鄰近深基坑開挖對既有地鐵的影響計算分析［J］.巖土工程學報，2012（S1）：419－422.（LI Weiqiang，SUN Hongwei.Influence of deep excavations on existing subways［J］.Journal of Geotechnical Engineering，2012（S1）：419－422.（in Chinese））

［5］ 張國亮，韓雪峰，李元海，等.新建地鐵站基坑與既有車站結構間相互影響的數值分析［J］.隧道建設，2011，31 （3）：284－288.（ZHANG Guoliang，HAN Xuefeng，LI Yuanhai，et al.Numerical simulation on interaction between

new foundation pit and existing Metro station［J］.Tunnel Construction，2011，31（3）：104－108.（in Chinese））

［6］ 丁習富，師海，孟小偉.深基坑開挖與緊鄰在建地鐵車站影響優(yōu)化分析［J］.地下空間與工程學報，2014（10）：1817－1822.（DING Xifu，SHI Hai，MENG Xiaowei.Optimization analysis on foundation excavation and its effect on the nearby subway station under construction［J］.Underground Space and Engineering，2014（10）：1817－1822.（in Chinese））

［7］ 徐奴文.地鐵車站深基坑開挖與支護有限元數值模擬［D］.大連：大連理工大學土木工程學院，2008.（XU Nuwen.Numerical Simulation with FEM on deep foundation excavation and timbering of Metro station［D］.Dalian：School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，2008.（in Chinese））

［8］ 謝弘帥.深基坑開挖對臨近地鐵車站基坑影響的有限元計算分析［J］.上海地質，2009（2）：54－58.（XIE Hongshuai.The finite element analysis about the deep excavation effect on the adjacent subway foundation pit［J］.Shanghai Geology，2009（2）：54－58.（in Chinese））

［9］ 漆泰岳，白永學，李斌.復雜斷面地鐵隧道開挖優(yōu)化及對建筑物的影響［J］.西南交通大學學報，2012，47（1）：68－75.（QI Taiyue，BAI Yongxue，LI Bin.Optimization of complex crosssection Metro tunnel excavation and its influence on building［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，2012，47（1）：68－75.（in Chinese））

［10］ 盧廷浩，劉祖德.高等土力學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006：275－283.（LU Tinghao，LIU Zude.Advanced soil mechanics［M］.Beijing：China Machine Press，2006：275－283.（in Chinese））

Case Study on 3D Finite Element Analysis on Influence of Cutting of Foundation Pit on Safety of Existing Adjacent Metro Station

DING Le
（Guangzhou Metro Design＆Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510010，Guangdong，China）

Abstract：With the rapid development of urban Metro projects，the construction of foundation pits will have impact on existing adjacent Metro stations.As a result，a more reliable safety assessment system is needed when the foundation pit is close to the existing Metro station.The 3D finite element model is established for foundation pit cutting by using the finite element analysis software MIDAS／GTS，considering the boundary conditions and parameters of soil strata.First，the initial status of the Metro station is calculated；then the displacement and internal force variation of the Metro station induced by foundation pit cutting is calculated.The calculation results can be used to determine the influence of foundation pit cutting on the Metro station.Meanwhile，it is proposed that finite element model should be used for checking，which provides a feasible method for safety assessment of Metro station.

Key words：foundation pit cutting；adjacent Metro station；3D finite element model；structural displacement；structural internal force

作者簡介：丁樂（1984—），女，湖南漢壽人，2009年畢業(yè)于大連理工大學，市政工程專業(yè)，碩士，工程師，現從事地鐵車站及地下結構工程方面設計工作。

收稿日期：2015－01－13；修回日期：2015－03－18

中圖分類號：U 459.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672－741X（2015）04－0328－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.04.008