基坑開挖對鄰近地鐵車站出入口變形影響研究

張 鵬

(河南省建設基礎工程有限公司，河南 鄭州 450000)

1 概述

隨著城市的發(fā)展，越來越多的深基坑開挖工程鄰近既有地鐵車站及附屬出入口結構。在基坑施工過程中，改變原有的土體平衡，對周圍土體產生擾動，進而引起其內的地鐵車站及出入口等地下結構發(fā)生變形[1，2]，一旦變形過大，就會引起既有地鐵的正常使用，甚至發(fā)生破壞。因此，在基坑施工中如何保護臨近既有地鐵車站及出入口結構不受損害是需要研究的一個重要課題。

近年來，國內外學者對基坑開挖誘發(fā)車站及附屬結構變形進行了眾多研究。陳魯[3]結合某實際工程，對不同工況和施工步驟下，深基坑開挖對地鐵隧道和站臺結構的影響進行有限元計算，介紹了分析模型、分析手段以及計算結果。趙洋等[4]就深基坑開挖對既有地鐵結構安全的影響進行研究，通過對基坑開挖的具體影響程度、級別及安全性進行分析，并給出相應的保護措施。沈雯等[5]結合上海地區(qū)某近鄰地鐵車站及區(qū)間隧道超深基坑工程，通過現(xiàn)場監(jiān)測的手段獲取了地鐵車站及區(qū)間隧道在鄰近超深基坑分區(qū)開挖下的變形響應數(shù)據，并對該監(jiān)測數(shù)據展開了深入的分析和研究。曾祥會[6]以天津市某購物中心基坑工程緊鄰既有地鐵車站施工為背景，采用數(shù)值模擬方法，針對既有地鐵車站及區(qū)間隧道的變形情況進行分析，研究隧道變形的發(fā)展規(guī)律，并通過與監(jiān)測結果進行對比分析，確定了變形最大值及其位置。徐騰飛[7]以紅谷灘中央金融大街基坑工程項目毗鄰南昌地鐵1號、2號線換乘站—地鐵大廈站為研究基礎，采用有限元方法進行數(shù)值模擬分析，對近接工程控制因素所帶來的風險進行量化，并分別對各因素所產生的風險進行評估。

本文以鄭州某基坑項目為例，通過ABAQUS三維有限元分析軟件模擬，對開挖過程中既有地鐵車站出入口結構的變形特征進行了計算分析及評價。研究結果為類似地質情況下后續(xù)建設項目設計與施工具有一定的參考意義。

2 工程概況

擬建基坑工程場地位于鄭州市市區(qū)，基坑開挖深度為原自然地面下15.90 m?；悠矫娉示匦伍L度約80.50 m，寬度約49.25 m。

在基坑南側1—1剖面距基坑邊界線約13.40 m處有一埋深9.00 m的地鐵車站出入口。基坑設計如下：基坑周邊剖面均采用上部微型樁+土釘墻復合支護，下部排樁支護體系，樁長均為24 m，樁徑D1 000；樁間距均為1.5 m。同時，1—1剖面和2—2剖面分別與4—4剖面通過型鋼角撐連接；2—2剖面與3—3剖面也通過型鋼角撐連接。支護結構剖面1—1與管線相對位置如圖1所示。

3 三維有限元模型

3.1 三維有限元模型的建立

本文結合工程地質條件及基坑周圍現(xiàn)狀，主要考慮基坑南側1—1及相鄰側2—2,4—4剖面處開挖對車站出入口的影響。數(shù)值建模中，模型尺寸取100 m×66 m×50 m；模型前后、左右分別限制X，Y方向的位移；模型頂部采用自由邊界。鋼支撐施加預應力200 kN；基坑周邊施加20 kPa道路車輛超載，通過面荷載形式施加；土體選用M-C模型，模擬地基的彈塑性變形和應力應變；排樁、出入口結構等采用線彈性單元。支護結構材料參數(shù)見表1，有限元模型如圖2所示。

3.2 基坑開挖施工過程模擬

本模型主要計算分析基坑開挖對車站出入口變形的影響，基坑開挖分四次開挖，整個模擬過程共分為9步。具體計算步驟如表2所示。

表1 支護結構和出入口結構參數(shù)

表2 計算步驟表

4 基坑開挖對臨近車站出入口影響分析

4.1 基坑開挖對臨近車站出入口水平變形影響

圖3為基坑主要開挖步引起的出入口結構位移圖。

由圖3可知，隨著開挖深度的不斷加深，出入口結構的水平位移整體上也在不斷增大，最大值均出現(xiàn)在第九步，即開挖第四層土體時，同時，在開挖后每步施加預應力時，位移有所減小。但對比出入口結構底板和頂板位移可知，結構的頂板位移整體比頂板位移要大，頂板最大值為6.35 mm，出現(xiàn)在A點，底板最大值為4.96 mm，出現(xiàn)在a′處。同時，結構的底板水平位移在開挖第一層土體時有向基坑遠側移動的趨勢，說明在該步開挖時整個結構出現(xiàn)了微偏轉。根據車站出入口所屬方對結構變形規(guī)定，要求最大水平位移小于10 mm，因此基坑的施工滿足要求。

4.2 基坑開挖施工對臨近出入口豎向變形影響

圖4為基坑主要開挖步引起的出入口結構位移圖。

由圖4可知，隨著開挖深度的不斷加深，出入口結構的豎向位移整體上也在不斷增大，最大值也出現(xiàn)在第九步。但對比出入口結構的位移可知，結構的豎向最大位移出現(xiàn)在靠近基坑側，此處頂板A點最大值為3.85 mm，底板A′點最大值為3.15 mm。同時，結構遠離基坑側參考點的位移有先上升又下降的趨勢；相對于頂板豎向位移，結構的底板位移整體相差不大。根據車站出入口所屬方對結構變形規(guī)定，要求最大豎向位移小于10 mm，因此基坑的施工滿足要求。

5 結語

本文基于有限元方法，分析了基坑開挖對地鐵車站出入口結構的變形影響，得到如下結論：1)隨著基坑開挖深度的不斷加深，車站出入口結構的水平位移除在施加支撐結構時有突變減小外，整體在不斷增大，但結構的底板水平位移在開挖第一層土體時有向基坑遠側移動的趨勢，說明在該步開挖時整個結構出現(xiàn)了微偏轉。2)結構豎向位移在開挖初期均有向下增加的趨勢，但隨著開挖深度的增加，結構遠離基坑側參考點位移有先上升又下降的趨勢，相對于頂板豎向位移，結構的底板位移整體相差不大。3)根據車站出入口所屬方對結構變形規(guī)定，計算所得的最大位移均小于要求的最大位移10 mm，因此基坑的施工滿足要求。