深基坑開挖對現有地鐵車站變形影響模擬研究

黃文輝

（中鐵四局集團第三建設有限公司，天津 300163）

0 引言

隨著城市地下空間的發展，越來越多的地下工程將會對現有地下工程造成影響[1-3]。深基坑開挖將引起緊鄰既有地下工程的變形，這是一個十分復雜的過程，首先開挖釋放出臨空面，引起應力變化，繼而引起隧道變形，其內部應力場分布、位移場特征和影響因素非常復雜。目前，還沒有一個較成熟且合理的理論來表征這種變形[4-5]。采用數值模擬手段在工程施工前對可能產生的不利影響作出評估，是安全、高效擴展城市地下空間的重要手段[6-7]。為了得到有根據、有可靠性的評估結果，需要選擇合適的模擬方法、建立與實際情況足夠相似的模型。

1 工程概況

擬建工程為一緊鄰地鐵車站的泵站深基坑?；訑M采用明挖法施工，東西向長約31m，南北向寬約22.45m，深16.05m。擬建泵站基坑位于某地鐵站西側，雨水泵站基坑支護結構（護坡樁）距地鐵站地下結構最小距離約41.17m，雨水泵站基坑支護結構（護坡樁）距離地鐵站護坡樁最小距離約40.16m，泵站基坑槽底比地鐵車站底板淺約11.5m，基坑臨時封底標高比車站頂板深約2.0m。

2 影響評估

2.1 評估思路

在前期通過搜集、整理有關地質情況；隨后根據工程的狀況開展檢測分析；最后通過數值分析，預估開挖造成的地鐵車站及區間軌道的變形，以此來綜合評價車站結構是否安全，地鐵軌道是否可以安全運行。對于地下工程，主要采用兩種簡化的力學計算模型[8-10]：一是連續介質模型，也稱地層-結構模型，即將地層與工程結構同時視為計算范圍，考慮地層與結構的共同作用，多用于多個結構與地層協調變形的分析；二是作用-反作用模型，也稱荷載-結構模型，該模型只以建筑物作為計算對象，將地層中的巖土體視為對支護結構的荷載源，多用于結構內應力場及位移場的分析。在該工程中，深基坑開挖引起的地下結構變形是依靠地層關系來體現的，因此采用地層-結構模型進行變形分析。

目前，常采用有限元方法、有限差分法等來進行地層-結構模型的分析?；谠擁椖磕Ｐ瓦B續、小位移的特點，采用有限元方法，計算重點是基坑及管線施工過程對地鐵結構所產生的影響。得到位移結果后，根據安全要求，提出基坑及管線施工時控制地鐵車站與軌道的位移監測標準和施工措施。

2.2 模型建立

考慮基坑開挖影響范圍，三維評估模型范圍為：沿既有地鐵線路方向長度150m，線路法向方向200m，土層厚度60m。新建結構包括擬建管線開槽及頂管豎井，既有結構包括地鐵高架區間及地鐵暗挖區間。評估范圍示意圖和模型示意圖如圖1 所示。

圖1 三維模型示意圖

該計算模型中地下巖土體采用實體單元模擬，針對土層分層，賦予各不同土層以不同的材料力學參數。模擬邊界條件的選取時，采用位移邊界條件，頂面取為自由邊界，不施加任何自由度約束；其他則限制法向位移的自由度。計算荷載考慮以下方面，第一，地鐵結構自重；第二，巖土體自重應力；第三，考慮地面各個結構，超20kPa。在本構公式的選取與各個部分材料力學參數的選擇上：對于混凝土材料構筑的車站主體部分，使用線彈性本構構筑剛度矩陣；對于各層中巖土體，則采用D-P 本構模型。安全評估按最不利情況分析施工對既有線的影響，模擬分三步進行：第一步完成泵站開挖施工；第二步完成出水管東西向地鐵車站主體；第三步完成管線鄰近上穿西北風道。

2.3 模擬結果

在確定上述材料本構關系與力學參數后，施加合適的邊界條件。下一步將分析各工序下車站隧道結構的橫向位移和豎向位移。為了反映目標地鐵結構的位移情況及規律，對各階段在施工完成后既有結構的位移云圖進行研究，分析既有結構的位移結果和規律。著重對地鐵高架區間、暗挖隧道區間和車站主體部分等重點結構進行模擬分析，如圖2-圖5 所示，模擬結果分析如下：

圖2 高架區間變形云圖

圖3 暗挖結構變形云圖

圖4 車站主體結構變形云圖

圖5 車站變形云圖

第一，地鐵高架構造的豎向位移最大值計算結果為0.395mm，方向向上，發生在鄰近管線側橋梁墩臺；橫橋向橫向位移最大值計算結果為0.314mm，順橋向橫向變形最大值計算結果為0.157mm，偏向管線開挖側，發生在鄰近管線側橋梁墩臺。

第二，間暗挖結構豎向位移最大值計算結果為0.224mm，方向向上，發生在穿越位置區間側墻；同時，橫橋向橫向變形最大值計算結果為0.116mm，位置處于偏向管線開挖側，發生在穿越位置區間側墻。

第三，站后折返線區間結構豎向變形位移最大值計算結果為0.581mm，方向向上，最大位移處在穿越位置區間側墻；橫橋變形最大值計算結果為0.404mm，其位置傾向于管線開挖側，最大位移處在穿越位置區間側墻。既有車站主體結構豎向變形最大值為計算結果為0.046mm，方向向上，最大位移處在穿越位置車站側墻；橫橋變形最大值計算結果為0.039mm，傾向于管線開挖側，發生在穿越位置車站側墻。

第四，另一既有車站結構的豎向變形最大值計算結果為0.381mm，方向向上，發生在完成開挖卸載階段，位于鄰近基坑開挖側結構側墻。1 號風道及側墻結構的豎向變形最大值為1.17mm，上浮，發生在完成開挖卸載階段。

2.4 模擬結果評估

在建立三維地層-結構模型后，對地鐵車站結構與軌道的位移進行有限元計算分析可以得出豎向變形和橫向變形位移，以及相應的變形云圖，通過分析得出如下結論：第一，依據對可能存在危險的點進行分析，水泵站基坑工程會引起現有地鐵結構及軌道的變形位移，經計算分析，該變形值較小，在地鐵運營安全容許范圍內。第二，施工時監測措施與評估結果相比對研究，可確保地鐵系統的正常運轉。

2.5 監測結果耦合

項目開展后，在典型位置處的結構布置監測點進行長期位移監測，監測結果隨時間變化如圖6 所示。

圖6 位移監測結果圖

位移監測結果均處于預警值之內，同時也略小于數值模擬估計值，符合有限元方法離散化過程中添加內部自由度約束導致結果偏大的特點。位移監測數據充分說明了前期模擬的準確性與安全預留上的可靠性。

3 結語

通過對未開始施工的深挖基坑項目進行數值模擬，評估其對現有地下結構可能造成的影響，提供有效的項目評估依據。數值模擬方法為后續項目的監控量測、施工工作提供了一定的參考與建議，評估結果與后續監測數據相匹配、相符合。