群坑效应对轨交影响的数值分析

于清善

(山东正元建设工程有限责任公司，山东 济南 25101)

0 引言

具有多种城市功能的地下空间开发利用时，基坑开挖的形状往往并不规则，深度也不一致，必将涌现出多种坑中坑、坑连坑的复合群坑形式，并且这些基坑与轨交基坑可能存在伴生或上下交叠等位置关系。地下综合体与轨交共建无疑使得原本已相当复杂的大型群坑与轨交基坑进一步组合、叠加，成为更综合化、更为棘手的大型多层次复杂群坑工程。

群坑工程在施工期间，不可避免的会对自身及周边环境造成一定的影响，具体包括群坑开挖的耦合效应对周边已有建筑及管线的影响、群坑中先后开挖的组合基坑间相互作用及影响、群坑开挖及支撑体系架设及拆除对已建基坑结构造成的破坏、漂移影响等。群坑区别于单一基坑的特点及其所带来的诸多问题，称为群坑效应。

上海月星环球商业中心工程设3层地下室，其中地下1层和2层都直接与轨交站相连。月星综合体基坑的南侧为拟建的轨道交通13号线金沙江路站［1］。由于13号线北侧与月星综合体工程紧密相邻，车站北侧和月星地块南侧共用地下连续墙。由于地铁车站结构对变形的要求极其严格，与已有地铁车站共用地下连续墙的深基坑工程施工难度极高，在保证开挖过程中车站结构的安全前提下，还要考虑群坑开挖耦合效应，控制车站墙体及其结构的位移在允许范围之内［2］。

为了准确预测月星综合体基坑工程开挖对邻近地铁车站的影响及造成的附加变形，采用岩土工程专业软件进行基坑开挖过程的有限元模拟。取基坑南侧与拟建的地铁车站共用地下连续墙，进行二维弹塑性有限元计算，预测基坑开挖卸载对周围环境的附加变形。

1 分析模型

通过对计算剖面的简化分析，建立平面有限元模型进行数值模拟计算，对基坑开挖卸载作用对周围的地铁车站的影响进行预测分析。主要的简化如下:

(1)初始应力场的模拟

根据勘察报告提供的不同土层剖面，考虑不同的土体分层条件和重度，计算基坑开挖前土体的初始应力场分布。同时，考虑了邻近的地铁车站开挖建设对初始地应力场的影响，模拟了地下连续墙围护结构的施工和被动区的加固作用等影响因素。

(2)连续介质的模拟

通过已有的数值模拟经验及对各种土体本构模型的对比研究，本次模拟采用土体硬化模型(Hardening-soil Model)。地铁车站的混凝土框架结构、地下连续墙围护等结构采用线弹性材料，同时采用Goodman接触单元(应用于岩石力学中作为节理单元，后来被推广应用于土与结构的共同作用、人工块体结构的有限元计算中作为接触面单元，由于其形式简单，应用方便，目前被广泛应用)考虑了土体和结构之间的相互作用。

(3)基坑开挖过程的模拟

通过有限元软件的“单元生死”技术模拟基坑工程地下连续墙围护体和被动区加固施工、各层土体的分层开挖以及各道混凝土支撑的施工过程，根据基坑工程顺作法施工工况全过程模拟基坑开挖。

2 有限元模型的建立

(1)土体本构模型与参数

土体采用HS模型(HS模型是Hong and Stein于1999年提出的，简称HS模型，又称统一理论模型)，并采用Mohr-Coulomb破坏准则(一种岩石破坏准则，非线性破坏准则)。HS模型应用于基坑开挖的分析时具有较好的精度和适用性。HS模型计算参数由勘查报告提供，刚度参数和高级参数则在勘察报告的基础上根据大量类似工程的监测数据反演得到。

(2)结构参数

地下连续墙和灌注桩等围护结构的材料参数按照混凝土选取，相应的截面积、惯性矩等几何参数算到每延米来确定。逆作法时，考虑各层楼板厚度分别为:地下室顶板0.30m，地下室第一层和第二层底板0.25m，底板为1.20m。车站楼板分别为0.8m，0.4m，1.7m厚。

(3)接触面单元

采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟地下连续墙围护体、隧道与土体和加固土体之间的相互作用。

(4)网格划分

计算区域:几何模型宽度为基坑以外2倍以上开挖深度范围;计算深度为坑底以下2倍以上开挖深度范围，采用三角形十五节点单元模拟土体、水泥加固体，采用梁单元模拟地下车站、地下连续墙等围护结构。

(5)施工工况模拟

为了反映初始应力状态及基坑开挖的施工过程，本次计算在土体初始地应力场的基础上，先考虑地下车站施工过程引起的附加应力场变化，在此基础上施工地下连续墙或者灌注桩等围护结构，以及坑内被动区的土体加固，然后模拟各相应土层的开挖。

3 计算结果

基坑开挖对南侧的地铁车站的影响断面的结构位置示意图1如下。

图1 基坑开挖对南侧的地铁车站的影响断面的简图

数值计算过程见图2，水平位移、竖向分布云图见图3～4，车站结构变形及弯矩图见图5、6。

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将有限元计算汇总于表1，结果表明对临近结构水平位移为7.14mm，竖向位移5.6mm，变形较小，围护结构水位位移为23.52mm，数据控制在安全范围内。

4 结论

理论计算结果表明:对于地铁车站，由于在基坑开挖时候，地铁车站已经造好，车站的楼板会给公用的地下连续墙体提供较大的支撑刚度，因此，基坑开挖导致的地铁车站的水平向和竖向变形均小于10mm，满足地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm的要求。需要说明的是，由于计算为平面计算，实际由于地铁和区间隧道处的三维空间约束作用，且与地铁车站和隧道向邻的顺作法基坑开挖区域面积较小，支撑施作时间不长，相对沉降值会比计算结果更小。

总之，结合理论预测结果并结合已有的工程经验，该基坑方案能够满足基坑开挖对相邻的轻轨和地铁等构筑物的环境保护要求。

［1］赵琪.软土地基条件下多层次复合基坑群高效施工组织研究［J］.建筑机械化，2012，(增):64-67.

［2］郎燕英.上海月星环球商业中心工程逆作法施工技术［J］.建筑施工.2011(06)