大面积高卸荷比基坑开挖对下卧运营中地铁车站及盾构的影响分析及对策

陆鹏 马瑶

【摘要】以西安南门地下空间基坑工程为背景，文章运用PLAXIS软件建立三维数值分析模型，对基坑施工进行全过程动态模拟，通过理论分析和数值模拟计算得出了基坑开挖过程中影响运营地铁车站变形的控制性因素。计算结果表明：合理安排施工工序，地铁车站的变形是可以控制的。探讨了对在运营中地铁上方大面积高卸荷比基坑开挖影响的控制措施。

【关键词】大面积；高卸荷比；基坑开挖；运营地铁；模拟计算；工程措施。

前言

本文结合环城南路南门地下空间基坑上跨地铁2号线工程实例，利用有限元三维计算程序PLAXIS，通过建立三维模型，对地铁车站上方的大面积、高卸荷比基坑开挖全过程进行模拟，对基坑开挖期间对下卧运营中地铁车站的影响进行了分析，对合理、有效、经济地控制地铁变形提出了针对性的工程措施，提出在开挖基坑过程中采用分块开挖、土体加固、堆载回压、全过程监测、动态设计、动态施工等保护措施，在实际工程中取得良好的效果 。

一、工程概况

西安地铁二号线永宁门站已投入运营。车站为地下二层结构，标准段结构外包尺寸20.5×12.86m（宽×高），顶部覆土3.6m左右。车站标准段基坑约为16.5m，采用直径1米间距1.2米的钻孔灌注桩，桩长约23.4m。轨排井处车站基坑深约18.25m，采用直径1.2米间距1.4米的钻孔灌注桩，桩长约27.25m。车站附属结构除去盘道下出入口部分采用暗挖，其它结构均采用明挖，基坑底最大深度约为10m。采用直径0.6米间距0.8米的钻孔灌注桩，桩长约12.5m。盾构隧道出车站最小埋深约为10m。

南门地下空间处在南门广场及交通繁忙的南门盘道之下。西区以西约25米为城堡大酒店裙楼，以南约28米为长安国际广场。中间部分以北约3～5米为即将同期施工的市政下穿隧道，隧道基坑底最大埋深约为8.9米。护城河在地下停车场正北侧约90m。东区与在建珠江时代广场5层裙楼间距16米。

地下停车场大部分为两层，基坑底埋深约10.6米。北侧跨区间隧道部分地下一层，基坑底埋深6.2米。 停车场东、西部分均与永宁门站出入口相邻。中间区域紧靠车站主体、风道、出入口及冷却塔。

地下停车场与地铁车站及盾构立面关系

二、基坑工程对地铁工程结构安全的影响分析及工程措施

南门地下空间与永宁门车站出入口、风道紧贴，基坑深度基本相同，均为10米左右 。考虑到车站既有结构的刚度远大于周边土体，保护措施的重点放在地下车库基坑开挖卸载后引起的竖向位移。具体工程措施为对附属结构外侧10米范围内土体加固 ，加固深至基底6米。为了减小加固过程对附属结构的震动 ，采用深层搅拌桩加固。

对称开挖可以将车站结构的水平位移降到最低。 基坑采用盆式开挖，在附属外侧预留土体，待外侧基坑开挖完成浇筑底板，制作支座后安装斜撑，最后再开挖预留土体。

地下停车场西侧与地铁出入口爬坡段最小距离为6.75m，东侧为7.8m。除了考虑盆式开挖外还设置了一道锚索。

1：计算软件：荷兰著名的岩土工程有限元软件plaxis；

2：土体材料模型：HARDENING-SOIL（HS）本构（硬化土本构模型），很好的考虑了土体的卸载模量；

3：材料模型参数：西安地铁2号线永宁站岩土勘察报告。参考相关论文与实际工程，考虑到有限元软件分析模拟与实际施工的差异，对参数进行适当的处理。

plaxis模拟地下停车场基坑分布开挖对车站结构的影响，考虑到施工误差，两边开挖滞后约2m。从完成开挖后变形的网格看到，靠近基坑的附属结构有上浮的趋势，水平向位移很小，车站主体的变形很小 。

车站附属结构的水平位移约为1mm，主体结构基本零水平位移。附属结构的竖向位移约为2.5mm，呈上浮的趋势；主体结构竖向位移约为1mm。

下图：一层地下车库部分，基坑横跨区间盾构隧道，基坑长度约为40m，宽度约为16.5m。区间隧道顶原埋深约10m，开挖后覆土剩余约为3.8m，卸荷比例为62%，卸荷面积约660m2，卸载后剩余土体满足抗浮要求。

采用深层搅拌桩加固，加固区域距离区间隧道1m，区间中间土体局部加固至隧道底5m，形成良好的空间交叉体系。为了减少开挖卸载后区间隧道的隆起变形，采用分区开挖其上方土体。先开挖第一区，开挖完成后及时浇筑底板并加载后，施工结构主体。同法开挖第二区，最后再开挖第三区。基坑的变形具有时空效应，通过分布开挖及预加载能有效控制区间隧道的隆起。

左图：为了更好的控制卸载引起的隆起变形，在地下停车场一二层基坑连接处施做隔断桩。施工期间考虑将地下水降至盾构隧道底可更加有效的避免施工期间的隧道上浮。 右图：变形的网格显示区间结构整体上浮，有变为椭圆的趋势。

上二图：分步开挖与预施加荷载对控制区间隧道的变形有利。

左上：左线区间隧道拱顶随着分布开挖后的竖向位移，可见第一步开挖后隆起达到最大，随着底板的施工与预加载，位移明显减少。拱顶最大隆起量约为4.23mm。施工结束后拱顶隆起约3.39mm。

右上：左线区间隧道拱底随着分布开挖后的竖向位移。第一步开挖后，拱底最大隆起量约为1.59mm，施工结束后拱底隆起约1.78mm。轨道处隆起量约为2.1mm 。

左下：左线区间隧道最左侧点随着分布开挖后的水平位移。 最大约为1mm

右下：左线区间隧道最右侧点随着分布开挖后的水平位移。 最大约为1.6mm。

三、结论

1、通过数值模拟分析，可以看出本工程采用的加固、开挖方案对地铁结构的影响是很小的，能够满足施工过程中及结束后地铁正常运营的需要。

2、在施工过程中，严格控制施工工序，加强施工期间的监控量测并做好应急预案，施工期间风险可控。同时加强对已运营地铁工程的监测，做到万无一失。

3、实际施工中，因外部条件十分复杂，不一定能够按照设计的施工工序进行施工，因此对于此类城市中运营中地铁上大面积开挖施工的工程项目，应当引入“全过程监测、动态设计、动态施工”的手段，实时掌握监控对象的变化，并根据变化对设计及施工进行调整，才能适应实际的需要。

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