与既有地铁并行的车站深基坑变形数值模拟分析

孙 波

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

近年来，随着我国经济的快速发展，人口越来越多地流向大城市，造成城市交通状况日益恶化。地铁作为缓解城市交通拥堵的一种有效交通方式，被越来越多的城市采用，而且许多地铁修建在城市繁华中心地带。这些地方，土地利用价值高，所以不可避免一些地下空间开发选择在既有地铁区间很近的地方。地铁盾构区间隧道一般采用预制混凝土管片和高强螺栓拼装的形式，整体刚度小，对变形较为敏感。周边地下空间基坑开挖易造成隧道发生收敛变形，从而发生管片接缝张开，进而造成地下水渗漏。渗漏又会造成地层中的粉土颗粒进入区间，发生冒砂、冒泥。随着地层的流失，结构裂缝又会进一步扩张，最后造成道床脱空等病害。这严重影响列车的正常运营安全，也会对旅客的乘坐舒适度产生影响[1-5]。因此，各个城市对既有运营隧道的变形控制极为严格[6-8]。

国内外诸多学者开展了相关研究工作。刘庭金等[9]研究了临近既有隧道的基坑开挖对隧道的影响，结果表明：对隧道影响最大因素为隧道外侧由于基坑开挖卸载造成的土压力释放大小。蒋洪胜等[10]对某基坑临近的地铁隧道由基坑开挖引发的变形的监测结果进行了分析，分析结果显示一方面基坑临近隧道由于自身刚度会对基坑开挖引发的位移在一定程度上产生抵抗作用， 另一方面这种作用使得隧道自身的横向变形进一步加剧。祝龙川[11]结合上海地区某典型工程实例，根据既有隧道的监测结果，分析了隧道在临近基坑开挖过程中受力特性。李进军等[12]结合上海典型软土地层中紧邻地铁区间隧道的深基坑工程，总结了相关设计方法和措施。王如路等[13]对地铁运营隧道上方深基坑开挖卸载引起的变形情况进行了监测和研究。

杭州地铁8号线某车站基坑和既有地铁1号线区间隧道呈平行关系，平行长度约400 m。本文结合此车站基坑，基于Plaxis二维和三维数值模拟，研究了与既有地铁并行的车站深基坑的变形控制。本文和之前的研究区别在于，本基坑和既有区间隧道呈平行关系，长边效果明显，开挖影响范围大，对既有区间隧道的影响也更大。而前述其他学者研究的基坑均位于既有区间周边某一范围内，影响面相比较小。

随着地铁运营线路的增多，这种和既有区间隧道并行的车站基坑会越来越多。本文基于既有案例的数值模拟分析，提出指导基坑开挖和隧道保护措施的建议，可供类似工程参考借鉴。

2 计算模型的建立及分析

2.1 工程概况

本项目为杭州地铁8号线文海南路站，此站为地铁1号线和8号线换乘车站，换乘方式为通道换乘，二者均为地下两层站，基坑深度约为17 m，其中1号线目前正在运营。8号线文海南路站全长约590 m，地铁1号线文海南路站全长约290 m，故8号线车站基坑和1号线既有区间并行长度约300 m。8号线基坑距1号线车站结构最近约5 m，8号线基坑距1号线区间结构最近约8 m。既有1号线区间采用350 mm厚管片，盾构内径5.5 m，线间距17 m。1号线已于2015年通车运营，设计时未考虑8号线基坑开挖对1号线车站和区间的影响。另外，8号线文海南路站以北紧邻2号渠河道，车站结构距河道边约5 m，河道宽约25 m，河道深约2 m。综上，本站的施工风险极大。8号线车站基坑和既有地铁平面位置关系如图1所示。

图1 8号线车站基坑和既有地铁平面位置关系

本项目场地内的地层主要有杂填土、砂质粉土、粉砂、淤泥质粉质黏土以及黏土层，基坑坑底位于淤泥质粉质黏土层。

根据勘察成果，场地岩土设计参数建议采用表1中数值。

表1 物理力学参数

根据本车站所处的环境、工程地质、水文地质，经技术经济综合比较、计算分析和工程类比，本车站侧墙结构采用复合墙体系。为了减小基坑开挖变形，靠近1号线一侧的主体围护结构采用厚度1 000 mm地下连续墙，河道一侧的主体围护结构采用厚度800 mm地下连续墙。

本站基坑采用5道支撑+1道换撑进行支护，其中第1道为钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑，钢支撑全部采用预应力补偿系统。为了减小基坑开挖对1号线影响，拟对整个车站基坑在长度方向采用封堵墙分割为7个小基坑，每个基坑长约80 m。基坑采用跳坑施工，即先期施工一期基坑(第1、3、5、7基坑)，在一期基坑结构顶板施工完成后方可进行二期基坑(第2、4、6基坑)施工。基坑跳坑开挖方案如图2所示。理论上分坑宽度越小，基坑的长边效应也越小，开挖对既有1号线车站以及隧道结构的影响也就越小，但是分坑过多会影响工程的施工工期。本文后续根据有限元分析来验证假定的跳坑方案是否合理。其中二维有限元分析属于平面应变，对应于基坑中间未设封堵墙，不分坑的情况。三维有限元分析对应于坑中设置封堵墙，跳坑施工的工况。

图2 8号线基坑跳坑施工示意

2.2 变形控制标准

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB50911—2013)和《杭州市城市轨道交通运营管理办法》对于轨道交通规划、运营等方面的规定，对于已运营地铁隧道，城市轨道交通结构安全控制指标应符合以下标准。

(1)隧道结构竖向变形累计值小于10 mm。

(2)隧道结构水平变形累计值小于5 mm。

渐渐的，李陆峰除了看人，也开始欣赏花灯，当然，这不等于说他放松警惕。只要有人靠近他，他就会绷紧神经，严阵以待，就算对方是相熟的皇亲国戚、尚书侍郎，也不掉以轻心。

(3)结构裂缝宽度预警值：迎水面<0.1 mm，背水面<0.15 mm。结构裂缝宽度控制值：迎水面<0.2 mm，背水面<0.3 mm。

2.3 二维有限元分析

二维数值分析采用岩土有限元软件Plaxis 2D，土体采用小应变硬化模型(HSS模型)[14-20]。基坑地连墙采用板单元进行模拟，支撑采用点对点锚杆单元，车站内衬结构、隧道管片等采用板单元模拟。数值分析包括分步加撑、分步开挖、分步拆撑及回筑阶段。

8号线基坑在加撑开挖过程中，两侧地连墙和周围土体均发生朝向坑内的水平位移，随着开挖的进行，水平位移最大点逐步下移，均出现在开挖面附近。当基坑开挖到底结构回筑过程中，由于拆撑造成围护结构进一步发生朝向坑内的水平位移，所以在整个开挖回筑过程中，回筑完成后的位移最大，此时1号线结构也最不安全。鉴于篇幅，本文只给出基坑内衬结构全部回筑完成后的位移云图。

2.3.1 基坑开挖对1号线区间隧道的影响

图3给出了内衬结构回筑完成后，整个模型的水平位移，从图3可以看到，基坑在经历开挖和回筑后，地连墙均发生了朝向坑内的水平变形，水平变形最大值位于坑底以下2 m左右，在竖向方向上呈“大肚子”状。右侧地连墙的最大水平位移为11.15 mm，左侧地连墙最大水平位移为9.38 mm。左侧位移小于右侧是因为左侧位于河道边，地面超载范围小。图4给出了整个模型的竖向位移，从中可以发现坑内土体最大隆起量为85.34 mm，最大隆起位置位于坑底中间附近。另外，从图5可以看到，基坑在开挖和回筑完成后，1号线区间隧道发生了斜向坑内的以水平位移为主的变形，变形后区间呈“鸭蛋”状。其中左线隧道最大水平位移为6.55 mm，最大沉降为3.57 mm。右线隧道的最大水平位移为2.56 mm，最大沉降为0.9 mm。综上所述，在8号线基坑开挖以及回筑阶段，1号线既有区间的左线隧道的水平位移大于变形限制值(5 mm)，不满足要求，右线隧道在规定的变形范围之内。

图3 区间水平位移(结构回筑完成后)

图4 区间垂直位移(结构回筑完成后)

图5 地连墙以及既有地铁隧道位移(结构回筑完成后)

2.3.2 基坑开挖对1号线车站结构的影响

图6～图8给出了8号线基坑开挖以及回筑对地铁1号线车站结构的影响。从图中可以看出，相比区间断面，不管是8号线基坑的变形型态还是1号线车站结构的变形型态都有很大不同。变形特点主要有以下几个方面：(1)由于车站的范围比较大，所以对于8号线基坑来讲，由于1号线车站侧墙的遮挡，1号线车站和基坑间的主动土压力会较小，使得基坑左侧的土压力大于右侧，造成左侧地连墙的位移要大一些，并且位移最大值相比区间断面也减少30%；(2)由于1号线车站侧墙的遮挡，地连墙在开挖范围内呈马鞍形；(3)由于1号线车站结构顶板的遮挡，地面的超载无法传递到下部的土体中，造成1号线车站结构和基坑右侧土体在竖向上发生了隆起变形；(4)1号线车站结构发生了斜向上的变形，其中水平变形为1.8 mm(坑内方向)，隆起为1 mm。综上分析，在8号线基坑开挖和结构回筑后，1号线车站结构的位移都在变形限制值之内。

图6 车站结构水平位移(结构回筑完成后)

图7 车站结构垂直位移(结构回筑完成后)

图8 地连墙以及既有地铁隧道位移(结构回筑完成后)

2.4 三维有限元分析

如上节所述，二维数值模型属于平面应变，并不能反映本基坑中间设置封堵墙、跳坑施工的情况，但三维数值模型可以体现这种影响。三维数值分析采用岩土有限元软件Plaxis 3D，土体仍采用小应变硬化模型(HSS模型)[14-20]，模型参数和上节二维模型参数一致。工况相比二维数值分析，分成一期基坑(第1、3、5、7基坑)和二期基坑(第2、4、6基坑)，待一期基坑分步加撑、分步开挖、分步拆撑及回筑阶段完成之后，再进行二期基坑的加撑、开挖以及回筑阶段。同上节，这里也只给出内衬结构全部回筑完成后的工况分析。

根据基坑开挖对周边的影响范围，合理选取模型尺寸可减少边界条件对计算结果的影响。计算模型的平面尺寸为720 m(X方向)×120 m(Y方向)。最大围护结构深度(Z方向)约为47 m，计算模型中深度(Z方向)取60 m，三维模型如图9所示。

经计算，施工完成后，Uy方向围护结构最大水平位移为9.4 mm(图10)，方向均朝向坑内，小于二维计算的结果(11.15 mm)，另外从图10可以发现，第一批基坑的围护结构发生的位移普遍要大于第二批基坑的位移，跳坑施工效果明显。

图10 围护结构Uy方向位移

图11给出了内衬结构回筑完成后，Ux方向的位移云图，从图中可以知道，Ux方向围护结构最大水平位移为10.3 mm，主要为基坑两个端头的位移，方向均朝向坑内。

图11 围护结构Ux方向位移

图12 既有1号线结构Uy方向位移云图

图12、图13分别给出了施工完成后，既有1号线车站结构和区间在y方向的云图和变形示意图。从图中可以发现，既有1号线区间的水平位移最大值为4.1 mm，方向朝向8号线基坑方向。变形最大值发生在8号线车站第1个基坑中间附近位置，这是因为第1个基坑是7个基坑中最长的一个。图14、图15分别给出了施工完成后，既有1号线车站结构和区间在z方向的云图和变形示意。从图中可以发现，既有1号线区间的沉降最大值为2.4 mm。

图13 既有1号线结构Uy方向变形示意

图14 既有1号线结构Uz方向位移云图

从图13中可以看到，在8号线基坑开挖及回筑完成后，整个区间在长度方向上呈“W”状，位移大值发生在各个基坑的中间部位，位移小值发生在各个封堵墙位置。

图15 既有1号线结构Uz方向变形示意

另外，表2给出了8号线基坑开挖前、基坑开挖过程中、基坑开挖到底以及结构回筑后1号线既有区间管片的强度及裂缝验算结果，从表2可以看出，目前既有区间管片配筋满足规范要求，处于安全状态。

从上述分析中可以看到，8号线基坑经过设置封堵墙、跳坑施工后，既有1号线区间和车站的变形以及强度均满足规范的相关要求，可以保证基坑开挖过程中并行既有车站和区间隧道的安全。

表2 管片强度以及裂缝验算

3 结论

本文基于杭州地铁8号线与既有地铁1号线线路平行的车站基坑，进行了Plaxis二维和三维数值模拟。通过对比二维和三维数值分析，验证了分坑的有效性，并得到如下结论。

(1)对于和既有地铁线路平行的长条形基坑，设置封堵墙、跳坑施工是减小对既有结构影响的最有效措施。分坑长度需根据地质、周边环境等综合确定，一般不超过100 m。

(2)在基坑和既有区间附近，基坑开挖和回筑完成后，地连墙均发生了朝向坑内的水平变形，水平变形最大值位于坑底以下2 m左右，在竖向方向上呈“大肚子”状；既有区间隧道会发生斜向坑内的以水平位移为主的变形，竖向位移为沉降，变形后区间呈“鸭蛋”状。

(3)在基坑和既有车站附近，基坑开挖和回筑完成后，由于既有车站结构的遮挡，地连墙朝向坑内的变形减小，在开挖范围内呈马鞍形；既有车站发生斜向坑内的变形，竖向位移为隆起。

(4)基坑开挖及回筑完成后，整个既有区间在长度方向上呈“W”状，位移大值发生在各个基坑的中间部位，位移小值发生在各个封堵墙位置。