基坑的组合支护形式对邻近地铁的影响

吕秋玲 ，张鸿翔 （安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

0 前言

随着城市的发展和人口的增长，人们对于地下空间拓展的需求不断增加。地铁作为目前地下空间开发最有效的方式之一，承载着大量城市居民生活出行的要求，其重要性不言而喻。因此，邻近地铁线路的基坑开挖的安全性也就十分关键了。

本文以地铁附近的工程基坑开挖为研究背景，利用Midas GTS建模分析，探究组合支护形式对地铁线路的影响，为今后类似工程提供借鉴参考。

1 工程概况

合肥长海医院深基坑工程位于合肥市包河区，北临花园大道，南临西安路（拟建）、东侧为青海路，西侧为十五里河河道及沿线保护带。规划用地面积43185.65m2，主要建筑物为门诊医技楼、住院楼、行政办公综合楼、1层地下车库等。本工程规划总平面如图1。

图1 合肥长海医院规划总平面图

本工程东侧地下室边线距离已营运地铁出入口约20m，距离车站主体（高王站，原花园大道站）最小距离约29.80m，距离区间结构最小距离约31.80m。本基坑均在轨道交通严格控制线以外，基坑东侧部分位于轨道交通影响控制线内。基坑与邻近轨道交通结构的位置平面关系如图2。

图2 合肥长海医院基坑与轨道交通结构的平面位置关系图

土的物理学参数见表1。

2 基坑支护方案

本基坑拟建场地地形较平缓，总体为南高北低、东高西低。基坑开挖深度2.6m～5.7m。基坑东侧北部邻近既有车站，采用土钉墙与悬臂桩组合支护，东侧南部邻近既有区间结构，采用土钉墙支护，基坑其余范围采用自然放坡支护，地下水采用集水明排处理。各处基坑支护形式剖面如图3所示。

图3 基坑支护结构剖面图

支护结构的安全等级为二级。围护桩部分的开挖深度为5.7m，嵌固深度为4.3m，桩顶部的标高为-3.000m。桩体采用钢筋混凝土材料，强度等级选用C30。桩体采用等截面圆柱体，截面直径0.8m，间距1.2m。桩顶部设置冠梁，冠梁高度0.5m，宽度0.8m，水平侧向刚度1.0MN/m。

土层物理力学参数指标表 表1

3 三维有限元计算分析

3.1 计算边界及网格划分

由圣维南原理可知，建模时为了避免模型尺寸对计算结果的影响，纵横向的长度应选择2至3倍开挖深度，边界条件在x轴和y轴分别采用x和y向的约束，同时上表面不设约束为自由面。故模型尺寸为300m×300m×30m（长×宽×高），模型建立和计算网格的划分如图4所示。

图4 三维建模示意图

3.2 计算工况

以施工先后次序为依据，对模型的计算工况作如表2划分。

3.3 车站主体结构位移分析

基坑施工各工况对邻近车站主体结构的位移影响汇总如表3。

由数值模拟结果知，工况3时车站主体最大水平位移为0.63mm，位于车站靠近隧道端底部，车站上方出现反向横向位移；最大沉降为0.20mm，位于车站末端，受基坑开挖卸载的影响邻近基坑侧车站主体结构局部出现隆起，最大值为2.53mm。工况4车站主体结构的变形趋势与工况3一致，最大水平位移约0.88mm，最大沉降0.62mm，局部略有隆起，最大隆起量约3.03mm。鉴于以上位移值均低于控制值10mm，故按既定支护设计方案，基坑开挖对车站主体结构的影响在可控范围内。

3.4 区间隧道结构位移分析

基坑施工各工况对邻近区间隧道结构的位移影响汇总如表4。

由数值模拟结果知，工况3区间隧道结构最大水平位移为0.81mm，最大沉降0.22mm，受基坑开挖卸载的影响邻近基坑侧区间隧道结构局部略有隆起，最大隆起量为3.10mm。工况4区间隧道结构的最大水平位移约1.32mm，最大沉降0.59mm，最大隆起量约3.69mm。均低于控制值10mm。

施工工况设置 表2

各工况基坑施工对车站主体结构的位移影响(累计值) 表3

各施工阶段对C号出入口结构的位移影响(累计值) 表4

各工况，区间隧道纵向不同位置位移如图5所示。

图5 施工阶段隧道区间纵向不同位置位移

从位移曲线图中可以发现，工况3和工况4的隧道变形形式有较大差异。工况3时开挖深度较浅，且在此情况下只采用了土钉墙的支护形式，横向变形较为平缓，方向均为偏向基坑方向，从隧道远离车站端开始变形逐渐增大，在隧道尾端有微小减小；而竖向变形则沿隧道纵向沉降逐渐减小至0，之后出现隆起，且隆起不断增大。工况4隧道横向与竖向变形趋势较为统一：在隧道远离车站端其变形较平缓，沿隧道纵向其变形及变形趋势都有明显增大；而当超过隧道的中点时，由于受到车站端支护形式的影响开始显现，隧道变形趋势开始减缓，并且在隧道长度约3/4处出现峰值，之后变形开始减小。横向变形以偏向基坑方向为标准，在隧道远离车站端方向为偏离基坑方向，逐渐减小至0随后向偏向基坑方向产生位移，即符合上述的指向基坑方向的变形的增减规律；而竖向变形均为沉降。

此外，从图5可以看出模拟结果与实际监测数值在变形趋势上较为吻合，在具体数值上存在的差异可能是由于模型的建立存在细节上的理想化，与实际存在差异；此外测量时存在一定的误差，以及施工过程中的时间和人为因素造成的影响。由于差值较小，趋势一致，可以认为模拟符合实际情况。

总结上述变形情况可知，本工程的基坑开挖项目会对周围环境特别是邻侧的地铁结构造成一定影响，但是影响程度可控。建议基坑施工期间，严禁在既有轨道结构上方堆土，采取分块开挖、尽早封底、严密监测等有效措施，以进一步减轻对邻近轨道交通结构的不利影响。

4 结论

本文通过Midas GTS三维建模分析了施工过程中车站及地铁隧道的整体变形，得到了车站和隧道的最大横向和竖向位移以及隧道的整体变形形式，并且通过整理相关数据总结归纳得到以下结论。

①仅采用土钉墙支护的浅层开挖时，隧道其纵向变形较平缓，其中横向位移逐渐增大，靠近车站端略有减小；竖向位移沉降逐渐减小至0，之后出现隆起，且隆起不断增大。当车站端采用围护桩和土钉墙组合支护进行深层开挖时，隧道变形在远离车站端相对较小，而沿隧道纵向逐渐增大，且变化幅度也逐渐增大；由于受到车站端支护形式的影响逐渐增大，后半段变形趋势逐渐减缓，变形在3/4处出现峰值，随后开始减小。

②模拟与监测结果较相符，说明方案较为合理，模拟比较准确。以上所有结构部分的位移均低于控制值，说明该支护方式安全可靠。本项目基坑开挖对邻侧地铁结构有一定影响，但影响程度总体上可控。