基坑施工对临近地铁出入口的影响分析

闫 磊，王敦显，李乾坤，王黛丝

（徐州市城市轨道交通有限责任公司，江苏 徐州 221009）

0 引言

随着城市发展建设和轨道交通建设的推进，越来越多的城市开发建设项目紧邻轨道交通结构布置，给轨道交通结构的安全造成了严重的威胁。如何分析周边建设活动对轨道交通结构的影响，保证轨道交通结构及设备设施的安全，成为学者关注的重点。

结合工程实例，国内学者进行了大量的研究。刘国彬等［1］以上海广场基坑工程下的隧道保护为例，利用残余应力原理和应力路径方法建立基坑隆起变形计算模型，预测隧道上抬变形，并提出基坑工程中的时空效应原理是减小上抬变形的最有效、最经济的措施；程斌等［2］以上海地铁二号线车站基坑工程为例，分析了基坑工程与周边建筑物的相互影响关系，总结了常用的治理措施，并提出了设计和施工过程中的一些注意事项；唐仁等［3］以邻近广州地铁一号线的鸿晖大厦深基坑工程为例，建立三维数值模型分析基坑施工对地铁隧道的影响，并分析了实测数据大于理论数据的原因；戚科骏等［4］结合上海地区临近地铁隧道的基坑工程，运用有限单元方法分析了基坑不同施工方案及不同施工过程对地铁隧道产生的影响，为施工方案的比选提供了有效的技术支持；高广运、吉茂杰、朱正峰、戚长军、李广军、楼晓明、刘纯洁等［5-11］也进行了相关的研究。

上述文献主要考虑基坑等建构筑物施工对车站主体结构或者区间隧道的影响，对出入口的研究分析较少。本文在前人研究基础上，以临近地铁出入口人防车库基坑施工为例，建立有限元数值模型，分析基坑施工对出入口结构的影响。

1 工程概况

1.1 工程简介

人防地下车库工程南侧紧邻既有地铁车站 3 号出入口，距离约 5.59 m，地下车库平面布置如图 1 所示，基坑开挖深度约 4.650 m。

图1 地下车库基坑开挖及支护方案示意图

根据现场施工情况，主楼及北侧地下车库部分已经施工完成，利用主体结构作为支撑点，基坑可采用 SP-Ⅲ拉森钢板桩 +H 型钢支撑的支护方案。基坑距离 3 号出入口最小距离为 5.09 m，支护结构采用 SP-Ⅲ拉森钢板桩 +1 道 H 型钢支撑，钢支撑及钢围檩均采用HW300×300 型钢；其余部位采用放坡+钢板桩支护形式。

出入口结构顶板覆土约 0～7.60 m，标准段底板底埋深约 14.10 m。出入口平面布置如图 1 所示，结构高度 6.45～14.50 m，顶板厚度为 700 mm，底板厚度为 800 mm，侧墙厚度为 600 mm。地下车库与车站出入口相对位置关系如图 2 所示。

图2 出入口附近基坑支护剖面图（单位：mm）

1.2 工程地质及水文地质概况

建筑场地的覆盖层厚度 14.50～16.50 m，上部土层主要有①杂填土层；②粉土；③粉质黏土；④粉质黏土；⑤含砂姜黏土；⑥黏土；下覆基岩为⑦全风化砂岩层。

场地揭露的含水层主要为潜水，潜水赋存于①杂填土及②粉土中，埋深平均值 1.00 m，主要补给来源为大气降水的下渗补给，排泄方式为自然蒸发为主。水位随季节性变化，年变幅 1.0～1.5 m。

2 有限元数值模拟

本项目基坑距离车站出入口非常接近，涉及基坑局部放坡、近距离垂直开挖和软弱土层等因素影响，采用有限元数值分析模拟，分析基坑开挖对出入口结构的影响。根据地勘揭露，施工期间地下水位较低，且在基坑开挖之前采用坑内降水，保证水位低于开挖面以下 1 m，故模拟计算不考虑地下水的影响。

根据场地岩土勘察报告，各土层物理力学参数取值如表 1 所示。

表1 土层物理力学参数表

新建地下车库施工包括钢板桩施工、放坡开挖、基坑降水和基坑垂直支护，基坑开挖模型均采用如下计算步骤模拟：地层自重、既有出入口结构、已建成商办楼及北侧地下结构达到重应力平衡状态→基坑支护桩施工→内支撑施工→基坑开挖（100 % 应力释放）→开挖完成。

模型假定围岩各层都是各向同性连续介质，土体采用修正 Mohr-Coulomb 模型，并采用 Mohr-Coulomb破坏准则。周边既有的超载按均布荷载作用于模型顶面。模型四周边界及下表面采用单向铰支约束，上表面采用自由约束。

有限元模型为减小边界效应影响，确定基坑开挖范围尺寸约为 250 m×220 m×11 m（长×宽×高），二期南侧施工范围为 157.74 m×9.10 m×4.65 m（长×宽×高）。

人防地下车库基坑紧邻既有地铁车站 3 号出入口，距离约 5.59 m，基坑开挖深度约 4.650 m。出入口结构顶板覆土约 0～7.60 m，由深至浅逐渐出露地面。建立模型如图 3 所示，模型中地库与出入口位置关系如图 4 所示。

图3 地下车库基坑工程三维数值模型

图4 出入口与地下车库工程位置关系

3 基坑施工对出入口结构影响分析

3.1 出入口变形影响分析

根据工程实际情况，建立有限元模型进行计算分析。出入口竖向、水平变形及倾斜计算结果如图5～8 所示。

图5 出入口沉降变形分布（最大沉降 0.7 mm）

图6 出入口 Y 向水平变形分布（最大侧移 0.94 mm）

图7 出入口 X 向水平变形分布（最大侧移 0.26 mm）

图8 出入口倾斜变形分布（最大倾斜 1.1 mm）

基坑采用 SP-Ⅲ 拉森钢板桩 +1 道 H 型钢支撑。根据计算结果，基坑开挖至坑底时，对出入口结构影响最大。基坑开挖后，3号出入口结构最大沉降为 0.7 mm，位于出入口结构出地面位置临近基坑侧；水平位移最大位移约 1 mm，同样位于出入口结构出地面位置临近基坑侧；3 号出入口最大倾斜位移 1.1 mm，倾斜度 0.43 ‰，也位于相同位置。

分析可知，由于本工程范围内工程地质条件较好，基坑开挖深度也较浅，故基坑施工导致出入口结构变形较小，基坑开挖引起的出入口竖向沉降小于 10 mm，平面位移小于 10 mm，倾斜变形小于 2 ‰，均满足规范要求。

出入口变形最大位置集中在出地面临近基坑侧，究其原因，由于出地面位置周围土体对结构的嵌固效应最小，当周围土体发生变形或位移时，结构随土体及时作出响应。此外分析模拟过程没有考虑前期出入口结构出地面位置放坡施工对土体的扰动，故实际变形应较计算结果大。因此后期基坑施工过程中，出入口位置为重点关注对象，应布置监测点加强监测。

3.2 出入口受力影响分析

计算有限元模型，内力计算结果如图 9 所示。

图9 出入口弯矩分布（最大弯矩 185.09 kN·m）

根据计算结果可知，内力最大位置位于出入口结构底板起坡位置，基坑开挖后，支座最大弯矩约为 185 kN·m，跨中最大弯矩约为 160 kN·m。经计算可知，地下车库基坑开挖引起的 3 号出入口结构裂缝变形为0.038mm，满足 0.2 mm 的裂缝安全控制要求。

3.3 现场监测对比

地下车库施工完成后，监测结果表明，出入口结构竖向最大沉降约 1.5 mm，最大水平位移约 2 mm（向基坑开挖侧）。监测结果与数值模拟结果相比，约为数值计算结果的 2 倍，但依然在允许变形控制范围内，满足结构安全要求。

分析原因，其一可能是数值模拟过程中未考虑前期出入口开挖对周边土体的扰动，对影响范围内的土体的工程力学参数进行折减；其二，出入口施工过程中，出地面位置局部放坡开挖，施工完成后再回填素土，压实度较原状土低，进而导致变形过大。这是后期类似工程分析和研究过程中需要注意的。

4 结论

通过有限元模拟分析地下车库基坑施工对出入口结构的影响，得到以下结论。

1）本项目基坑开挖引起的出入口结构变形和内力均满足规范要求，工程围护结构形式设置合理，满足地铁安全保护要求，可以作为指导施工的依据。

2）临近出入口基坑开挖引起的出入口结构变形主要集中于出入口出地面位置临近基坑侧。此位置对土体变形反应比较灵敏，是后期施工和监测的主要关注对象，为后期相似项目提供了参考。

3）出入口结构内力最大位置位于结构底板起坡位置，本项目由于基坑挖深较小，对结构内力影响较小。后期类似项目需根据工程实际情况进行处理。

4）本文在模拟计算过程中未考虑前期出入口基坑施工过程对周围土体的影响。基坑施工影响范围内的土体的工程力学参数应进行一定程度的折减，折减系数应结合工程地质条件和现场实际情况确定。Q