深基坑施工对邻近既有地铁车站附属的影响分析

张 旭 王杰杰

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037；2.河北英博认证有限公司，河北石家庄 050000）

0 引言

随着城市轨道交通建设的高速发展，邻近地铁车站的建筑施工不断涌现，基坑施工将对周边土体产生一定的变形，进而影响地铁车站结构及地铁运营的安全。城市轨道交通属于重要的公共工程，邻近地铁施工前必须评估其对地铁的影响，国内关于地铁车站的数值模拟分析的研究较多。

基坑施工对周边土体产生的影响已经有一定的研究，万蓓菁等[1]发现围护结构水平位移的大小是导致区间隧道产生变形的关键因素，为减少其水平位移，应尽可能选取刚度较大的围护结构；蔡武林[2]以某邻近地铁车站基坑开挖为背景，运用ABAQUS 有限元计算软件模拟基坑开挖各阶段，分析了各工况下的车站及区间的变形；宋兆锐等[3]通过不考虑流固耦合和考虑流固耦合的对比分析，得出不能忽视降水对周围土体扰动及区间隧道变形的作用；余晓琳等[4]选取广州农贸园工程，采用三维数值模拟计算，通过与实测结果对比分析，得出既有地铁结构最大位移为距离基坑中心最近处，随着距离的增大，位移逐渐减小；孟祥筝[5]以长沙某深基坑工程为背景，通过划分不同的施工阶段，用PLAXIS 软件模拟分析了在该项目的基坑开挖过程中，邻近地铁区间的土体位移和管片变形的发展规律；徐良仲等[6]运用有限元软件建立三维模型进行数值模拟，通过施工过程评估来预测基坑后续变形，深基坑开挖时对邻近既有地铁车站的影响进行了分析。

以石家庄天河城市下沉广场施工为背景，通过划分不同的施工阶段，采用MIDAS 软件模拟分析该项目施工对邻近石家庄地铁2 号线运河桥站2 号风道及A 出入口水平及竖向位移的影响，并根据计算结果指导后期施工。

1 工程背景

天河城市下沉广场项目位于石家庄市胜利北街与建设北大街交口东侧，项目西侧约4.1 m 为石家庄市地铁2 号线（已通车运营）运河桥站2 号风道及A出入口。

天河城市下沉广场项目包括1 栋28（-4）层商务办公楼、1 栋29（-4）层商务办公楼、4（-4）层商业、0（-2）层裙房。基坑长度为97 m，宽度为77 m，坑深为21.8 m。基坑采用放坡+围护桩+6 道锚索支护型式[7]，围护桩桩长27.0 m，采用桩径800@1300 mm，锚索用机械成孔，锚索孔直径200 mm，水平间距为1.3 m，一桩一锚，水平夹角为20°。

运河桥站2 号风道及A 出入口位于车站的东北角，采用明挖法施工，结构长度约为67.3 m，宽度约为40.4 m，2 号风道底板埋深为17.2 m，A 出入口底板埋深为10.6 m，附属结构顶板覆土约为4.2 m，附属结构为现浇钢筋混凝土箱形框架结构，下沉广场与车站附属结构平面关系见图1。

图1 下沉广场与车站附属结构平面关系图

本项目主要穿越地层为杂填土、粉土、细砂、中粗砂、粉质黏土、细砂、中粗砂层。现状地下水位于地面以下40 m 处，施工时不考虑降水。

2 深基坑施工对既有车站附属影响的数值模拟分析

2.1 模型建立与计算假定

（1）计算模型

三维计算基于新建工程开挖区域对既有地铁车站附属结构的影响进行实体建模，为了确保三维模型有足够的计算精度，消除边界条件的不利影响并减少计算收敛时间，本次计算对模型范围作出了一定的限定。三维模型沿基坑长边方向取180 m，宽度方向取160 m，其中基坑宽度为70 m；垂直方向上从地表以下取70 m。三维地层-结构模型见图2。

图2 计算模型图

基坑围护桩采用壳单元模拟，分层开挖，模拟每步开挖深度为2 m，锚索采用杆单元模拟，土层采用实体单元。三维模型共划分229732 个单元，231087个节点。模型上边界取至地面，为自由面；模型四个侧面及底面采用约束法向位移边界，分别限制节点水平位移与竖向位移。

（2）计算假定

①连续体假定。

②地层按弹塑性考虑，人工结构假定为弹性材料。

③计算模型中，考虑建模以及数值运算效率，基坑围护结构按抗弯刚度等效原理换算成方截面桩。

④基坑开挖仅考虑分层效应，未考虑分区效应。

⑤计算模型中忽略基坑两侧端部约束影响。

（3）计算参数

岩土地层采用莫尔-库仑模型。根据岩土工程勘察报告，数值计算模型中所采用的土层参数如表1所示，车站附属结构的计算参数如表2 所示。

表1 土体物理力学参数

表2 混凝土物理力学参数

荷载方面，1#楼地上28 层，每平米的质量约为1.5 t，标准层为1554 m2，地上总质量约28×1.5×1554=65268 t；2#楼地上29 层，每平米的质量约为1.5 t，标准层为1637 m2，地上总质量约29×1.5×1637=71209 t。下沉广场主体结构将以上质量加载到基坑底地基上作为简化模拟。地面超载按20 kPa 取值。

2.2 施工工况

根据工程概况及相关经验，本项目施工对既有车站附属结构模拟计算分析分为六种工况，见表3。

表3 计算模拟工况及施工时间

2.3 模拟计算结果分析

（1）初始工况：车站附属结构施工完成，下沉广场基坑围护桩及冠梁施作完成

以此为初始工况，与后面基坑开挖以及建筑物主体结构施工等进行对比，初始工况附属结构位移为结构变形，后续各工况地层位移情况为初始工况位移清零计算值，以分析车站附属结构的变形及整体位移。

（2）工况一：下沉广场基坑开挖至距地表7.8 m处，施作第一道锚索

通过模拟计算得出，附属结构最大水平位移为0.4 mm，方向朝基坑方向，最大竖向位移为3.4 mm，方向朝下。2 号风道及A 出入口结构主要表现为由于基坑一侧土体卸载而产生的整体位移。附属结构位移云图见图3。

图3 工况一附属结构位移云图

（3）工况二：下沉广场基坑继续开挖6 m 处，施作第二、三道锚索

通过模拟计算得出，附属结构最大水平位移为0.6 mm，方向朝基坑方向，最大竖向位移为4.2 mm，方向朝下。2 号风道及A 出入口结构主要表现为由于基坑一侧土体卸载而产生的整体位移。附属结构位移云图见图4。

图4 工况二附属结构位移云图

（4）工况三：下沉广场基坑开挖至基坑底部，施作第四、五、六道锚索

通过模拟计算得出，附属结构最大水平位移为0.8 mm，方向朝基坑方向，最大竖向位移为4.6 mm，方向朝下。2 号风道及A 出入口结构主要表现为由于基坑一侧土体卸载而产生的整体位移。附属结构位移云图见图5。

图5 工况三附属结构位移云图

（5）工况四：施作下沉广场地下结构

通过模拟计算得出，附属结构最大水平位移为0.7 mm，方向朝基坑方向，最大竖向位移为4.3 mm，方向朝下。2 号风道及A 出入口结构主要表现为由于基坑一侧土体卸载而产生的整体位移。附属结构位移云图见图6。

图6 工况四附属结构位移云图

（6）工况五：下沉广场主体结构施作上部结构

通过模拟计算得出，附属结构最大水平位移为0.5 mm，方向朝基坑方向，最大竖向位移为3.9 mm，方向朝下。2 号风道及A 出入口结构主要表现为由于基坑一侧土体卸载而产生的整体位移。附属结构位移云图见图7。

图7 工况五附属结构位移云图

为了便于指导监控量测，本项目施工各工况下对邻近地铁车站附属结构位移归纳见表4。

表4 模拟计算结果汇总

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》[8]、《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[9]、《城市轨道交通工程安全控制技术规范》[10]相关规定，结合石家庄地区工程经验，建议施工过程中地铁车站附属结构的变 形控制基准按表5 执行。

表5 既有地铁车站附属结构变形控制值

结果表明，随着基坑向下开挖，车站附属结构位移逐渐增大，开挖至坑底时附属结构变形达到最大；下沉广场项目施工时，车站附属结构最大水平位移值约0.8 mm，最大竖向位移值约4.7 mm，均满足结构变形控制要求。

2.4 荷载-结构模型验算

通过数值模拟计算下沉广场施工全过程中2 号风道及A 出入口底板处最大竖向位移为4.6 mm，然后将其施加至2 号风道及A 出入口三维模型中进行底板配筋验算。叠加竖向位移后底板配筋与正常工况下底板配筋对比，验证本项目施工引起运河桥站附属变形后配筋是否满足要求。

附属结构内力计算采用SAP2000 软件，正常工况下计算模型和叠加竖向位移后计算模型见图8、图9。内力计算结果如图10、图11 所示。

图8 正常工况下计算模型

图9 叠加竖向位移后计算模型

根据验算结果（见表6），下沉广场施工各工况下，运河桥站2 号风道及A 出入口结构内力、配筋及裂缝均满足地铁相关设计规范[11-12]要求。

表6 结构配筋计算表

3 模拟计算结果与实测结果对比分析

石家庄市轨道交通2 号线一期工程于2020 年8 月26 日通车运营，根据石家庄轨道交通2 号线一期工程运营期结构变形监测项目成果报告（2020 年-2022 年）可知，天河城市下沉广场项目施工期间（2020 年10 月1 日-2022 年2 月15 日）运河桥站2 号风道及A 出入口结构实际监测数据见表7，附属结构计算值与监测值对比见图12。

表7 实际监测数据表

图12 附属结构计算值与监测值对比图

通过对比分析可得，实测附属结构水平位移值略大于模拟计算值，实测附属结构竖向位移值略小于模拟计算值，但各施工工况车站附属结构的变形规律大体一致，且均满足规范要求限制，证明数值模拟计算结果是合理可行的。

4 结论

（1）随着基坑向下开挖，车站附属结构位移逐渐增大，开挖至坑底时附属结构变形达到最大。

（2）下沉广场项目施工时，车站附属结构最大水平位移值约0.8 mm，最大竖向位移值约4.7 mm，均满足结构变形控制要求。

（3）通过将模拟计算的位移施加至附属结构，对其结构进行叠加验算，附属结构配筋、裂缝均满足规范要求。

（4）各施工工况下附属结构的计算值与监测值变化规律大体一致，证明数值模拟计算结果是合理、可行的。

（5）基坑围护结构变形是引起车站附属结构变形的主要因素，建议邻近地铁车站附属侧基坑围护桩间距适当加密。