何鳳 蘇波 任刃

文章依托成都市某換乘服務(wù)中心項(xiàng)目的近接既有地鐵車站明挖基坑工程，利用三維有限元模型，研究了基坑深度與近接既有地鐵車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系。驗(yàn)算結(jié)果表明，近接地鐵車站的應(yīng)力場明顯受基坑開挖的影響，從模擬數(shù)據(jù)來看：明挖基坑越深，近接地鐵車站變形越大。不同開挖深度下，既有地鐵車站的豎向位移、水平位移及內(nèi)力變化規(guī)律基本一致。為類似近接既有線結(jié)構(gòu)的基坑施工提供參考 。

近接既有線; 明挖基坑; 變形; 有限元分析

U455.45?? A

[定稿日期]2021-08-13

[作者簡介]何鳳（1984～），男，本科，高級(jí)工程師，從事水利水電、工業(yè)與民用建筑、市政、公路工程等的施工與技術(shù)管理工作;蘇波（1989～），男，碩士，工程師，從事建設(shè)工程施工技術(shù)與管理工作;任刃（1987～），男，本科，工程師，從事建設(shè)工程施工技術(shù)與管理工作。

1 工程概況

成都市某換乘服務(wù)中心項(xiàng)目位于高新南區(qū)，項(xiàng)目占地面積約12.7 ha，總建筑面積約27×104 m2，涵蓋軌道交通A線、B線車站及部分明挖區(qū)間，與強(qiáng)近接的C線既有線某車站形成三條線路換乘車站。

1.1 地質(zhì)情況

基坑開挖深度范圍內(nèi)主要有<3-8-3>卵石土、<5-1-2>強(qiáng)風(fēng)化泥巖、<5-1-3>中風(fēng)化泥巖。A線站臺(tái)及明挖區(qū)間、B線站臺(tái)基底位于中風(fēng)化泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，產(chǎn)狀平緩，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較完整—完整，巖體屬含石膏地層，巖面可見灰綠色斑點(diǎn)或條帶，巖體中夾斑點(diǎn)狀、條帶狀及團(tuán)塊狀石膏，局部夾芒硝，局部巖體在地下水的作用下差異風(fēng)化夾層比較發(fā)育，巖體呈碎裂結(jié)構(gòu)，碎塊狀、角礫狀構(gòu)造，巖體風(fēng)化呈碎塊狀、局部風(fēng)化呈半巖半土狀，巖芯遇水易軟化，失水崩解，巖質(zhì)軟—較軟，巖土施工工程分級(jí)為Ⅳ級(jí)軟質(zhì)巖。B線基底存在強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾層。C線既有線某車站埋深范圍內(nèi)主要有<2-2>黏土層、<3-8-3>卵石土、<5-1-3>中風(fēng)化泥巖，基底位于中風(fēng)化泥巖。

1.2 設(shè)計(jì)概況

A線、B線、C線組成三條線路換乘站，三座車站兩兩相交，呈三角形布置。C線為南北走向既有線，站臺(tái)位于地下四層，埋深約32 m;A線位于C線東側(cè)，為西南—東北走向，站臺(tái)層為地下三層，底板埋深24.3～24.5 m;B線位于C線東側(cè)、A線北側(cè)，為西北—東南走向，站臺(tái)層位于地下五層，底板埋深約41 m。A、B、C三條線路圍成的三角換乘區(qū)域開挖深度約24 m（圖1）。

根據(jù)CJJT202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》附錄A，近接程度為：非常接近;外部作業(yè)影響分區(qū)為：強(qiáng)烈影響區(qū);外部作業(yè)等級(jí)為：特級(jí)。

A線、B線及三角換乘區(qū)與C線剛接，其明挖施工可能對(duì)既有線C線車站主體結(jié)構(gòu)造成影響，需進(jìn)行安全性驗(yàn)算。

1.3 控制標(biāo)準(zhǔn)確定

C線結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測最大累計(jì)變化量及變化速率監(jiān)控報(bào)警值如表1所示。

由于C線施工完成時(shí)間已久，現(xiàn)階段三角區(qū)域施工所影響的C線位移變形量應(yīng)進(jìn)行折減，選取折減系數(shù)0.5，基于安全性考慮，本次三角區(qū)域開挖施工的C線變形控制值為5 mm。

2 既有C線車站結(jié)構(gòu)變形安全計(jì)算分析

2.1 施工數(shù)值模型

項(xiàng)目工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜（坑內(nèi)分布不同開挖深度的基坑），為準(zhǔn)確分析并預(yù)測基坑后續(xù)施工的安全影響，并考慮基坑開挖的空間效應(yīng)，因此采用Midas GTS NX計(jì)算軟件進(jìn)行三維數(shù)值分析，建立三維有限元模型。土體采用修正摩爾—庫倫本構(gòu)。該土體本構(gòu)可模擬初次加載—卸載—再加載之間的剛度差別（圖2）。

在模擬計(jì)算中，X方向?qū)?yīng)南北方向，此時(shí)正值表示位移向南側(cè)發(fā)展，負(fù)值表示位移向北側(cè)發(fā)展;Y方向?qū)?yīng)東西方向，此時(shí)正值表示位移向東側(cè)發(fā)展，負(fù)值表示位移向西側(cè)發(fā)展;Z方向?qū)?yīng)豎直方向，Z方向位移正值表示隆起，負(fù)值表示沉降。

模型X、Y方向的左、右、前、后4個(gè)邊界采用水平約束的滑動(dòng)支座邊界條件，模型底面采用固定支座邊界條件，模型上表面為自由邊界。

根據(jù)基坑開挖的全過程中各施工步驟，采用“激活—鈍化”的方式模擬基坑開挖全過程，最終對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、既有地鐵車站和周邊地層的變形和內(nèi)力作出合理的預(yù)測[2]。

2.2 既有C線車站結(jié)構(gòu)豎向變形分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線既有車站結(jié)構(gòu)豎向變形云圖如圖3所示。

由圖3可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向沉降。當(dāng)三角區(qū)區(qū)域開挖3 m和6 m時(shí)，C線既有車站結(jié)構(gòu)豎向沉降區(qū)域集中在圖示位置，主要位于基坑開挖位置上方。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程的豎向變形總量如表2所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生1.76 mm豎向沉降。開挖6 m時(shí)，C線既有車站結(jié)構(gòu)豎向沉降達(dá)到2.04 mm。位移變化量0.28 mm，增大了16 %。依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)可知，2.04 mm<5 mm，施工方案設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 C線車站結(jié)構(gòu)水平變形分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線既有車站結(jié)構(gòu)水平變形云圖如圖4所示。

由圖4可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻產(chǎn)生一定的側(cè)向位移，三角區(qū)開挖3 m和6 m深度后，C線既有車站結(jié)構(gòu)頂板出現(xiàn)較大的側(cè)向位移。主要分布在圖示負(fù)一層、北端10 m的C線負(fù)二層位置（范圍33 m）。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程的水平變形總量如表3所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻產(chǎn)生0.208 mm側(cè)向位移。開挖6 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻產(chǎn)生0.261 mm側(cè)向位移。兩個(gè)方案位移量相差0.053 mm，增幅達(dá)到了25.2 %。依據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)可知，0.261 mm<5 mm，施工方案設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 既有C線車站結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線既有車站結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生較大應(yīng)力，整個(gè)工序進(jìn)行過程中，最大主應(yīng)力值保持相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程C線既有車站結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力總量如表4所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生1.126 MPa拉應(yīng)力，開挖6 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生1.124 MPa拉應(yīng)力。兩者相差0.00181 MPa，增幅僅為0.16 %，但在施工過程中，還是要進(jìn)行嚴(yán)密檢測，重點(diǎn)觀察車站側(cè)墻與頂板相接處是否發(fā)生較大變形。

2.5 既有C線車站結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線既有車站結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生較大應(yīng)力，整個(gè)工序進(jìn)行過程中，最小主應(yīng)力值保持相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程C線既有車站結(jié)構(gòu)最小主應(yīng)力總量如表5所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生7.487 76 MPa壓應(yīng)力，開挖6 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生7.489 65 MPa壓應(yīng)力。兩者相差0.001 89 MPa，增幅僅為0.03 %，但在施工過程中，還是應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密檢測，重點(diǎn)觀察車站側(cè)墻與頂板相接處是否發(fā)生較大變形。

2.6 既有C線車站結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線錦城廣場站既有車站結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力云圖如圖7所示。

由圖7可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)頂板處產(chǎn)生較大彎矩。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程C線既有車站結(jié)構(gòu)彎矩內(nèi)力總量如表6所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)頂板處產(chǎn)生2 959.65 kN·m的彎矩內(nèi)力。開挖6 m會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)頂板處產(chǎn)生2 963.71 kN·m的彎矩內(nèi)力。兩者相差4.06 kN·m，增幅僅為0.14 %，但在施工過程中，還是應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密檢測，重點(diǎn)觀察車站頂板東側(cè)是否發(fā)生較大變形。

2.7 既有C線車站結(jié)構(gòu)剪力內(nèi)力分析

經(jīng)過計(jì)算得到C線既有車站結(jié)構(gòu)剪力內(nèi)力云圖如圖8所示。

由圖8可知，三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖會(huì)造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生較大剪力內(nèi)力，整個(gè)工序進(jìn)行過程中，最大剪力內(nèi)力值保持相對(duì)穩(wěn)定。經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理，獲得整個(gè)過程C線既有車站結(jié)構(gòu)剪力內(nèi)力總量如表7所示。

三角換乘區(qū)域施工過程中，土體開挖3 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生2 112.54 kN的剪力內(nèi)力。開挖6 m造成C線既有車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻靠近頂板處產(chǎn)生2 113.65 kN的剪力內(nèi)力。兩者相差1.11 kN，增幅僅為0.05 %，但在施工過程中，還是應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密檢測，重點(diǎn)觀察車站側(cè)墻與頂板相接處是否發(fā)生大變形。

3 結(jié)束語

本文通過Midas GTS NX建立了三維有限元模型，分析了不同深度的近接明挖基坑施工對(duì)進(jìn)階既有線車站的影響[3]：

（1）近接地鐵車站的應(yīng)力場明顯受基坑開挖的形象，從模擬數(shù)據(jù)來看：明挖基坑越深，近接車站變形越大。

（2）不同近接開挖深度下，既有線車站的豎向位移、水平位移及內(nèi)力變化規(guī)律基本一致。

（3）數(shù)值模擬僅為預(yù)測的一種手段，在施工工程中，需合理考慮不同的監(jiān)測手段，進(jìn)行嚴(yán)密的監(jiān)督控制，一旦發(fā)生變形值過大，應(yīng)立即采取有效措施控制，避免造成人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐騰飛. 基坑開挖對(duì)近接地鐵車站影響的數(shù)值分析[J]. 土工基礎(chǔ)，2019，33（4）：418-423.

[2] 余曉琳，施成華.鄰近基坑施工對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)影響的分析[J].巖土工程技術(shù)，2010（4）.202-206.

[3] 張培森.基坑開挖對(duì)已有地鐵變形影響數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009（z1）：1375-1378.

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