臨近地鐵站深基坑工程安全評估分析

王 浩

(天津市勘察院， 天津 300191)

臨近地鐵站深基坑工程安全評估分析

王 浩

(天津市勘察院， 天津 300191)

天津松江東南角二期基坑工程，周圍環(huán)境復雜，緊鄰天津地鐵東南角站，因此在其施工作業(yè)前應對周邊建筑造成的潛在位移影響進行評估，并進行監(jiān)測。以此為工程背景，結合數(shù)值計算分析等手段，預測基坑的開挖對車站的影響程度及可能帶來的危害，從而對基坑工程的施工方案、設計、加固及東南角站的運營管理提出指導性的意見，對危險部位事先采取防范措施。結果表明基坑大面積開挖產生的卸荷效應顯著，導致坑外土體產生趨向坑內移動的趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵車站以及隧道產生一定的沉降和水平位移，基坑降水的影響并不十分顯著，一期大基坑開挖對隧道變形影響顯著，尤其是對隧道水平位移。建議在大基坑和隧道之間預設注漿糾偏措施并加強變形監(jiān)測，保證隧道安全。

基坑監(jiān)測；地鐵站變形；有限元；安全評估

地鐵站臨近深基坑工程是復雜的多學科交叉的系統(tǒng)工程，工期長、控制嚴格、施工困難是普遍特點，這些特點加劇了施工過程中的困難程度[1-3]。由于地鐵站臨近基坑，施工過程中所受到的影響因素多，因此在施工前采用有限元軟件對地鐵站及臨近深基坑施工過程進行模擬計算，能夠對各種工況下影響地鐵車站的因素進行判斷分析，評估當前施工方案，以更深入的優(yōu)化各工程的施工設計方案[4-7]。

唐鵬軍[8]就基坑開挖對鄰近建筑物的影響進行了數(shù)值分析研究。黃龍湘等[9]對隧道施工引起鄰近建筑物損壞風險評估與控制、雙側深基坑施工對緊鄰地鐵隧道變形影響進行了分析。高丙麗等[10]對深基坑地下連續(xù)墻減小鄰近建筑沉降的作用進行了研究。周晉[11]基于原有研究人員對張揚路地鐵站基坑施工過程為基礎，分析了靠近既有地鐵結構的基坑施工對該既有地鐵結構變形的影響，采用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，從源頭變形、既有車站和新建車站的間距、土體彈性模量三個方面入手，分析了新建地鐵站基坑施工對臨近既有車站變形的影響。李偉強等[12]通過建立有限元數(shù)值模型，分析了臨近新建地鐵站基坑施工對既有地鐵車站的影響。郭磊[13]為了研究位于某基坑底下的地鐵區(qū)間隧道受上部基坑開挖的影響進行模擬計算分析，結果表明上部基坑施工導致基坑底部土體隆起以及地鐵區(qū)間隧道上升，沿隧道軸線方向基坑中部對應區(qū)域的上升量最大，向兩端依次減小。胡宏斌[14]借鑒深圳某地鐵車站基坑工程的施工過程，應用FLAC3D有限差分軟件建立數(shù)值模型，研究了該地鐵車站基坑工程的施工對既有地鐵車站變形的影響情況。

本文以天津松江東南角二期基坑工程為背景，應用有限元軟件PLAXIS 3D進行數(shù)值計算分析等手段，預測基坑的開挖對車站的影響程度及可能帶來的危害，從而對基坑工程的施工方案、設計、加固及東南角站的運營管理提出指導性的意見，對相對危險部位提前采取防范措施。

1 工程概況

東南角B地塊項目位于天津市南開區(qū)通南路南、張自忠路西之交匯處(見圖1)，緊鄰地鐵2號線東南角站C出口。本工程擬建為：1棟27層(局部22層)寫字樓、1棟18層寫字樓及5層裙房，通體地下車庫(埋深約13 m)。規(guī)劃總用地面積13 203.6 m2；總建筑面積84 000 m2，其中地上總建筑面積60 000 m2，地下總建筑面積24 000 m2。結構擬采用框架-剪力墻結構?；A類型擬采用樁基礎?；娱_挖深度為10.34 m～16.45 m?；颖眰龋壕嘁?guī)劃用地界線最近處約0.1 m，界線外為既有通南路。通南路下埋深約16 m～20 m處為正在運營的地鐵二號線，地鐵埋深由西向東逐漸加深，其中右行線距基坑最近處約9 m(位于基坑東北角)，其埋深約為20 m。本文對此基坑工程可能出現(xiàn)的位移影響結果進行計算分析，預測其對地鐵車站影響程度，并綜合計算分析成果對監(jiān)測工作進行歸納總結，為基坑的現(xiàn)場施工及監(jiān)測工作提供重要的參考資料。

2 安全性評估

本基坑開挖深度約15.50 m～16.55 m，場區(qū)周邊條件十分緊張，為保護周邊環(huán)境的安全，采取設置三道水平內支撐系統(tǒng)的方式(見圖2)，水平支撐中心標高分別設置在-2.300 m、-7.700 m、-12.700 m。

2.1 評估內容

(1) 建立基坑支護體系和地鐵車站三維模型，通過有限元數(shù)值分析模擬地塊基坑開挖對地鐵車站結構及盾構隧道變形影響進行評價；

(2) 評價地鐵保護區(qū)范圍內擬建高層建筑對地鐵結構影響；

(3) 通過以上各項研究進行綜合分析，給出地塊基坑支護設計、施工方案對地鐵結構和運營的安全影響評價，提出保護改進建議。

圖1 工程位置平面圖

圖2 第一、二層支撐示意圖

2.2 評估標準

既有地鐵安全運營的控制指標和標準的確定應考慮區(qū)間隧道構造安全、建筑邊限、軌道形變三個影響因素，且主要控制指標通常采用變形控制指標。

根據天津市東南角站現(xiàn)狀及周邊設施情況，參照國內相似工程經驗并結合理論計算分析，確定本工程變形控制指標及標準如下：

(1) 車站主體及附屬結構破壞以裂縫控制為標準，地鐵結構新開裂縫寬度<0.2 mm；

(2) 周邊地塊施工期間地鐵車站控制指標見表1。

表1 周邊地塊施工期間地鐵車站控制指標

需要注意的是，監(jiān)測期間如遇異常情況，若日變化量較大時，需適當增加監(jiān)測頻率，直至變化穩(wěn)定為止。

2.3 監(jiān)測報警值

結合《城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范》[15](GB 50911-2013)及設計單位相關要求，本基坑監(jiān)測報警值見表2。

表2 監(jiān)測報警值

在監(jiān)測過程中，當監(jiān)測數(shù)據超過報警值時，及時通知相關部門，并采取相應的預警措施。

2.4 有限元模型結果及分析

2.4.1 計算模型

計算采用有限元軟件PLAXIS 3D建立整體三維有限元模型進行計算分析。X軸沿地鐵站軸向方向，Y軸沿垂直地鐵站軸向方向，Z軸沿豎直方向，考慮消除模型邊界效應，X軸方向、Y軸方向、Z軸方向依次選取400 m、240 m、60 m。模型計算采用十節(jié)點四面體單元，共劃分338 018個單元，511 233個節(jié)點。模型中具體幾何關系和空間位置等來自相關圖紙信息，在此不再贅述。計算模型基本尺寸及相應的位置關系見圖3和圖4，東南角站整體示意圖及內部結構見圖5和圖6。

圖3 計算模型示意圖(整體)

圖4 計算模型示意圖(結構)

圖5 東南角站圍護結構、主體結構、 附屬結構及盾構管片模型圖

圖6 東南角站內部柱結構圖

模型假定：

應用有限元軟件PLAXIS 3D是以模型簡化和一定的假定為基礎的，假設如下：

(1) 假設土體各個土層全部為水平層狀分布且同一個土層為勻質、各向同性，結構體的受力、變形均按彈性考慮；

(2) 分析計算采用考慮坑內降水的塑性不排水計算類型計算，模型中的降水只考慮坑內疏干降水。模擬方式為設定坑外水頭一直穩(wěn)定不變，基坑開挖施工前將基坑內部水位全部下降到開挖面底部0.5 m，并對開挖面至地連墻底部之間的坑內土體水頭進行線性差值計算，以此來模擬坑內疏干降水對水頭變化的影響。

(3) 因考慮到基坑開挖是一個相對短期的過程，并未充分考慮固結和地下水滲流。那么，本模型的邊界條件?。耗Ｐ晚斆鏋樽杂擅?，模型底面全固定，模型四個側面只設定法向約束，其余方向不加任何約束。

該計算中土體本構模型采用HS-Small模型，分析計算基坑施工過程對天津地鐵三號線地鐵車站結構變形、內力的影響。模擬中土體相關參數(shù)取自工程地質勘查報告和工程經驗取值，見表3。

表3 模型計算土體參數(shù)(HS-Small本構)

表4為地下連續(xù)墻、隧道襯砌、結構樓板、結構柱和水平支撐等結構的力學參數(shù)匯總。假定上述結構均按照彈性考慮。區(qū)間襯砌結構的模擬應用均質圓環(huán)的板單元，區(qū)間管片之間應該考慮相互作用，沿區(qū)間的軸向及徑向分別采用剛度折減。該數(shù)值模型中，用板單元模擬車站樓板、隧道襯砌、水平支撐和地下連續(xù)墻；用梁單元模擬格構柱及結構柱。所有混凝土結構的重度全部選取25 kN/m3，表中不再贅述。

表4 模型結構體計算參數(shù)

為了使基坑施工對天津二號線地鐵車站的影響的模擬更加準確，對施工過程的模擬應用動態(tài)模擬計算法，共設定33個計算步驟。參照模型，共劃分為五大主要部分：

(1) 進行初始地應力平衡；

(2) 施工原有二號線車站主體，出入口及區(qū)間隧道，清零位移；

(3) 根據施工方案，基坑分西側小基坑及東側大基坑兩期完成。首先分步施工一期大基坑；

(4) 分步施工二期西側小基坑；

(5) 在基坑頂板施工完畢后，加超載模擬擬建高層建筑對地鐵站及隧道影響。

由于采用順做法施工，基坑開挖詳細步驟為降水—開挖—生成相應水平支撐的循環(huán)，開挖完成后，分布生成各層樓板。細節(jié)在此不再贅述。

2.4.2 基坑周邊土體沉降分析

選取一期大基坑開挖各主要工況進行土體沉降、圍護結構變形及對地鐵站和隧道的影響分析。重點考慮一期大基坑和二期小基坑頂板施作完成、擬建高層施工完畢(即施加超載)等階段的分析。

圖7是一期大基坑各主要工況土體豎向變形云圖。各工況坑外沉降都是靠近基坑各邊的中部較大，沉降最大值也出現(xiàn)在這一區(qū)域，而基坑角處較小。表5為土體沉降值結果。

根據表5可以發(fā)現(xiàn)，土體沉降在開挖完成后基本穩(wěn)定，與地鐵盾構隧道處由于位置較近，產生了相對較大的位移13.96 mm。這是由于盾構施工擾動后，基坑開挖導致周圍土體二次擾動，其強度再次弱化導致。

圖7 擬建高層施工完成土體沉降圖表5 土體沉降數(shù)據

2.4.3 東南角站主體結構位移分析

基坑項目北側靠近地鐵二號線東南角站，其附屬結構與基坑地下連續(xù)墻距離為1.5 m。由于針對地鐵車站變形控制標準較高。由于基坑開挖導致坑底土體隆起，基坑自身及周邊地應力重新分布，必然導致地鐵車站、附屬結構發(fā)生一定的升降與水平位移。選取一期大基坑開挖的五個主要階段以及二期小基坑施工完成和擬建高層施工完成等階段進行分析。圖8為地鐵車站主體結構豎向位移云圖。豎向位移最大值發(fā)生在靠近開挖的基坑一側(見表6)。

圖8 擬建高層施工完成主體結構沉降

圖9是地鐵站主體結構Y向位移(即垂直車站長邊方向)?？梢钥闯?，更靠近車站的小基坑開挖對其水平位移影響較大。主體結構水平位移最大值(最終)位于靠近基坑一側頂板附近(見表7)。

表6 主體結構沉降值

圖9 擬建高層施工完成主體結構Y向位移表7 主體結構水平位移值

2.4.4 東南角站隧道管片位移分析

圖10是各施工步的隧道管片沉降云圖?？拷右粋人淼莱两蹈?。由最終步的隧道管片沉降可以看出，沉降最大值出現(xiàn)在隧道離基坑邊緣最近的部位，即基坑東北角外9 m距離處(見表8)。

圖11是各施工步隧道管片Y向位移云圖。其分別規(guī)律類似隧道管片沉降。沉降最大值出現(xiàn)在隧道離基坑邊緣最近的部位，即基坑東北角外9 m距離處，并且，水平位移量較大(見表9)。

2.4.5 區(qū)間隧道與車站的差異沉降

由表10、表11可以看出，差異沉降主要形成在三層、四層開挖，并穩(wěn)定下來。車站各個結構的變形值主要由水平位移貢獻，主要是由于地鐵運行時間較長，固結沉降已經完成，基坑開挖主要是其產生水平位移。

圖10 擬建高層施工完成隧道管片沉降表8 隧道沉降值

圖11 擬建高層施工完成隧道管片Y向位移

3 結 論

本文以松江東南角基坑工程為例，介紹了基坑開挖過程對既有地鐵站的變形計算方法和安全評估，通過對基坑的周圍土體變形、地鐵車站主體及附屬結構變形結果的分析，可以得出以下結論：

表9 隧道水平位移值

表10 隧道與車站連接處變形縫差異沉降值

表11 施工完成后變形指標匯總

(1) 基坑大面積開挖產生的卸荷效應顯著，導致坑外土體產生趨向坑內移動的趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵車站以及隧道產生一定的沉降和水平位移。

(2) 有限元計算結果分析表明，二號線地鐵車站和隧道在基坑開挖過程中產生了一定的沉降和水平位移，但各項變形指標數(shù)值均處在變形控制標準之內，符合相應的評估標準。

(3) 松江東南角二期小基坑相比一期大基坑更靠近地鐵站及其附屬結構，因此其開挖對地鐵車站主體及附屬結構變形影響相對于一期大基坑開挖的影響稍大，應在施工過程中加強變形監(jiān)測工作。

(4) 考慮土體小應變影響的三維數(shù)值分析能夠更準確地反映基坑施工對既有結構體變形、內力的影響，其計算結果能夠與實際工程經驗更好的吻合。由于土質條件的變化、土參數(shù)的空間變異、實際施工過程與數(shù)值模擬的差異等原因，應最終以信息化施工、適時修正為指導施工的原則。

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[13] 郭 磊.新建基坑工程對既有地鐵車站的影響及對策[J].鐵道工程學報,2015,32(2):109-112.

[14] 胡宏斌.三維有限元模擬分析深基坑施工對相鄰地鐵結構的影響[J].市政技術,2013,31(6):147-149,152.

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Analysis and Safety Assessment of a Deep Foundation Pit Adjacent to the Subway Station

WANG Hao

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

Phase II foundation pit of Tianjin Songjiang is adjacent to the southeast corner of subway station with the complicated surroundings, so its potential displacement impact of the surrounding buildings should be evaluated before the construction work. This paper combined forecast the influence degree of the foundation pit excavation on the station and possible damage through the numerical calculation and analysis to guide the construction scheme, the design and the reinforcement and the southeastern corner station operation management. Results show that large area excavation unloading effect is significant which resulting in soil pit outside the pit mobile trend, however, the precipitation of foundation pit is not significant in displacements, the influence of the phase I has obvious effects on the horizontal displacement of the tunnel. Finally suggestions such as deformation monitoring should be taken to ensure the safety of the tunnel.

foundation pit monitoring; deformation of the subway station; finite element; safety assessment

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.036

2016-12-10

2017-02-03

王 浩(1988—)，男，天津市人，助理工程師，主要從事測量方面的工作。 E-mail：535568684@qq.com

TU473

A

1672—1144(2017)02—0188—06