基坑开挖对临近地铁车站结构安全影响分析

杜卓琴

广州地铁设计研究院有限公司　广东广州　510010

摘　要：紧贴地铁车站进行深基坑开挖，改变了地铁车站结构附近区域的地下水位和地应力状态，影响车站结构和风道结构的受力和变形，结合某基坑工程紧贴广州地铁五号线猎德站车站主体结构及风道结构进行开挖，通过分析基坑开挖施工特点及工程周边环境和地质资料，开展系列的三维数值模拟分析，系统研究分析深基坑施工对紧贴地铁车站及其风道结构造成的不利影响，评估地铁车站及其风道结构的安全性，并结合评估结果提出相应的工程保护措施和工程应急预案建议。

关键词：地铁车站；基坑开挖；三维模拟；内力；变形；安全评估

中图分类号：TV551.4 文献标识码：A

1、工程概况

某地下人行通道工程将珠江新城猎德地块项目和五号线猎德站进行相连，通道全长214.2m， 标准段结构内净宽8.5m， 位于花城大道与猎德大道交汇处的西南角，采用明挖法施工。通道基坑采用“Φ1000@1100 钻孔桩＋混凝土内支撑”的支护体系，桩间采用Φ600的双重管旋喷桩止水。基坑北侧紧贴五号线猎德站，车站底板深度约18.0m，西侧靠近中海花城湾地下室，中海地下室为三层，地下室基坑深度约16m，本基坑与中海地下室共用围护结构，东侧为新建的猎德大道花城大道下穿隧道，与下穿隧道的距离为9.5 ～ 12.5m，南侧连通猎德地块项目，通道底部为猎德站新风道、排风道以及地铁区间隧道活塞风道。基坑开挖深度约10.5m，局部开挖深度达到11.5m，基坑开挖深度浅于地铁车站底板结构和中海地下室底板结构，通道施工场地范围内从上到下土层依次为：<1> 填土层、<2> 淤泥质土层、<3> 砂土层、<5> 冲－洪积粘土层、<6>、<7>、<8>、<9> 泥质粉砂岩风化带。基坑底处于强风化、全风化及冲－洪积粘土层。工程地理位置及基坑支护方案与地铁车站的关系如图1.1 和1.2 所示。图1.1　工程地理位置图1.2　基坑支护方案及与车站结构关系

2、三维数值模拟分析

本通道深基坑工程紧贴地铁五号线猎德地铁站结构，基坑开挖深度为10.5m，基坑底面开挖标高高于地铁车站底板结构底面标高约7.5m，局部开挖面位于车站风道结构底板上面，本基坑开挖施工将对紧贴地铁车站结构造成一定的影响。为此，结合紧贴地铁车站结构这一特点，针对通道深基坑支护结构特点及其基坑工程施工特点，采用三维有限元软件模拟通道施工对紧贴地铁车站结构和底部风道结构所产生的不利影响，重点分析紧贴地铁车站结构和底部风道结构的变形和受力。

根据本基坑与紧贴地铁车站结构的关系，建立的三维有限元整体计算模型如图2.1 所示，拟建通道结构地铁车站和风道结构的三维关系如图2.2 所示。三维有限元计算模型中的地层主要根据紧贴地铁车站结构的工程地质资料进行适当简化，地层自上往下依次为上部等效土层、强风化岩层、中风化岩层。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z 方向位移约束，模型前后面Y 方向约束，模型左右面X 方向约束。

图2.1　三维有限元整体模型

图2.2　通道与地铁车站和风道结构三维关系

本通道施工对紧贴地铁车站结构影响的三维动态施工模拟的典型工况主要为：计算土体自重应力场；人行通道基坑施作围护结构；基坑土体开挖至3.6m 并拆除原有风道围护结构；施作第一道冠梁和内支撑；基坑土体开挖至7.6m；施作第二道腰梁和内支撑；基坑土体开挖至基底10.5m；拆除支撑并施做风道及其北面人行通道结构；风道及其北面人行通道结构施作后回填；施作风道以南的人行通道围护结构；开挖风道以南的人行通道基坑。不同工况下车站结构和风道结构变形和内力模拟计算结果如下。

2.1 通道施工对地铁车站结构的变形和内力影响分析

基坑开挖至3.6m 深度　　基坑开挖至7.6m 深度基坑开挖至10.5m深度　　风道南侧基坑开挖表2.1　通道施工过程中地铁车站结构的最大变形量（mm）计算工况地铁车站结构最大变形量水平变形量竖向变形量总变形量基坑开挖至3.6m -0.2 0.7 0.7基坑开挖至7.6m -0.3 1.2 1.2基坑开挖至10.5m -0.3 1.6 1.6风道南侧基坑开挖-0.9 1.1 1.4表2.2　通道施工过程中地铁车站结构受力变化情况计算结果车站底板位于中风化岩层xx 方向yy 方向基坑开挖前车站最大/ 最小轴力/kN 375/-788 306/-208基坑开挖后车站最大/最小轴力/kN466/-1240 268/-237基坑开挖前车站最大/最小弯矩/kN.m 437/-837 236/-605基坑开挖后车站最大/最小弯矩/kN.m438/-838 237/-605从以上计算结果可知：通道施工造成紧贴地铁车站靠近基坑侧的土压力发生水平侧向卸载和竖向卸载，导致地铁车站结构朝基坑内侧发生一定程度的水平侧向位移和竖向隆起，其中地铁车站结构变形以竖向隆起为主。通道施工造成紧贴地铁车站结构的最大水平侧向位移量为0.9mm，最大竖向隆起量为1.6mm，最大总变形量为1.6mm。本通道施工诱发对紧贴地铁车站结构变形的影响不大。通道施工造成紧贴地铁车站结构的受力状态发生一定程度的变化，地铁车站结构弯矩的最大变化量Mxx 为-1kN.m/m，Myy 为1kN.m/m，地铁车站结构轴力的最大变化量为452kN/m。可见通道施工前后地铁车站结构的受力变化较小，且地铁车站结构受力处于较低水平，通道施工对紧贴地铁车站结构的安全性影响较小。

2.2 通道施工对地铁风道结构的变形和内力影响分析

基坑开挖至3.6m 深度　　　　　基坑开挖至7.6m 深度

基坑开挖至10.5m深度　　　　　风道南侧基坑开挖

从以上计算结果可知：通道施工造成底部地铁风道结构发生竖向卸载，通道施工造成开挖底部地铁风道结构产生一定的位移量，最大竖向隆起量为4.11mm，通道施工诱发对底部地铁风道结构变形的影响不大。

3、结论及建议

综合拟建通道场地工程地质资料，结合深基坑工程支护结构设计、施工开挖工况、紧贴地铁五号线猎德站车站结构以及地铁风道结构的特点，依据所开展的系列三维数值模拟计算结果及其分析，地铁车站中板主要处于可塑粉质粘土层和强风化泥质粉砂岩层，车站底板结构主要处于中风化和微风化泥质粉砂岩层，周边良好地层能对地铁车站结构和地铁风道结构形成较好约束，通道基坑开挖深度浅于地铁车站结构底板深度，有利于控制通道施工诱发对紧贴地铁车站结构和地铁风道结构的变形和受力影响。为确保通道基坑开挖施工期间地铁车站结构和风道结构的安全，确保地铁正常运营，建议：

1、深基坑工程施工前，需合理组织安排现场施工顺序。

2、深基坑工程施工应遵循分区、分块、分层、对称、限时原则，必要时在深基坑工程紧贴地铁车站结构侧采取基坑内留土堆载反压预案，以减小通道施工对地铁车站结构由于水平侧向卸载而对其结构所造成的不利影响。

3、基坑底部泥质粉砂岩通常具有吸水膨胀特性和软化特性，基坑施工时需注意防止基坑底部土体浸泡和扰动，以避免降低基坑底部地层因施工扰动和软化而减弱对紧贴地铁车站结构和地铁风道结构的约束作用。

4、通道工程北侧结构施工完毕后，需注意及时进行回填反压处理，以降低基坑开挖对地铁车站结构和地铁风道结构造成的不利影响。

5、加强通道与地铁车站结构连通部位的施工控制，确保连通部位施工安全。

6、基坑施工过程需开展紧贴地铁车站结构和风道结构的变形测量工作，以及时监控地铁车站的结构安全状态，必要时根据监控信息调整基坑支护结构设计参数和基坑施工方案。

7、信息化施工是确保深基坑工程施工安全的重要手段，施工过程中加强对基坑围护结构受力和侧向位移、基坑内支撑受力和地表沉降等的监控量测工作，以确通道施工安全以及施工过程中地铁车站结构和风道结构的安全__