基坑开挖对地铁车站的影响分析

陈昊然

华设设计集团股份有限公司，江苏南京210014

[摘要]在既有运营地铁车站旁进行基坑开挖，将会改变地铁车站原有受力状态，产生附加应力和变形。本文基于徐州某临近地铁车站的停车场工程，采用MADIS有限元软件对基坑开挖、回筑过程进行模拟计算，通过对基坑支护结构、轨道交通结构等进行强度、刚度、稳定性的分析，判定轨道交通结构的安全影响程度，保证地铁的运营及结构安全，平衡轨道交通结构安全及邻近外部作业实施的关系，提高轨道交通沿线土地价值，促进城市发展。

[关键词]基坑开挖；地铁车站；变形控制

随着城市城市轨道交通沿线的高强度物业开发，城市轨道交通结构的安全保护工作已日益突出。城市轨道交通是保证城市正常活动秩序的重要交通系统，在城市轨道交通沿线的外部基坑等工程作业不得影响城市轨道交通结构的安全和正常使用。为此，需对基坑等外部工程作业进行影响计算分析，以确保城市轨道交通结构的安全和正常使用。

1工程概况

1.1基坑工程概况

徐州某停车场为地下二层框架结构。地下一层层高为3.5m，地下二层层高为4.2m。结构顶板厚度为350mm，中板厚度为250mm，底板厚度为700mm，侧墙厚度为350mm。结构基础采用筏板基础+柱墩。

停车场基坑采用明挖顺做法施工，即开挖至基坑底后顺筑结构底板、侧墙、中板和顶板。基坑长约82.65m，宽约47.49m，开挖深度约10.1m。围护结构采用800@1200钻孔灌注桩（局部为1000@1300），嵌固深度5m，采用850@600三轴搅拌桩止水帷幕，嵌固深度9m。竖向设置一道支撑，为800x800混凝土支撑，部分支撑下方设置临时立柱，立柱桩直径1200mm钻孔灌注桩，桩长12m。

1.2临近轨道交通工程概况

该停车场临近徐州市轨道交通1号线徐医附院站，该站为地下三层岛式站台车站。站位于淮海西路与西安路交叉口，东西向跨立达路布置于淮海西路北侧地块内。车站主体结构外包总长度167.400m，站台宽度13m，标准段外包宽度为22.2m。车站顶板覆土约3.2m。车站结构方案采用地下三层三跨箱型框架结构，标准段宽22.2m，覆土厚度约3.5m，底板埋深约23.9m，顶板厚700mm，中板厚400mm，底板厚1000mm，侧墙厚600~900mm。

图1停车场基坑与地铁车站位置关系平面图

图2停车场基坑与地铁车站位置关系剖面图

1.3工程地质

基坑开挖范围内土层主要为1-1杂填土、1-1素填土、2-5-2砂质粉土、1-1-2老城杂填土，基坑底部位于1-1-2老城杂填土，桩底位于5-4-3粉质黏土。地层物理力学参数指标见表1。

表1地层物理力学参数

土层名称	容重 (kN/m3)	粘聚力 (kN/m2)	摩擦角 (。)	渗透系数 （m/d）	地基承载力 (MPa/m)	侧压力系数 (K0)
(1)1杂填土	17.5	8.0	10.0	0.25	/	0.60
(1)2素填土	17.5	10.0	10.0	0.0	/	0.62
(1)1-2老城杂填土	18.0	11.0	9.0	0.10	70	0.55
(2)5-2砂质粉土	18.7	12.0	22.8	0.30	120	0.48
(5)4-3粉质黏土	19.1	31.0	17.7	0.003	180	0.47
(5)3-4黏土	19.2	50.0	20.5	1.2	210	0.37
(14)1-1全风化钙质页岩	20.0	32	26	0.20	260	0.35
(14)1-2强风化钙质页岩	21.5	36	28	0.43	300	0.32
(14)1-3中风化钙质页岩	24.9	320	36	不透水	800	/

2轨道交通安全控制标准

地铁车站安全制值应在调查分析相关建（构）筑物修建年代、结构形式、基础类型、地质条件等的基础上，结合其与本工程的空间位置关系、已有沉降、差异沉降和倾斜以及当地工程经验综合确定。徐州市轨道交通1号线徐医附院站已经施工完成，并已通过竣工验收投入运营。车站运营期间未发现渗漏水、结构裂缝等质量问题。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJT202-2013）中B.0.2条，《江苏省城市轨道交通工程监测规程》（DGJ32/J195-2015）13.3.12条，结合地铁公司相关控制要求，地铁车站变形控制标注如下表所示：

表2轨道交通安全控制标准

结构名称	沉降控制值(mm)	上浮控制值 (mm)	差异沉降控制值 (mm)	水平位移控制值 (mm)
车站主体结构	≤10	≤5	≤4	≤10
车站框架柱	≤10	≤5	≤4	≤5
车站附属结构	≤10	≤5	≤4	≤10

3基坑开挖对轨道交通结构影响的分析

本工程计算分析涉及基坑大范围垂直开挖影响等复杂因素，计算工序繁杂困难、工程量庞大。因此，主要采用有限元方法有效分析复杂开挖工程，利用midasGTSNX通用有限元软件的混合网格划分和土层开挖模块的优势，解决本工程分析难题。

3.1分析模型基本参数

1）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，修正Mohr-Coulomb模型在数值计算中效果较好，并且该准则能较好地描述岩土材料的破坏和降水开挖行为，在岩土领域得到了广泛的应用；

2）地层开挖区均采用实体单元模拟；

3）车站主体和东地下停车场主体均采用板单元模拟，框架柱、抗拔桩等均采用梁单元模拟，材料均用线弹性材料；

4）周边既有的超载按均布荷载作用于模型顶面；

5）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；

6）有限元模型如下图3所示，地下停车场基坑开挖长度约82.65m，宽度约47.49m，深度约10.1m。

图3地下停车场基坑工程三维数值模型

3.2分析计算结果

模型计算共分三个步骤：1）施做围护桩、基坑开挖、架设第一道支撑；2）基坑分层开挖至基坑底，3）施做地下停车场结构，拆除第一道撑。对于每个施工步骤，计算地铁车站主体结构X方向（水平）变形、Y方向（水平）变形、Z方向（竖向）变形、结构应力，计算结果如下图4所示。

图4三维计算结果云图

根据以上统计结果，地下停车场基坑施工过程中，地铁车站最大水平位移为3.8mm，满足控制标准（10mm）；最大竖向位移3.1mm，满足控制标准（5mm）；最大应力为6.19×103kN/m2，结构采用C35混凝土，抗压强度为1.67×104kN/m2，满足安全要求。

4轨道交通保护监测

根据基坑与地铁车站位置关系、地质条件以及现有变形情况，依据《江苏省城市轨道交通工程监测规程》（DGJ32/J195-2015）、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）和《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）的有关要求，项目实施期间监测控制标准如下：

表3监测控制标准值

监测项目	预警值	报警值	控制值
竖向沉降（mm）	6	8	10
竖向上浮（mm）	3	4	5
水平位移（mm）	6	8	10
净空收敛（mm）	6	8	10
轨道横线高差（mm）	2.4	3.2	4
轨向高差（矢度值）（mm）	2.4	3.2	4
轨间距（mm）	＞-2.4且＜+3.6	＞-3.2且＜+4.8	＞-4且＜+6

5安全保护措施

1）地下停车场基坑紧贴地铁车站布置，基坑开挖不可避免会将地铁结构暴露，因此开挖后应及时对暴露结构进行覆盖（可采用湿水棉被、草褥等），保温保湿，避免引发温度裂缝。该范围应采用人工配合小型机具开挖，开挖过程中不得碰撞、损坏地铁防水层及结构主体，开挖到底后应对地铁防水保护层进行检查，如有由基坑施工导致的破损，应参照原防水标准进行修补，修补完成后应在车站结构防水层外侧施做丁腈软木橡胶板作为保护层。

2）基坑开挖及运输土方时，应尽量减少震动，地铁车站及附属外轮廓15m范围内不得使用炮捶式挖掘机等大型机械设备开挖，避免影响地铁安全及运营。地铁外轮廓2m范围内应采用人工配合小型机具进行开挖。

3）基坑开挖遵循“限时围护，分层开挖，严禁超挖”的施工原则，土方应分层分段开挖。

4）施工前，应对地铁车站及附属内部接水盒、瓷砖、挂网等易掉落构件进行全面检查、整修，并适当增加保护措施，避免施工时振动影响脱落。

5）停车场外墙与地铁结构墙之间留有部分空隙，采用人工或机械压实操作时会对地铁产生较大影响，应采用素砼回填，不得采用大型设备或振动式压土设备。基坑回填时，应先排除积水，清除含水量较高的浮土和建筑垃圾，回填土分层摊铺、分层压实，回填的分层厚度不宜大于300mm，回填采用分层搭接。回填过程中防止地表水和地下水渗流入填筑区，做好排除积水。

6结语

停车场车库基坑工程存在如下风险：基坑主体开挖、边坡开挖对土层扰动大，地层卸载引起周边地面隆起、不均匀沉降，造成地铁车站沉降、侧移和倾斜等变形，影响地铁结构安全及地铁运营。通过对该基坑工程的计算分析，车站变形、沉降、应力均满足安全标准，可判定本工程安全。

参考文献

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[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国行业标准.城市轨道交通结构安全保护规程：CJJ/T202——2013[s].中国建筑工业出版社，2013.