王志浩
吉林铁道勘察设计院 吉林省吉林市 132001
摘要：随着经济社会的不断发展，世界各国对于城市地下空间工程的建设不断进入新的阶段，如深基坑工程、地铁隧道建设等。为了最大化的利用城市有限的土地，新建建筑往往会开挖地下室基坑，而基坑的开挖必然扰动周边围岩，改变地铁车站及区间结构受力状态，引起地铁结构变形，如何控制侧方既有地铁车站及区间结构的变形，是基坑开挖的关键问题。
关键词：基坑开挖，车站，侧方
引言
随着城市轨道交通建设日趋完善，地铁车站人流量大使得商场与地铁互通互联越来越多，临近地铁车站的商业广场结合车站进行开发，实现相互连通。商业广场晚于车站建设，由于与车站紧邻，基坑施工过程对既有地铁的影响较大，相关学者对某些城市的邻近地铁车站基坑工程进行数值模拟分析及实测研究。
1工程概况
1.1基坑工程及邻近隧道概况
本基坑工程周边均为市政道路，基坑开挖深度为5.85~10.35m，坑底位于粘土中，基坑南侧采用1:0.85的放坡支护方案；西侧采用排桩+斜撑支护方案；北侧采用排桩+放坡支护方案；基坑东侧开挖深度为7.35m，且距离用地红线较近，采用排桩+斜撑支护方案，围护桩为直径0.9m、间距1.6m、长度12m的钻孔灌注桩，斜撑为长度10.2m的600mm×600mm的钢格构斜撑，水平间距7.0~8.5m。
基坑东侧临近轨道交通1号线的已运营的区间隧道，隧道拱底埋深约10.7m，区间隧道为两条单洞单线圆形隧道，均采用盾构法施工，隧道管片内净空理论值为5.4m，隧道衬砌采用管片厚度300mm、环宽1.5m的C50预制装配式钢筋混凝土平板形单层衬砌。基坑边线距1号线区间隧道边线最近约23.4m，距离车站最近约42.1m，主要评估分析对象为区间隧道。
1.2工程地质条件
根据相关的岩土工程勘察报告，本基坑南侧和东侧典型工程地质剖面。拟建场地内地基岩土构成层序自上而下为：①层杂填土，主要以黏性土为主，层厚3.60～7.60m，层厚平均值为5.23m；②层黏土，该层在场地内普遍分布，层厚6.70～12.90m；③层粉质黏土，层厚9.10～11.50m；④层黏土，层底埋深23.00～26.10m。拟建场地地下水类型为上层滞水。上层滞水主要赋存于①层杂填土中，无自由稳定水面，主要补给来源为大气降水。
1.3地质概况
地下水初见水位埋深4.50～5.50m，地下水混合稳定水位埋深3.20～4.70m，标高3.72～5.08m，勘察期间为旱季，降水较少，预计雨季地下水位将抬升1.0～2.0m，地下水年变幅可达3.0m。
2数值分析
利用MidasGTSNX有限元分析软件，在合理的计算区域内，采用合适的本构模型建立三维有限元模型模拟本项目基坑开挖过程。
在实际过程中最不利情况是基坑开挖到底，因此按照最不利工况原则，根据本基坑与邻近地铁车站及区间的平面及立面关系以及基坑工程支护结构设计及施工特点，分析基坑开挖过程中支护结构和地铁结构的变形情况。
2.1有限元模型
采用岩土、隧道结构专用有限元分析软件Midas/GTS进行计算。Midas/GTS的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承上一个施工阶段的分析结果，并累加本施工阶段的分析结果。土体采用三维单元、结构采用板单元模拟，地层采用修正摩尔-库伦(ModifiedMohr-Coulomb)弹塑性本构模型，修正摩尔-库伦模型的剪切屈服面与摩尔-库伦本构的屈服面相同，压缩屈服面为椭圆形的帽子本构；另外，修正摩尔-库伦模型的剪切屈服面与压缩屈服面是独立的，在剪切方向和压缩方向采用了双硬化模型(DoubleHardening)；摩尔-库伦模型的偏平面形状为六边形，在计算顶点的塑应变方向时需要采用特别的数值计算方法；修正摩尔-库伦模型为了消除分析过程中的不稳定因素，偏平面采用了圆角处理，使计算的收敛性更好，适用于各种类型的地基。管片材料按线弹性考虑。
2.2工况模拟
基坑开挖引起周边岩土体变形，从而引起侧方地铁结构产生朝向地铁侧的位移。
基坑采用分层分区开挖，模拟计算按如下工况进行:step1施工基坑围护结构，并开挖至第一层支撑底标高，施工第一层支撑;step2土方整体开挖至第二层支撑底标高，施工第二层支撑;step3土方整体开挖至第三层支撑底标高，施工第三层支撑;step4土方整体开挖至基坑底。
2.3施工工序
（1）施工工况。根据施工顺序将整个基坑开挖过程按如下7个施工阶段进行模拟：①围护桩及工程桩施工；②土层开挖+架设第一道混凝土支撑；③土层开挖+架设第二道混凝土支撑；④土层开挖至大基坑坑底；⑤靠近4号线20m范围底板施做+坑中坑放坡开挖；⑥坑中坑土层开挖+架设第三道混凝土支撑；⑦开挖至坑中坑底。
（2）开挖顺序。为保证在基坑施工过程中地铁车站及其附属结构的安全，基坑土方开挖遵循从远离地铁车站的一侧开挖、再开挖靠近车站一侧土方的原则，设置一条中轴线并对称开挖，以实现在基坑土方开挖过程中对地铁车站结构逐步卸荷的目的。开挖过程中，结合地铁保护性监测数据，在确保地铁车站结构安全的前提下再开挖车站周边土方，一旦发现监测数据异常，立即停止开挖并采取相应应急措施，实现对地铁车站结构的主动保护。
3模拟结果及分析
3.1基坑周围位移场分析
坑底未进行土体加固时,基坑开挖卸荷后,由于局部应力释放,地表发生沉降,基坑两侧土体内侧变形,坑底土体发生隆起,其中中部隆起最大为33.6mm,这些变形必然引发地铁隧道的侧移。
3.2隧道纵向位移、受力分析
随着施工步的开挖,右线隧道的最终最大位移为11.16mm,左线隧道的最终最大位移为6.97mm,可见,土体开挖对右线隧道的影响远大于左侧。其中右线最大位移出现在隧道衬砌左下端,方向以水平位移为主,并向基坑方向偏移,右线隧道最大水平位移9.57mm。这是由于基坑开挖卸荷导致侧向土体向基坑变形以及坑底土体隆起,考虑坑底土体加固的缘故,坑底隆起量得到控制,周围土体侧向变形明显,带动隧道向右下方移动。
另外,沿隧道纵向方向,隧道处于基坑中部变形尤为明显,基坑开挖对隧道纵向变形的影响约为平行于隧道的基坑长度的3倍。
在基坑开挖对隧道的应力分析中,应力主要集中在隧道衬砌横断面的上下左右四点,这四点所受应力为其他部位所受最小应力近9倍。可见应力集中现象非常明显,因此,对于地铁隧道的衬砌设计和运营安全应格外重视应力集中部位。
3.3被动土体加固分析
为减少基坑开挖坑底土体隆起对临近地铁线路的影响,本工程拟采用坑底满堂加固的措施。考虑不同加固措施的情况下,不同工况对隧道水平和竖向最大位移的对比分析。上述结果表明,当对土体不加固时,基坑开挖会对隧道产生较大的变形,当加固为40MPa时,可将变形减小为未加固时的60%,当继续加固为60MPa时,变形继续减小,但抑制幅度也明显减小,可见,对基坑底部土体进行加固可有效抑制临近隧道的变形,但应注意最优化的加固强度。
结语
1)基坑开挖会对侧方地铁车站及区间结构产生变形，基坑开挖过程应密切关注基坑周边位移和地铁实测位移。
2)根据数值计算分析，基坑开挖引起的侧方地铁车站及区间结构变形值小于地铁安全保护区监测控制指标要求，基坑开挖不会影响侧方地铁车站及区间的正常运营。
3)基坑采用排桩+内支撑、局部采用复合土钉墙的支护形式，支护体系刚度较大，可有效控制基坑的变形，减少对地铁隧道结构的扰动影响作用是比较明显的。
参考文献
［1］裴行凯，倪小东．深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策［J］．水利与建筑工程学报，2013(3):45-48．
［2］孙钧．城市地下工程活动的环境土工学问题(下)［J］．地下工程与隧道，2000(1):2-7．
［3］李兴高．既有地铁线路变形控制标准研究［J］．铁道建筑，2010，(4):84-88．
［4］曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究［J］.地下空间与工程学报，2005,1（4）：642-645.
［5］任伟明,彭丽云,刘军.邻近地铁车站的基坑开挖基于FLAC3D数值模拟［J］.岩土工程学报，2013,35（2）：276-280.
［6］陈鲁，周莹，程智伟.深大基坑施工对邻近地铁结构的安全性影响分析［J］.建筑结构，2019,49（S1）：763-767.