深基坑施工对紧邻地铁车站安全的影响

张 明， 闫 亮， 潘楚沩， 刘文兵， 谢 敏

(中建五局土木工程有限公司武汉分公司， 湖北 武汉 430108)

随着我国城市基础设施建设的飞速发展，城市建设用地日趋紧张。对于日趋严重的城市交通拥堵问题，发展地铁等大运量轨道交通方式已经成为解决交通问题的有效途径。地铁的快速发展可拉动经济建设增长，使得地铁沿线站点附近往往拟建或在建密集的高层建筑群，其深基坑施工会对紧邻地铁车站产生施工风险和对环境产生影响[1～6]。而由于地铁车站的重要性和特殊性，使得地铁工程对于自身结构、周边基坑和建筑的变形都有着严格的要求，这导致邻近的深基坑工程面临着较大的技术挑战和施工难题。因此对于紧邻地铁车站的深基坑施工，确保地铁车站的安全运营是十分必要的。

深基坑的开挖施工引起周边土体应力场一定程度上的改变，从而引起周边一定范围内土体的变形。深基坑工程施工一方面因为自身坑内土体的开挖卸荷导致围护结构的水平和竖向变形，进而引起坑外周边土体的沉降变形，从而导致紧邻地铁结构随着土体的下沉产生沉降；另一方面由于深基坑的开挖施工直接引起紧邻地铁隧道产生新增水平位移和竖向沉降，导致隧道产生变形和变位，严重时甚至会引起衬砌结构的开裂破坏[7]。

对于紧邻地铁车站的深基坑工程，需要预测紧邻车站的变形，进而保证紧邻车站运营的绝对安全，这具有显著的实际意义和工程价值。本文结合线网中心大厦深基坑开挖项目，通过深基坑工程施工与邻近地铁枢纽结构的相互影响分析，以及对紧邻地铁枢纽结构的基坑项目的安全风险分析和评估，确保深基坑工程的施工安全以及已建地铁的运营安全。同时也为邻近地铁枢纽的深基坑工程建设积累有益资料，为类似的工程项目提供相关经验方法和理论依据。

1 工程背景

武汉市线网中心大厦项目位于光谷五路西侧，神墩一路北侧，拟建成为光谷地区的地标性建筑。基坑平面呈不规则矩形，开挖总面积约12520.4 m2，其中宽约76.1 m，长约187.9 m。地下室结构一共三层，埋深约14.3 m，局部达到了17 m。基坑北侧为规划三泰街，西侧为规划揽月路，现状为闲置空地；基坑东侧为19号线光谷五路站，基坑南侧为11号线光谷五路站，均已施工完成。基坑东侧紧邻该地铁换乘车站，最小距离仅为4.0 m，基坑南侧右半段与车站共用围护结构。

该基坑采用顺筑明挖法施工，分段、分区、分层开挖。基坑围护结构采用Φ1200 mm钻孔灌注桩单排桩，桩间距为1.8 m。支护体系采用一道水平混凝土内支撑和一道预应力锚杆(局部两道)结合的方式。根据施工勘探资料，拟建场区内无地表水系存在，地表水主要为降雨及周边生活污水。故本次分析不考虑地下水的影响。

对于拟建场地的地质情况，结合现场勘探资料和室内土工试验结果，土层分布如图1所示，土层的力学参数如表1所示。

图1 基坑剖面和土层分布示意/mm

表1 土层力学参数

2 计算模型

本文通过有限差分软件FLAC 3D进行数值模拟。FLAC 3D是一款岩土工程软件，主要应用于求解岩土工程问题。它与有限元方法重点不同的是采用“混合离散法[8]”来模拟材料的塑性破坏和流动，它的计算结果更趋于准确，一般的有限元方法中主要采用“离散集成法”，“混合离散法”在进行静态分析模拟时，也选择采取动态运动方程进行求解运算，FLAC 3D在进行物理上的不稳定分析的时候，不会存在数值上的分析障碍[9,10]。

根据施工场地范围内的土层地质特性，选用Mohr-coulomb模型表述土体力学性能。对于模型边界条件的设置，在模型左右两侧(x=0，x=570 m；y=0，y=470 m)和模型底部(z=0)设置法向约束，而在模型上部边界(z=30 m)则设为自由。在进行数值模拟分析之前，构建初始施工场地，进行土体的固结，并使土体在自重应力下平衡，进而得到在施工之前的原始地应力场。

由于地铁车站为已建成结构，故此处进行数值分析时仅模拟基坑的施工过程对临近地铁枢纽结构的影响，根据施工方案依次进行基坑围护结构施工、基坑开挖架设内支撑体系、地下室结构回填修筑。本文建立了包括线网中心大厦基坑、邻近地铁光谷五路车站建筑物结构和周边一定土体范围地质分布在内的三维数值模型。如图2，3所示。

图2 三维数值整体模型

图3 地铁车站与基坑支护体系的三维模型

3 结果分析

本文分析了随着深基坑的开挖，紧邻地铁车站结构的新增位移和附加应力。

为了更准确地分析地铁车站结构在基坑施工过程中的变形发展过程以及评估深基坑工程的稳定性和安全性，计算时对地铁车站不同截面上和基坑支护结构部分关键点的变形进行了监测记录，主要监测了紧邻地铁车站水平和竖向位移、基坑工程围护桩顶水平和竖向位移以及周边地表沉降。监测点的布置如图4所示。

图4 基坑监测点布置分布/m

3.1 地铁结构新增水平位移分析

随着基坑工程的施工，土方开挖产生的卸荷效应导致地铁车站的水平侧向变形为主要变形，且地铁车站产生的水平位移方向为朝向基坑内侧方向。图5，6表示了地铁车站最大水平位移云图，即对应于基坑开挖至基底工况。从图中可以看出，地铁车站结构水平x向最大位移发生在紧邻基坑东侧区间中间部分，最大水平x向位移为1.75 mm，方向朝向基坑内侧；地铁车站结构水平y向最大位移发生在与基坑南侧共用围护结构部分，且位于基坑围护结构与地铁围护结构连接处，最大水平y向位移为1.38 mm，方向朝向基坑内侧。

图5 开挖至基底时地铁车站x向位移云图

图6 开挖至基底时地铁车站y向位移云图

由图可知，与基坑x，y向平行的地铁车站结构的水平位移均较小。这是因为地铁车站与基坑开挖的卸荷方向垂直，因而基坑的开挖卸载效应造成的水平位移影响很小。深基坑的开挖施工对地铁车站远离基坑部分位移影响较小，且均在规范允许范围内，这也说明深基坑工程施工主要对邻近基坑侧地铁车站有影响。

由数值分析结果可知，水平向x向最大位移发生在紧邻基坑东侧区间位置，对应于监测点J24～J26。现选取监测点J24～J26进行分析，墙顶水平位移随施工工况变化曲线如图7～9所示。在采集数据时，根据前述模拟施工工况选取相应的数据进行分析。

图7 J24随施工工况水平位移变化

图8 J25随施工工况水平位移变化

图9 J26随施工工况水平位移变化

根据实际监测数据统计整理可知，地铁车站结构最大水平x向位移为1.81 mm，该值与模拟结果较为接近。由图可知，随着基坑开挖深度和面积的增大，土体卸荷量增大，土体的卸荷效应也更加显著，随之导致的车站结构水平位移也增大，基坑开挖至底部时卸荷量最大，此时车站结构的水平位移也达到最大值。而向上回填修筑地下室结构的过程中，由于地下室结构自重及施工荷载对基坑底部起到了一个向下反向加载的过程，基坑施工所引起地铁车站结构的水平位移有减小并逐渐趋于稳定的趋势，但可以从图中看到，在工况12即拆除水平支撑时，地铁车站结构水平位移有一定的增加趋势，这是因为在拆除支撑时，瞬间释放出很大的应力，造成地铁车站产生一定的变形，因此在施工中拆除水平支撑的时候也需要严加注意。

地铁车站水平y向最大位移发生在基坑南侧与地铁车站共用围护结构部分，现选取地铁车站结构监测点J7，J8，J11进行分析，墙顶水平位移随施工工况变化的曲线如图10～12所示。

图10 J7随施工工况水平位移变化

图11 J8随施工工况水平位移变化

图12 J11随施工工况水平位移变化

根据实际监测数据统计整理可知，地铁车站结构最大水平y向位移为1.36 mm，这亦与模拟结果较接近。地铁车站结构水平y向位移与x向位移变化趋势相似，都是随着基坑开挖深度和面积的增大逐渐提高。当基坑开挖到底部时，水平y向位移也达到最大值。而向上修筑地下室的过程中，基坑施工的加载效应导致地铁车站结构的y向水平位移也减小并趋于稳定。

3.2 地铁结构新增竖向位移分析

图13为基坑开挖到坑底工况下地铁车站结构最大竖向位移云图。从图可以看出，由于线网中心大厦基坑位于邻近的地铁车站结构的侧上方，基坑的开挖卸荷作用导致地铁车站结构在靠近基坑的部分产生轻微竖向隆起，而在远离基坑部分出现了微小沉降。由图可知，竖向最大位移为0.93 mm，且最大沉降发生在基坑围护结构与地铁车站连接部分，即图中红色区域。绘制了监测点J7和J8处墙顶竖向位移随施工工况变化曲线，如图14，15所示。

图13 开挖至基底时地铁车站z向位移云图

图14 J7随施工工况竖向位移变化

图15 J8随施工工况竖向位移变化

由实际监测数据整理分析可知，地铁车站最大竖向位移为1.02 mm。数值模拟结果与基坑实测数据变化趋势基本相同。随着基坑开挖深度的增加，基坑施工导致的地铁车站结构的竖向变形量也逐渐增大；当开挖到基坑底部时，竖向位移量也达到最大；在向上回填修筑地下室结构时，由于加载效应导致地铁车站结构的竖向位移减小并逐渐趋于稳定。

由对比分析结果可知：深基坑工程施工主要引起紧邻地铁车站结构在邻近基坑一侧产生水平和竖向的土体卸载，由于土压力的作用，使得地铁车站结构朝向基坑内部方向产生一定程度的水平和竖向位移。但地铁车站结构产生的位移变化主要以水平侧向位移为主。地铁车站结构受紧邻深基坑工程施工的影响，结构的水平位移及竖向位移均随着基坑开挖土方量增加而不断增大，直至开挖至基底时达到最大。而地下室的修筑相当于在地铁结构的另一侧重新加载，使得地铁结构水平位移背离基坑一侧有所增大。但由于整体开挖土方量远大于地下室回填土方量，且地铁车站变形主要为塑性变形不可恢复，所以地下室回填修筑对地铁车站结构的整体影响效果并不明显。

无论是实际监测数据还是数值模拟均显示本基坑施工引起地铁结构变形的绝对值较小，经分析可能存在以下原因：(1)由于地铁工程的特殊性，规范关于地铁周边各种工程施工对地铁隧道结构的影响有着严格的规定，本项目基坑紧邻地铁车站，设计要求地铁车站的变形需严格控制在10 mm之内，故设计决定了变形值在较小范围内；(2)该基坑地貌类型为长江Ⅲ级阶地，土质较好，地下水类型为少量上层滞水，基本无水害，变形较易控制。

3.3 地铁结构附加应力分析

深基坑工程的施工不仅会导致紧邻地铁车站产生一定程度的变形和周边土体的变化，而且由于坑内土体大规模卸载、土体应力的大量释放，使得周边应力场也产生了显著变化，从而在地铁车站部位产生附加应力。图16～18为地铁车站最大附加应力云图，即基坑开挖到底部时的附加应力云图。

图16 开挖至基底时地铁车站x向附加应力云图

图17 开挖至基底时地铁车站y向附加应力云图

图18 开挖至基底时地铁车站z向附加应力云图

从图中可以看到地铁车站结构x，y，z向最大附加应力分别为2.24，2.96，3.26 kPa。综上所述，在基坑施工全过程中，地铁车站结构三个方向的应力均有增加，但增幅不大，基本可以控制在3.50 kPa以内。由此可以看出，深基坑施工引起的地铁车站附加应力及其变化幅度均较小，在一般情况下，对紧邻地铁车站结构的影响不大，不会造成结构的破坏。

4 结 论

以武汉地铁光谷五路站及线网中心大厦基坑工程为依托利用FLAC 3D有限元软件进行了大规模基坑开挖对紧邻地铁车站结构位移、变形的影响研究，并结合实际监测数据进行了对比分析，主要得出以下结论：

(1)地铁车站结构的变形以水平变形为主，竖向变形较小。开挖至基坑底部时，水平和竖向变形量达到最大值；此后向上回填修筑地下室过程中，地铁车站结构变形量逐渐减小并趋于稳定。地铁车站的位移主要由基坑开挖产生，而地下室结构的回填修筑对地铁车站结构的位移影响较小。

(2)本工程基坑东侧区间紧邻地铁车站，而基坑南侧部分区间与地铁车站共用围护结构。在上述区段内，地铁车站结构的水平位移最大，在施工中需要严加注意。基坑施工所导致的地铁车站的最大水平侧向位移数值结果为1.75 mm，实测结果为1.81 mm；最大竖向隆起量数值结果为0.93 mm，实测结果为1.02 mm。通过数值模拟和监测数据的对比分析，二者结果较吻合，这也说明了数值建模的合理性。

(3)在基坑施工全过程中，地铁车站结构三个方向的应力均有增加，但整体增加幅度不大，最大值均发生在基坑开挖至底部阶段。基坑施工诱发紧邻地铁车站结构的最大应力增量可以控制在3.5 kPa以内。

综上所述，可认为邻近基坑开挖会造成紧邻地铁车站结构发生一定程度的水平位移和竖向位移，并将造成紧邻地铁结构的受力状态发生一定程度的改变，但整体位移量较小，应力增量较小，在正常施工条件下，线网中心大厦基坑施工不危及邻近地铁车站的安全运行。