基于已有实测数据的深基坑开挖对邻近地铁车站影响的实例简析

徐良仲，赖小勇，李慧慧

（1.上海虹源盛世投资发展有限公司，上海 200003；2.杭州市勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引 言

随着城市建设的快速发展，城市地下空间日益紧张，大量的基坑工程邻近已运营或在建的地铁设施，地铁设施保护区变形控制严格，需采取有效的手段来控制基坑的变形。

高盟等[1]基于FLAC软件建立模拟基坑开挖过程的三维模型，分析了紧贴己运营车站基坑施工的工程实例，模拟了各种施工方式及施工参数，并进行对比分析。李伟强等[2]针对某工程深基坑与邻近地铁车站的相互影响，应用有限元建立岩土-结构整体计算模型，通过分析预测基坑回弹量大，开挖过程中对地铁结构产生竖向位移较大。曾远等[3]通过数值模拟分析，研究了张杨路地铁车站基坑开挖时两车站间距、源头变形、土体弹性模量3个因素对在运营车站变形的影响；马乾瑛等[4]运用数值仿真分析模型，研究了基坑施工过程土体应力、应变特征，分析了基坑开挖对地铁车站结构的影响，评估了地铁车站结构的安全性，对项目进行可行性分析，并给出了建议措施。总的来讲目前的研究工作针对基坑施工过程中的模拟分析，及后续施工工况的变形增量预测涉及较少。

本文以杭州市某施工过程中的商业项目地下室基坑工程为例，利用Plaxis 3D有限元软件，采用土体硬化（HSs）模型对其进行施工过程阶段数值模拟，模拟参数取值考虑了地基土强度折减、围护结构施工质量、时空效应、基坑既有变形等诸多问题对土体强度、围护结构刚度等指标进行了折减。模拟结果与理正深基坑设计计算软件进行了比较，验证了数值分析的有效性，对类似工程有参考意义。

1 项目简介

1.1 项目概况

项目位于杭州市转塘镇，之浦路和云河路交叉口的西北角。项目总用地面积89 303 m2，总建筑面积413 144 m2，下设3层地下室，基坑开挖深度约18.6 m，桩基采用钻孔灌注桩基础。

基坑北侧为已建某地铁车站站房，邻近本基坑段车站底埋深约18.5～18.8 m。车站为地下二层岛式车站，车站总建筑面积20 977 m2，车站有效站台中心里程处轨面埋深为16.136 m，顶板覆土2.61～4.89 m，长度472.4 m，标准段宽度19.9 m。车站采用明挖顺筑法施工。车站共设置3个出入口，3组风亭组，5个紧急疏散口。车站北侧设外挂地下一层附属一个。A、C出入口、1～3号疏散口已施工完成并已回填。本基坑围护桩与地铁站房地墙净距最小约4 m，与已建成附属结构净距最小约3.3 m，见图1。

图1 基坑平面示意图Fig.1 Schematic plan of foundation pit

1.2 工程地质条件

根据地质勘察报告，基坑影响深度范围内的地基土主要为填土、黏质粉土、圆砾、淤泥质粉质黏土、角砾混粉质黏土以及其下的全风化、强风化、中风化泥质粉砂岩等。浅部除地表1.5～2 m厚的填土外，15 m深度以上均为黏质粉土，具有一定的黏粒含量，渗透系数较大但低于粉土；其降水后强度高，遇水容易引发管涌。在粉质黏土层与五层约15 m厚的淤泥质粉质黏土层之间，为一层较薄的圆砾层，约1～3 m厚。

孔隙潜水赋存于上部粉土层中，土层渗透系数为 10-5cm/s，属较弱透水性。水位埋深为 1.10～2.40 m，年水位变幅约为1.00～1.50 m。

孔隙承压水主要赋存于⑧-1圆砾层中。⑧−1圆砾层分布于商业地块场地南半部，层顶埋深28.50～31.60 m，层顶高程−24.52～−20.67 m，层厚1.60～8.50 m。渗透性较好，水量较丰富，水头高程约为2.00～4.00 m（1985国家高程基准），具有承压水特性。

2 邻地铁侧围护方案

基坑紧邻地铁站房位置采用1 000 mm厚地下连续墙，其余范围采用直径 1 200 mm间距1 400 mm钻孔灌注桩作为支护桩；连续套打三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕；水平受力构件为三道钢筋混凝土水平内支撑；在基坑阳角部位、支撑与支撑间部位以及电梯坑临边部位增设三轴水泥搅拌桩被动区加固；在第二、第三道支撑梁上增设了钢筋混凝土支撑板带，以增强支撑整体刚度，见图2。

图2 临地铁侧围护墙剖面图Fig.2 Sectional of the enclosure wall adjacent subway

3 基坑施工及变形情况

3.1 基坑施工情况

截至2019年6月，基坑已开挖至第三道支撑～14.4 m标高，三道支撑基本施工完成。

3.2 基坑变形情况

本项目基坑暴露时间太长，截止目前已超过3年，前后停工2次，分别为3个月和9个月，导致2017年10月深层土体测斜变形已超过报警值，截止 2019年 5月所有存活的测斜点监测数据已基本超过 45 mm，部分第一道支撑轴力值超过6 000 kN，处于报警状态。并且局部支护体系存在缺陷。

本项目监测周期为2016年12月6日至今。根据本项目施工进度情况，分别选取7个时间节点的北侧典型深层土体水平位移监测孔（CX14～CX18）的测斜数据，各测点最大水平位移64.25～77.90 mm，具体如表1所示。

表1 北侧典型深层土体水平位移监测孔变形数据Table 1 Deformation of horizontal displacement monitoring hole for typical deep soil on the north side

选取北侧典型水位监测孔（SW5～SW9）的数据，基坑北侧坑外地下水位累计变化量 1 092～3 497 mm，具体如表2所示。基坑内已施工两道支撑轴力累计变化量见表3，第一道撑部分测点已报警。

表2 北侧典型地下水位监测孔变化数据Table 2 Change data of typical groundwater level monitoring holes on the north side

表3 基坑典型支撑轴力监测点变化数据Table 3 Change data of typical support axial force monitoring points of foundation pits

3.3 基坑后续施工计划

后续将进行第三道支撑以下土方的开挖及后续拆换撑的施工。

4 基坑围护结构计算

4.1 计算说明

本项目较之常规的地铁安评项目有以下几个方面的问题需引起重视，并在复核计算中有所考虑：

（1）地基土强度问题

本项目基坑与地铁基坑间夹心土受到两侧基坑施工反复扰动导致强度折减。

（2）时空效应问题

本项目基坑暴露时间很长，基坑施工中土体的应力松弛及土体蠕变引起的应力和变形不断变化，使得施工拖延周期较长时基坑安全性会逐渐降低。

（3）基坑变形问题

截止2019年5月所有存活的测斜点监测数据已基本超过45 mm，处于报警状态。

另外考虑到局部支护体系存在缺陷，本次剖面验证复核以及后文中有限元分析计算中，需对土层参数指标、围护结构刚度进行折减。

4.2 土层计算参数

土层计算参数见表4。

表4 各层土物理力学性质参数Table 4 Physical and mechanical properties of each soil layer

4.3 变形内力计算结果

（1）现场当前工况：开挖到第三道支撑底，施工第三道支撑工况变形，见图 3。由于理正计算软件中无法考虑时空效应，虽然对土层参数指标进行了折减，但计算结果与实测数据之间仍有一定差距。

图3 现阶段工况位移内力图Fig.3 Displacement and internal force diagram of current working condition

（2）预测开挖到基坑底工况变形，见图4。

图4 开挖到基坑底工况位移内力图Fig.4 Displacement and internal force diagram of excavation to the bottom of foundation pit

（3）预测支撑全部拆除完成工况变形,见图5。

图5 支撑全部拆除完成工况位移内力图Fig.5 Displacement and internal force diagram of complete support removal

当前及后续各工况计算结果如表5所示。

表5 理正计算结果汇总表Table 5 Summary of Lizheng calculation results

根据上述计算结果可知，在当前施工工况（即本基坑第三道支撑施工完成）之后，后续邻地铁侧围护结构的水平位移增量约17 mm。

5 有限元数值模拟

采用大型商业有限元数值软件PLAXIS 3D，建立三维有限元模型进行基坑各个阶段的施工工况对地铁车站变形的分析，分析基坑开挖时地铁车站的位移响应。土体材料本构模型采用土体硬化（HSs模型），基坑支护结构、支撑、换撑、车站结构等采用弹性材料类型。基坑支护结构、支撑、车站结构等采用板单元模拟，换撑采用锚锭杆模拟。详见表6～7。

表6 土体HSs模型参数Table 6 Parameters of soil HSs model

表7 结构材料参数Table 7 Structural material parameters

根据基坑开挖所产生的影响范围，合理选取模型尺寸以减少边界条件对计算结果的影响。确定分析模型尺寸为550 m（X方向）×300 m（Y方向）×40 m（Z方向），见图6。模型边界采用标准约束形式，即在侧面施加法向约束，在底面施加完全约束，顶面自由。网格划分总计单元数465 290个，节点数588 512个。

图6 基坑与地铁车站相对位置关系图Fig.6 Relative position of foundation pit and tunnel

5.1 邻地铁侧围护结构变形预测

根据Plaxis 3D数值模拟分析结果，在当前施工工况（即本基坑第三道支撑施工完成）之后，后续邻地铁侧围护结构的水平位移增量约15 mm，见图7、8。

图7 土体总位移云图Fig.7 Total displacement of soil mass

图8 围护结构水平增量位移云图Fig.8 Horizontal incremental displacement nephogram of retaining structure

5.2 地铁结构变形预测

根据Plaxis 3D数值模拟分析结果，在当前施工工况之后，后续车站主体结构的最大变形增量为：水平位移4.79 mm、竖向位移0.71 mm；车站附属结构的最大变形增量为：水平位移2.91 mm，竖向位移3.15 mm；车站与附属结构交接处差异沉降最大增量3.16 mm，详见表8。

表8 地铁结构变形预测值Table 8 Predicted value of subway structure deformation

6 土体计算参数对计算结果的影响

6.1 土体计算参数取值

前文第4、第5节中基坑围护结构计算及有限元模拟时对土层参数指标进行了折减。本小节中就土体计算参数取值及其对计算结果的影响进行简要的对比分析。表9为主要计算土层HSs模型计算参数折减前后对比表。

表9 主要计算土层HSs模型计算参数对比表Table 9 Comparison of calculation parameters of HSs model for main calculation soil layers

6.2 土体计算参数对计算结果的影响

由表10可知，采用折减前后的土层参数指标计算得出的后续邻地铁侧围护结构水平位移增量差值约4.80 mm；车站主体结构变形增量差值约为水平位移2.55 mm、竖向位移0.23 mm；车站附属结构变形增量差值约为水平位移1.20 mm，竖向位移1.07 mm；车站与附属结构交接处差异沉降变形增量差值约为1.23 mm。

表10 邻地铁侧围护结构及地铁结构变形预测值对比表Table 10 Comparison table of deformation prediction value of adjacent subway side enclosure structure and subway structure

7 结 语

本文以杭州市某商业项目地下室基坑工程为背景，通过Plaxis 3D有限元计算软件对紧邻地铁车站的基坑工程施工对既有车站的影响进行了模拟分析，得出以下结论：

（1）施工过程评估根据已有设计、评估、施工、监测等资料，通过模拟分析来复核修正有关参数。然后根据调整后的施工方案，从数值模拟以及风险角度来分析基坑工程施工对地铁设施的后续影响。

（2）施工过程评估与施工前评估相比，需对地基土强度折减、围护结构施工质量、时空效应、基坑既有变形等问题进行考虑，并应结合理论、经验等进行反演分析，对土体强度、围护结构刚度等指标进行折减，由此得出的结果与实际情况偏差更小。

（3）基坑开挖时应考虑时空效应，沿按限定长度的开挖段逐段开挖，在每个开挖段中分层、分小段开挖，随挖随撑，按规定时限完成支撑、地下室底板浇筑，减少基坑暴露时间。

（4）通过有限元模拟分析，可以为设计方案的制定和围护结构体系的优化提供重要的依据。模拟结果与理正深基坑设计计算软件计算结果接近。