地铁车站基坑开挖对邻近既有地下室的影响分析

刘春亮

(福建工程学院土木工程学院 福建福州 350118)

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，城市人口密度加大，城市交通问题日益突出，越来越多的城市开始修建地铁解决这个问题[1]，使得在建的深基坑工程越来越多，不可避免出现很多开挖基坑邻近既有建筑物存在地下室的情况[2-3]。

近年来，针对地铁基坑开挖对临近建筑结构的影响已经进行了诸多研究。如张琳[4]依托厦门地铁1号线天水路站-厦门北站盾构区间的基坑开挖工程，利用Midas GTS NX有限元软件建立三维数值模型分析基坑开挖对地铁隧道结构的影响。詹兴家等[5]采用有限元软件分别模拟了基坑开挖过程中建筑(加固前和加固后)2种工况下的变形情况，开展地铁深基坑开挖引起临近扩大基础建筑物变形模拟及保护措施研究。马明全等[6]以天津地铁车站的深基坑施工为工程背景,根据简化分析方法对建筑物的沉降进行预估分析。

本文以福州市轨道交通2号线宁化站为背景，借助有限元软件ABAQUS，构建了有无地下室情况下的两种三维有限元分析模型，开展基坑开挖对土体变形、地下连续墙的内力与变形及邻近地下室的影响规律，研究结果可为类似工程提供一定的指导和借鉴。

1 工程概况

福州市轨道交通2号线宁化站位于福州市台江区，设置于工业路上，横跨工业路与宁化路交叉口，分布于工业路与白马南路交叉口西侧，如图1所示。宁化站地处市中心繁华商业区，其南侧紧靠三迪家居广场地下室且距其地下室边线最近约4 m。车站为地下三层岛式站台车站，三层三跨箱形框架结构，车站起点里程YDK26+283.832，终点里程YDK26+498.382。

图1 宁化站主体基坑总平面图

2 数值模型建立

2.1 模型尺寸

选取典型剖面建立三维有限元模型，如图2所示，为模型尺寸示意图，其中，基坑开挖部分长度L1=17 m，高度H=22.75 m；开挖基坑底面至中风化岩层顶面D=26.45 m；L2=40 m；选取支护剖面纵向(Y方向)宽度B=6m建模。设土体底端为固定端，左右两个侧面(以X轴为法相)及前后两个面(以Y轴为法相)限制X、Y两个方向的变形，允许产生竖向变形(Z方向)，土体顶面自由，并设置20 kPa的路面超载。

图2 模型尺寸示意图

根据模型大小，考虑计算精度及计算成本，考虑有无地下室两种情况，三维有限元模型网格划分如图3所示。

(a)有限元网格(无地下室)

(b)有限元网格(有地下室)图3 三维有限元网格

2.2 工况步骤

根据施工现场相关地质条件、周边环境及附近深基坑工程施工经验，本文车站主体工程盖挖逆作法施工，基坑围护结构主要类型为地下连续墙，叠合墙结构形式，降水方案采用坑内管井井点降水，井间距14 m～20 m。施工工况分为4个步骤，如表1所示。

表1 分析步骤

2.3 参数选取

土层采用三维实体单元(C3D8)，本构模型为Mohr-Coulomb理想弹塑性模型；地下连续墙及楼板采用三维壳单元(S4R)，本构模型为线弹性模型；钢管支撑及立柱采用三维杆单元(T3D2)，本构模型为线弹性模型。邻近两层地下室楼板及侧墙采用采用壳单元模拟，材料参数如表2所示。

表2 模型材料参数

3 数值模拟结果分析

3.1 土体的变形规律分析

图4～图5为两种情况下t1、t4工况土体的竖向位移等值云图(由于篇幅所限，仅列出两个工况云图)。

(a)t1工况

(b)t4工况

(a)t1工况

(b)t4工况

根据数值模拟结果可知，t1、t2、t3和t4工况的基坑顶最大沉降量分别为4.6 mm、5.1 mm、11.8 mm、12.4 mm。与没有邻近地下室的情况相比，各工况下基坑顶的沉降量分别减少了0.9 mm、4.6 mm、2.8 mm和2.7 mm，减幅分别为16.4%、47.4%、19.2%和17.9%。可以看出，存在邻近地下室的情况下，基坑坡顶的最大沉降会有所减小。另一方面，t1、t2、t3和t4工况下的基坑底的最大回弹量分别为23 mm、35 mm、90 mm和91 mm，与没有邻近地下室的情况相比，各工况下基坑回弹量变化不大，约2 mm～4 mm，说明邻近地下室对基坑回弹的影响较小。

同理，可得到t1、t2、t3和t4工况的最大水平位移分别为8.7 mm、17.4 mm、31.8 mm、31.9 mm。与没有邻近地下室的情况相比，各工况下基坑顶的沉降量分别减少了3.9 mm、7.7 mm、6.7 mm和6.6 mm，减幅分别为31.0%、30.7%、17.4%和17.4%。可以看出，存在邻近地下室的情况下，土体的最大水平位移会有所减小。

3.2 地下连续墙的内力与变形规律分析

图6为两种情况下不同工况地下连续墙的弯矩沿深度的分布图。由图6可知，各工况下地下连续墙弯矩的变化规律与无地下室影响时相同，但是弯矩大小有所变化。

(a)无地下室

(b)临近地下室

通过对比两种情况可以发现，与无邻近地下室的情况相比，t1工况下，最大正弯矩值减小了93 kN·m，最大负弯矩值减小了365.1 kN·m；t2工况下，最大正弯矩值减小了10.9 kN·m，最大负弯矩值减小了246 kN·m；t3工况下，最大正弯矩值减小了267.9 kN·m，最大负弯矩值减小了19.5 kN·m；t4工况下，最大正弯矩值减小了320.9 kN·m，最大负弯矩值减小了64.4 kN·m。当存在邻近地下室时，各工况下地下连续墙的正、负弯矩值都有所减小。对于开挖深度相对较浅的t1、t2工况，与无邻近地下室相比，地下连续墙负弯矩有较大的减小，正弯矩变化相对较小；对于开挖深度相对较大的t3、t4工况，与无邻近地下室相比，地下连续墙正弯矩有较大的减小，负弯矩变化相对较小。

图7分别为不同工况下地下连续墙水平位移曲线。存在邻近地下室时，各工况下地下连续墙水平位移的变化规律与无地下室情况下是相同的，t1、t2、t3和t4工况的地下连续墙最大水平位移分别为6.9 mm、14.3 mm、21.3 mm、21.6 mm。与没有邻近地下室的情况相比，各工况下地下连续墙的水平位移分别减少了4.7 mm、6.5 mm、6.8 mm和7.0 mm，减幅分别为40.5%、31.3%、24.2%和24.5%。

可以看出，存在邻近地下室的情况下，各工况下地下连续墙的水平位移均会有所减小，特别是开挖深度相对较浅时，邻近地下室对地下连续墙的水平位移影响较大，水平位移的减幅较大。

(a)无地下室

(b)临近地下室

3.3 基坑开挖对邻近地下室的影响

图8 邻近地下室侧墙弯矩图

图8为不同工况下，邻近三迪家居广场地下室侧墙的弯矩分布曲线，由图8可知，基坑开挖前地下室侧墙在土压力的作用下，弯矩呈倒“M”型分布。基坑开挖对邻近三迪家居地下室负二层的弯矩影响较大，对负一层地下室侧墙的弯矩影响相对较小。基坑开挖面在地下室底板开挖面以上时，邻近地下室侧墙弯矩受到的影响较大，当基坑开挖面在地下室底板以下时，邻近地下室侧墙弯矩受到的影响逐渐减小。

图9为不同工况下，邻近三迪家居广场地下室侧墙的剪力分布曲线。各工况下，地下室负一层和负二层侧墙的剪力沿深度均大致呈线性分布并在负一二层交界处发生突变。地下室侧墙剪力变化主要是t1工况结束后(基坑开挖面在地下室底板开挖面以上)，该工况下，地下二层负一层t2～t4工况(基坑开挖面在地下室底板开挖面以下)剪力变化不大。另外，基坑开挖对邻近地下室负二层的剪力影响较大， 对负一层地下室侧墙的剪力影响相对较小。

图9 邻近地下室侧墙剪力图

图10为不同工况下，邻近地下室侧墙的水平位移曲线，由图10可知，基坑开挖前地下室侧墙在土压力的作用下，水平位移呈“M”型分布。整体而言，基坑开挖对邻近的地下室侧墙的位移影响较小，基坑施工完成后，地下室整体向邻近基坑一侧变形，最大的水平变形仅为1.06 mm。

图10 邻近地下室侧墙水平位移曲线

4 结论

(1)邻近地下室的存在对基坑坡顶沉降和深层土体水平位移有较大的影响，但对基坑回弹影响不大。与没有邻近地下室的情况相比，其基坑顶的沉降量和最大水平位移都有所减小，各工况下基坑顶的沉降量分别减少了0.9 mm、4.6 mm、2.8 mm和2.7 mm，最大减幅达到47.4%；各工况下最大水平位移分别减少了3.9 mm、7.7 mm、6.7 mm和6.6 mm，最大减幅达到了31.0%。

(2)存在邻近地下室时，各工况下地下连续墙的正、负弯矩值都有所减小。其中，t4工况下，最大正弯矩值减小最大，达到了320.9 kN·m，t1工况下，最大负弯矩值减小最大，达到了365.1 kN·m，说明邻近地下室的存在对地下连续墙的正、负弯矩值有较大的影响。

(3)存在邻近地下室时，各工况下地下连续墙水平位移的变化规律与无地下室情况下是相同的，但是各工况的地下连续墙的水平位移有所变化，与没有邻近地下室的情况相比，各工况下地下连续墙的水平位移分别减少了4.7 mm、6.5 mm、6.8 mm和7.0 mm，最大减幅达到40.5%。说明邻近地下室对地下连续墙的水平位移影响较大，水平位移的减幅较大。

(4)基坑开挖对邻近三迪家居地下室负二层的弯矩和剪力影响较大，对负一层地下室侧墙的弯矩和剪力影响相对较小。当基坑开挖面在地下室底板以下时，邻近地下室侧墙弯矩受到的影响逐渐减小。基坑开挖对邻近的地下室侧墙的位移影响较小，基坑施工完成后，地下室整体向邻近基坑一侧变形，最大的水平变形为1.06 mm。