临近地铁站深基坑工程安全评估分析

临近地铁站深基坑工程安全评估分析

王 浩

(天津市勘察院， 天津 300191)

摘 要：天津松江东南角二期基坑工程，周围环境复杂，紧邻天津地铁东南角站，因此在其施工作业前应对周边建筑造成的潜在位移影响进行评估，并进行监测。以此为工程背景，结合数值计算分析等手段，预测基坑的开挖对车站的影响程度及可能带来的危害，从而对基坑工程的施工方案、设计、加固及东南角站的运营管理提出指导性的意见，对危险部位事先采取防范措施。结果表明基坑大面积开挖产生的卸荷效应显著，导致坑外土体产生趋向坑内移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下地铁车站以及隧道产生一定的沉降和水平位移，基坑降水的影响并不十分显著，一期大基坑开挖对隧道变形影响显著，尤其是对隧道水平位移。建议在大基坑和隧道之间预设注浆纠偏措施并加强变形监测，保证隧道安全。

关键词：基坑监测；地铁站变形；有限元；安全评估

地铁站临近深基坑工程是复杂的多学科交叉的系统工程，工期长、控制严格、施工困难是普遍特点，这些特点加剧了施工过程中的困难程度[1-3]。由于地铁站临近基坑，施工过程中所受到的影响因素多，因此在施工前采用有限元软件对地铁站及临近深基坑施工过程进行模拟计算，能够对各种工况下影响地铁车站的因素进行判断分析，评估当前施工方案，以更深入的优化各工程的施工设计方案[4-7]。

唐鹏军[8]就基坑开挖对邻近建筑物的影响进行了数值分析研究。黄龙湘等[9]对隧道施工引起邻近建筑物损坏风险评估与控制、双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响进行了分析。高丙丽等[10]对深基坑地下连续墙减小邻近建筑沉降的作用进行了研究。周晋[11]基于原有研究人员对张扬路地铁站基坑施工过程为基础，分析了靠近既有地铁结构的基坑施工对该既有地铁结构变形的影响，采用FLAC3D有限差分软件建立数值模型，从源头变形、既有车站和新建车站的间距、土体弹性模量三个方面入手，分析了新建地铁站基坑施工对临近既有车站变形的影响。李伟强等[12]通过建立有限元数值模型，分析了临近新建地铁站基坑施工对既有地铁车站的影响。郭磊[13]为了研究位于某基坑底下的地铁区间隧道受上部基坑开挖的影响进行模拟计算分析，结果表明上部基坑施工导致基坑底部土体隆起以及地铁区间隧道上升，沿隧道轴线方向基坑中部对应区域的上升量最大，向两端依次减小。胡宏斌[14]借鉴深圳某地铁车站基坑工程的施工过程，应用FLAC3D有限差分软件建立数值模型，研究了该地铁车站基坑工程的施工对既有地铁车站变形的影响情况。

本文以天津松江东南角二期基坑工程为背景，应用有限元软件PLAXIS 3D进行数值计算分析等手段，预测基坑的开挖对车站的影响程度及可能带来的危害，从而对基坑工程的施工方案、设计、加固及东南角站的运营管理提出指导性的意见，对相对危险部位提前采取防范措施。

1 工程概况

东南角B地块项目位于天津市南开区通南路南、张自忠路西之交汇处(见图1)，紧邻地铁2号线东南角站C出口。本工程拟建为：1栋27层(局部22层)写字楼、1栋18层写字楼及5层裙房，通体地下车库(埋深约13 m)。规划总用地面积13 203.6 m2；总建筑面积84 000 m2，其中地上总建筑面积60 000 m2，地下总建筑面积24 000 m2。结构拟采用框架-剪力墙结构。基础类型拟采用桩基础。基坑开挖深度为10.34 m～16.45 m。基坑北侧：距规划用地界线最近处约0.1 m，界线外为既有通南路。通南路下埋深约16 m～20 m处为正在运营的地铁二号线，地铁埋深由西向东逐渐加深，其中右行线距基坑最近处约9 m(位于基坑东北角)，其埋深约为20 m。本文对此基坑工程可能出现的位移影响结果进行计算分析，预测其对地铁车站影响程度，并综合计算分析成果对监测工作进行归纳总结，为基坑的现场施工及监测工作提供重要的参考资料。

2 安全性评估

本基坑开挖深度约15.50 m～16.55 m，场区周边条件十分紧张，为保护周边环境的安全，采取设置三道水平内支撑系统的方式(见图2)，水平支撑中心标高分别设置在-2.300 m、-7.700 m、-12.700 m。

2.1 评估内容

(1) 建立基坑支护体系和地铁车站三维模型，通过有限元数值分析模拟地块基坑开挖对地铁车站结构及盾构隧道变形影响进行评价；

(2) 评价地铁保护区范围内拟建高层建筑对地铁结构影响；

(3) 通过以上各项研究进行综合分析，给出地块基坑支护设计、施工方案对地铁结构和运营的安全影响评价，提出保护改进建议。

图1 工程位置平面图

图2 第一、二层支撑示意图

2.2 评估标准

既有地铁安全运营的控制指标和标准的确定应考虑区间隧道构造安全、建筑边限、轨道形变三个影响因素，且主要控制指标通常采用变形控制指标。

根据天津市东南角站现状及周边设施情况，参照国内相似工程经验并结合理论计算分析，确定本工程变形控制指标及标准如下：

(1) 车站主体及附属结构破坏以裂缝控制为标准，地铁结构新开裂缝宽度<0.2>

(2) 周边地块施工期间地铁车站控制指标见表1。

表1 周边地块施工期间地铁车站控制指标

特征值车站结构沉降/mm车站结构水平位移/mm轨道横向高差/mm纵向轨道高差(矢度值)/(mm·10-1·m-1)车站结构侧墙水平位移/(mm·10-1·m-1)变形缝相对沉降/mm累计值1010442.55报警值55————变化速率/(mm·d-1)0.50.5————

需要注意的是，监测期间如遇异常情况，若日变化量较大时，需适当增加监测频率，直至变化稳定为止。

2.3 监测报警值

结合《城市轨道交通工程监测技术规范》[15](GB 50911-2013)及设计单位相关要求，本基坑监测报警值见表2。

表2 监测报警值

监测项目报警值/mm围护结构深层水平位移45围护结构顶部水平位移25立柱竖向位移25地下水位1000

在监测过程中，当监测数据超过报警值时，及时通知相关部门，并采取相应的预警措施。

2.4 有限元模型结果及分析

2.4.1 计算模型

计算采用有限元软件PLAXIS 3D建立整体三维有限元模型进行计算分析。X轴沿地铁站轴向方向，Y轴沿垂直地铁站轴向方向，Z轴沿竖直方向，考虑消除模型边界效应，X轴方向、Y轴方向、Z轴方向依次选取400 m、240 m、60 m。模型计算采用十节点四面体单元，共划分338 018个单元，511 233个节点。模型中具体几何关系和空间位置等来自相关图纸信息，在此不再赘述。计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图3和图4，东南角站整体示意图及内部结构见图5和图6。

图3 计算模型示意图(整体)

图4 计算模型示意图(结构)

图5 东南角站围护结构、主体结构、 附属结构及盾构管片模型图

图6 东南角站内部柱结构图

模型假定：

应用有限元软件PLAXIS 3D是以模型简化和一定的假定为基础的，假设如下：

(1) 假设土体各个土层全部为水平层状分布且同一个土层为匀质、各向同性，结构体的受力、变形均按弹性考虑；

(2) 分析计算采用考虑坑内降水的塑性不排水计算类型计算，模型中的降水只考虑坑内疏干降水。模拟方式为设定坑外水头一直稳定不变，基坑开挖施工前将基坑内部水位全部下降到开挖面底部0.5 m，并对开挖面至地连墙底部之间的坑内土体水头进行线性差值计算，以此来模拟坑内疏干降水对水头变化的影响。

(3) 因考虑到基坑开挖是一个相对短期的过程，并未充分考虑固结和地下水渗流。那么，本模型的边界条件取：模型顶面为自由面，模型底面全固定，模型四个侧面只设定法向约束，其余方向不加任何约束。

该计算中土体本构模型采用HS-Small模型，分析计算基坑施工过程对天津地铁三号线地铁车站结构变形、内力的影响。模拟中土体相关参数取自工程地质勘查报告和工程经验取值，见表3。

表3 模型计算土体参数(HS-Small本构)

土层编号土性γ/(kN·m-3)ec'/kPaφ'/(°)Eref50/MPaErefoed/MPaErefur/MPaGref0/MPaγ0.7m1粉质黏土19.500.7712.9013.305.095.0930.582.50.00020.82粉土19.600.7217.4024.8013.6113.6181.7220.50.00020.53粉质黏土19.640.7419.6319.966.476.4738.8104.80.00020.84粉土20.300.6116.6031.4016.9516.95101.7274.60.00020.55粉质黏土19.880.7023.3120.046.846.8441.1110.90.00020.86粉砂20.300.5615.5031.7016.7616.76100.6271.50.00020.57粉质黏土19.680.7527.3516.756.056.0536.397.90.00020.8

表4为地下连续墙、隧道衬砌、结构楼板、结构柱和水平支撑等结构的力学参数汇总。假定上述结构均按照弹性考虑。区间衬砌结构的模拟应用均质圆环的板单元，区间管片之间应该考虑相互作用，沿区间的轴向及径向分别采用刚度折减。该数值模型中，用板单元模拟车站楼板、隧道衬砌、水平支撑和地下连续墙；用梁单元模拟格构柱及结构柱。所有混凝土结构的重度全部选取25 kN/m3，表中不再赘述。

表4 模型结构体计算参数

名称单元类型弹性模量/GPa泊松比地铁站地连墙Plate30.00.2地铁站楼板Plate30.00.2地铁站底板Plate30.00.2地铁站内柱Beam32.50.2隧道Plate35.00.2基坑顶板Plate32.50.2基坑中板Plate32.50.2基坑底板Plate32.50.2水平支撑Plate32.50.2

为了使基坑施工对天津二号线地铁车站的影响的模拟更加准确，对施工过程的模拟应用动态模拟计算法，共设定33个计算步骤。参照模型，共划分为五大主要部分：

(1) 进行初始地应力平衡；

(2) 施工原有二号线车站主体，出入口及区间隧道，清零位移；

(3) 根据施工方案，基坑分西侧小基坑及东侧大基坑两期完成。首先分步施工一期大基坑；

(4) 分步施工二期西侧小基坑；

(5) 在基坑顶板施工完毕后，加超载模拟拟建高层建筑对地铁站及隧道影响。

由于采用顺做法施工，基坑开挖详细步骤为降水—开挖—生成相应水平支撑的循环，开挖完成后，分布生成各层楼板。细节在此不再赘述。

2.4.2 基坑周边土体沉降分析

选取一期大基坑开挖各主要工况进行土体沉降、围护结构变形及对地铁站和隧道的影响分析。重点考虑一期大基坑和二期小基坑顶板施作完成、拟建高层施工完毕(即施加超载)等阶段的分析。

图7是一期大基坑各主要工况土体竖向变形云图。各工况坑外沉降都是靠近基坑各边的中部较大，沉降最大值也出现在这一区域，而基坑角处较小。表5为土体沉降值结果。

根据表5可以发现，土体沉降在开挖完成后基本稳定，与地铁盾构隧道处由于位置较近，产生了相对较大的位移13.96 mm。这是由于盾构施工扰动后，基坑开挖导致周围土体二次扰动，其强度再次弱化导致。

图7 拟建高层施工完成土体沉降图
表5 土体沉降数据

工期阶段最大沉降值/mm东南角一期第一层开挖 -1.71第二层开挖 -3.72第三层开挖 -9.96第四层开挖 -13.89顶板施工完成-13.87 东南角二期顶板施工完成-13.95拟建高层施工完成-13.96

2.4.3 东南角站主体结构位移分析

基坑项目北侧靠近地铁二号线东南角站，其附属结构与基坑地下连续墙距离为1.5 m。由于针对地铁车站变形控制标准较高。由于基坑开挖导致坑底土体隆起，基坑自身及周边地应力重新分布，必然导致地铁车站、附属结构发生一定的升降与水平位移。选取一期大基坑开挖的五个主要阶段以及二期小基坑施工完成和拟建高层施工完成等阶段进行分析。图8为地铁车站主体结构竖向位移云图。竖向位移最大值发生在靠近开挖的基坑一侧(见表6)。

图8 拟建高层施工完成主体结构沉降

图9是地铁站主体结构Y向位移(即垂直车站长边方向)。可以看出，更靠近车站的小基坑开挖对其水平位移影响较大。主体结构水平位移最大值(最终)位于靠近基坑一侧顶板附近(见表7)。

表6 主体结构沉降值

工期阶段车站结构最大沉降量/mm沉降控制指标/mm松江东南角一期 第一层开挖 -0.0610第二层开挖 -0.2310第三层开挖 -0.4010第四层开挖 -0.5310顶板施工完成-0.5410松江东南角二期 顶板施作完成-0.6310拟建高层施工完成-0.5910

图9 拟建高层施工完成主体结构Y向位移
表7 主体结构水平位移值

工期阶段主体结构水平位移值/mm水平位移控制指标/mm松江东南角一期 第一层开挖 -0.1110第二层开挖 -0.3710第三层开挖 -0.5810第四层开挖 -0.7110顶板施工完成-0.7110松江东南角二期 顶板施工完成-1.5110拟建高层施工完成-1.5010

2.4.4 东南角站隧道管片位移分析

图10是各施工步的隧道管片沉降云图。靠近基坑一侧隧道沉降更大。由最终步的隧道管片沉降可以看出，沉降最大值出现在隧道离基坑边缘最近的部位，即基坑东北角外9 m距离处(见表8)。

图11是各施工步隧道管片Y向位移云图。其分别规律类似隧道管片沉降。沉降最大值出现在隧道离基坑边缘最近的部位，即基坑东北角外9 m距离处，并且，水平位移量较大(见表9)。

2.4.5 区间隧道与车站的差异沉降

由表10、表11可以看出，差异沉降主要形成在三层、四层开挖，并稳定下来。车站各个结构的变形值主要由水平位移贡献，主要是由于地铁运行时间较长，固结沉降已经完成，基坑开挖主要是其产生水平位移。

图10 拟建高层施工完成隧道管片沉降
表8 隧道沉降值

工期阶段隧道管片最大沉降量/mm沉降控制指标/mm松江东南角一期 第一层开挖 -0.2010第二层开挖 -1.1410第三层开挖 -2.3710第四层开挖 -3.3410顶板施工完成-3.3510松江东南角二期 顶板施工完成-3.4110拟建高层施工完成-3.0510

图11 拟建高层施工完成隧道管片Y向位移

3 结 论

本文以松江东南角基坑工程为例，介绍了基坑开挖过程对既有地铁站的变形计算方法和安全评估，通过对基坑的周围土体变形、地铁车站主体及附属结构变形结果的分析，可以得出以下结论：

表9 隧道水平位移值

工期阶段隧道管片最大水平位移值/mm水平位移控制指标/mm松江东南角一期 第一层开挖 -0.676第二层开挖 -2.506第三层开挖 -3.986第四层开挖 -4.936顶板施工完成-4.966松江东南角二期 顶板施工完成-4.976拟建高层施工完成-4.446

表10 隧道与车站连接处变形缝差异沉降值

工期阶段隧道与车站连接处变形缝最大差异沉降值/mm沉降控制指标/mm松江东南角一期 第一层开挖 0.035第二层开挖 0.095第三层开挖 0.235第四层开挖 0.365顶板施工完成0.375松江东南角二期 顶板施工完成0.395拟建高层施工完成0.345

表11 施工完成后变形指标汇总

控制指标变形值/mm控制值/mm评估车站主体附属结构区间隧道沉降-0.5910安全水平位移-1.5010安全沉降-0.9610安全水平位移-2.5410安全沉降-1.9410安全水平位移-4.446安全隧道与车站连接处变形缝相对沉降 0.345安全

(1) 基坑大面积开挖产生的卸荷效应显著，导致坑外土体产生趋向坑内移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下地铁车站以及隧道产生一定的沉降和水平位移。

(2) 有限元计算结果分析表明，二号线地铁车站和隧道在基坑开挖过程中产生了一定的沉降和水平位移，但各项变形指标数值均处在变形控制标准之内，符合相应的评估标准。

(3) 松江东南角二期小基坑相比一期大基坑更靠近地铁站及其附属结构，因此其开挖对地铁车站主体及附属结构变形影响相对于一期大基坑开挖的影响稍大，应在施工过程中加强变形监测工作。

(4) 考虑土体小应变影响的三维数值分析能够更准确地反映基坑施工对既有结构体变形、内力的影响，其计算结果能够与实际工程经验更好的吻合。由于土质条件的变化、土参数的空间变异、实际施工过程与数值模拟的差异等原因，应最终以信息化施工、适时修正为指导施工的原则。

参考文献：

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[2] 伍尚勇,杨小平,刘庭金，等.双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响的分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(S1):3452-3458.

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[7] 伍尚勇.杨小平.刘庭金.双侧深基坑施工对紧邻地铁隧道变形影响的分析[J].岩石力学与工程学报，2012,31(S1):3452-3458.

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[12] 李伟强，孙宏伟.邻近深基坑开挖对既有地铁的影响计算分析[J].岩土工程学报,2012,34(S1):419-422.

[13] 郭 磊.新建基坑工程对既有地铁车站的影响及对策[J].铁道工程学报,2015,32(2):109-112.

[14] 胡宏斌.三维有限元模拟分析深基坑施工对相邻地铁结构的影响[J].市政技术,2013,31(6):147-149,152.

[15] 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

Analysis and Safety Assessment of a Deep Foundation Pit Adjacent to the Subway Station

WANG Hao

(Tianjin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying, Tianjin 300191, China)

Abstract：Phase II foundation pit of Tianjin Songjiang is adjacent to the southeast corner of subway station with the complicated surroundings, so its potential displacement impact of the surrounding buildings should be evaluated before the construction work. This paper combined forecast the influence degree of the foundation pit excavation on the station and possible damage through the numerical calculation and analysis to guide the construction scheme, the design and the reinforcement and the southeastern corner station operation management. Results show that large area excavation unloading effect is significant which resulting in soil pit outside the pit mobile trend, however, the precipitation of foundation pit is not significant in displacements, the influence of the phase I has obvious effects on the horizontal displacement of the tunnel. Finally suggestions such as deformation monitoring should be taken to ensure the safety of the tunnel.

Keywords：foundation pit monitoring; deformation of the subway station; finite element; safety assessment

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.036

收稿日期：2016-12-10

修稿日期：2017-02-03

作者简介：王 浩(1988—)，男，天津市人，助理工程师，主要从事测量方面的工作。 E-mail：[e-mail]

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1672—1144(2017)02—0188—06