黄河 ，方伟 ，朱圣元 （机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）
0 前言
随着我国城市各种地块开发的广泛建设，各种城市建筑结构纵横交错，基坑开挖不可避免地会对邻近既有地铁结构产生影响，基坑变形过大，会导致隧道结构产生较大位移变形，影响地铁的正常运行。因此，近年来采用数值模拟等方法分析基坑工程对邻近既有地铁结构的影响问题已成为业内的一个重要课题[1-5]。本文采用数值模拟方法，考虑土体的非线性因素，采用放坡开挖形式，施加土钉墙围护结构，模拟基坑支护体系与土体间的相互作用，研究了基坑开挖施工对既有地铁区间结构的影响，分析了区间结构受力与变形，评价了基坑开挖对既有区间结构的安全影响。
1 工程概况
1.1 项目概况
商业住宅项目位于合肥市龙川路与唐模路东南角。拟建上部结构为高层住宅楼，下部为小区地下车库，基础采用整体式筏板基础，其中主楼筏板基础厚为1m，地库筏板厚0.3m。该项目基坑工程支护周长约570m，基坑深度4.9～5.5m。
基坑北侧毗邻龙川路和轨道交通4号线大花区间，基坑周边道路除龙川路以外均未投入使用，现状为待开发用地。基坑北侧侵入轨道交通影响控制区，坡顶距离4号线区间结构最小距离约17.14m，本基坑与轨道交通结构的平面位置关系详见图1。
图1 基坑与轨道交通结构的平面位置关系图
本基坑设计采用放坡开挖+土钉墙的支护型式，基坑开挖深度4.65～5.35m，放坡坡率1:0.8～1:1.0。邻近轨道交通侧基坑支护结构剖面如图2所示。
图2 邻近轨道交通侧基坑支护结构a-a剖面图
1.2 工程地质条件
本工程场区现状地形稍有起伏。实测勘探孔孔口高程在17.79～25.85m之间，最大高差8.06m。场地土自上而下分布有：①层素填土，层厚度0.4～7m；②层粘土，层厚度2.5～4.8m；③层粉质粘土，层厚度3.6～10.3m；④层粘土，4.4～20m；⑤全风化泥质砂岩，层厚度1.2～5.1m；⑥层强风化泥质砂岩，层最大厚度9.8m，土层物理力学指标见表1。
2 数值模型计算分析
2.1 计算边界及网格划分
为了较准确的反映基坑施工对地铁区间结构附加变形影响，计算分析采用了二维及三维有限元分析方法，考虑土体的非线性因素，模拟基坑支护体系与土体间的相互作用。分析中，土体采用实体单元进行模拟，本构模型取用硬化模型（即HS模型）。
模型在纵向和横向应取基坑开挖深度的2～3倍。计算时的边界条件为：x轴方向采用x向约束，y轴方向采用y向约束，底部采用竖向约束，上表面为自由面。分别对计算模型进行网格划分。
2.2 数值计算过程
根据施工次序、二维模型计算工况。
工况1：初始地应力平衡，施作区间隧道结构，位移清零；
工况2：开挖第一级土层；
工况3：施作第一道土钉，开挖至第二级土层；
工况4：施作第二道土钉，开挖至第三级土层；；
工况5：施作第三道土钉，开挖至基坑底；
工况6：施加地下室结构及上部结构荷载；
土层物理力学参数指标表 表1
图3 二维建模示意图
根据施工次序，三维计算中应包括如下计算工况。
工况1：初始地应力平衡；
工况2：施作轨道交通结构（含变电站结构及区间隧道）；
工况3：完成第一级土层开挖（地表至冠梁底标高），施作围护桩；
工况4：开挖至第一道土钉标高，施作土钉；
工况5：开挖至第二道土钉标高，施作土钉；
工况6：开挖至第三道土钉标高，施作土钉；
工况7：开挖至基坑底；
工况8：施加上部建筑荷载。
图4 三维建模示意图
3 结果分析
3.1 二维模型计算结果
考虑初始阶段，隧道已发生既有变形，根据现场调查及监测结果，基坑施工各工况下邻近区间隧道结构的位移汇总如表2。
由数值模拟结果知，基坑开挖及上部结构施工对区间隧道结构的最大附加水平位移约0.64mm；受基坑开挖卸载的影响，邻近基坑侧区间隧道结构局部略有隆起，最大隆起量约-1.57mm。鉴于以上各工况累计变形位移值均低于控制值10mm，故按既定支护设计方案，基坑开挖对区间隧道结构的影响在可控范围内。
3.2 三维模型计算结果
①基坑施工各工况对邻近区间结构的位移影响汇总如表3。
由数值模拟结果知，基坑开挖对区间结构的最大附加水平位移约1.6mm，最大附加竖向位移为-0.26mm（下沉），以上各工况累计位移值均低于控制值10mm，故按既定支护设计方案，基坑开挖及回筑阶段对区间结构影响较小。
各工况基坑施工对区间隧道结构的位移影响（累计值） 表2
各工况基坑施工对区间结构的位移影响 表3
区间隧道结构承载力及抗裂验算 表4
②结构承载力及抗裂验算分析
结构承载力及裂缝宽度按照《混凝土结构设计规范》计算。结构混凝土等级C35，抗拉钢筋种类HRB400。各工况下，区间结构不同部位的最大弯矩、承载力及抗裂验算见表4。
三维计算结果表明：各工况下，区间结构各部位的承载力及裂缝控制要求均可满足要求，故基坑开挖对区间结构使用安全的不利影响可控。
4 结论及建议
通过对本项目基坑稳定性及基坑开挖对周边环境的附加变形影响预测分析得出，地库基坑施工项目既定支护方案能满足地铁4号线大花区间隧道的控制要求，设计方案合理，可确保基坑安全，具体结论如下：
①根据基坑变形及稳定验算结果，本项目基坑的各项稳定性均满足要求，基坑围护最大水平位移及坑外地表最大沉降均满足基坑变形控制要求；
②通过二维及三维空间有限元析，可以发现本项目基坑开挖对区间隧道会产生一定影响，但影响范围及程度较小，采用放坡开挖及土钉墙支护形式，区间隧道产生的变形均能控制在正常变形范围内；
③根据结构抗裂验算结果，本项目施工期间对区间隧道内力影响较小，各工况下区间隧道裂缝控制均满足规范要求。
