谈基坑开挖对既有地铁风亭结构影响

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【摘要】：考虑基坑开挖对周边既有建筑造成的安全隐患，文章以某站新建连接通道基坑工程为例，运用有限元软件FLAC3D模拟了连接通道施工对邻近风亭的变形影响，结构表明：基坑采用钻孔灌注桩+内支撑的围护结构可较好地控制连接通道基坑开挖过程中引起的地表沉降及地铁风亭结构的变形。

【关键词】：数值模拟；连接通道；地表沉降；基坑；变形；地铁；风亭；开挖

随着城市轨道交通事业的蓬勃发展，既有地铁车站与地下商业体连接通道建设工程也随之增多，连接通道施工对邻近既有地铁结构的影响问题在实际工程中引起了越来越多的关注［1～3］。如何准确模拟和有效控制施工引起的地表位移和结构形变，确保施工和既有地铁安全，已成为城市地下空间开发工程中需要解决的重要课题［4～5］，而数值模拟方法是探究该类问题常用的方法之一［6～8］。本文以长沙地铁2号线工程某地铁车站新建连接通道为例，采用有限元软件FLAC3D进行数值模拟，从地面沉降和地铁风亭结构变形的角度进行分析，为评价基坑支护方案的合理性及对地铁结构的安全性提供理论依据并提出建议性处理措施。

1工程概况

拟建地下连接通道北连商业体地下车库，南接地铁2号线某站主体结构侧墙，为地下一层箱型混凝土框架结构，全长约13.5m，标准段结构外轮廓宽6.2m、高5.1m,埋深约8.4m。通道西侧为地铁风亭，最小距离为3.2m。连接通道基坑围护结构采用钻孔桩+内支撑的支护形式，设计采用直径为0.8m、桩间距为1.2m的钻孔桩，桩嵌固深度为5.5m；冠梁部位设置一道直径0.609m钢管支撑，支撑间距3.5m。

2数值计算分析

2.1计算模型

采用岩土工程有限元软件FLAC3D，模型中预设开挖土体单元，开挖单元及土体单元、风亭结构均采用实体单元，基坑围护桩采用pile单元，冠梁及钢支撑采用beam单元。建模范围包括风亭结构（顶板、底板、侧墙、排风井结构）、连接通道基坑及其围护结构体系（围护桩、冠梁、钢支撑），三维模型宽58m、纵向长度18m、深24m，共55950个节点、51408个单元。模型四周法向约束，底部固定约束，顶面自由。见图1-图3。

2.2计算参数

1）土层参数。根据地质勘察报告及设计资料，基坑深度范围内土体均为素填土，天然密度2.00g/cm3、孔隙比0.72、黏聚力15kPa、内摩擦角10°、压缩系数0.40MPa-1、变形模量15MPa、侧压力系数0.35、泊松比0.38。2）结构参数见表1。

2.3计算工况及初始应力

本次研究主要针对连接通道基坑开挖对地铁风亭结构的影响，为得到准确的结果，需进行以下工况的研究：1）考虑地层为原始应力状态，地铁风亭结构未施工；2）施工地铁风亭结构，进行应力平衡计算，作为影响研究的初始状态；3）施工连接通道基坑围护结构，开挖基坑，直至开挖至基坑底，此为最终工序。

2.4计算结果

第一、二工况为初始工序，故不做展开分析，提取相关应力结果作为后续影响研究的基础数据。见图4-图6。由图7-图9可知，连接通道基坑开挖会引起周边土体产生水平和竖向位移，最大水平位移为11.24mm，最大竖向位移为3.73mm，土体位移导致地铁风亭结构产生偏向基坑方向的变形，最大水平变形0.9mm，最大竖向变形0.8mm，变形满足控制要求。对比图6与图9b，基坑开挖前后风亭结构最大主应力值由230～967.4kPa变化至225～963.6kPa，最大变化幅度为2.2%，幅度较小，满足风亭结构的受力要求，较为安全。根据上述计算结果可知，连接通道基坑围护结构采用围护桩+内支撑的形式，较好的控制住了土体变形，从而最大程度减少了对地铁风亭结构的影响，保证了其结构安全。

3结论

1）地铁连接通道基坑开挖引起的本身基坑的位移及地表沉降处于变形控制标准内，基坑开挖引起的地铁风亭结构的变形、应力变化值处于地铁结构容许变形范围内，基坑施工不会造成风亭结构产生强度破坏，施工期间的安全基本可控。2）基坑开挖采用钻孔桩+内支护的支护形式是合理可行的，可有效限制周边土体位移，确保基坑及邻近地铁风亭结构的安全。

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作者：刘健 李攀 单位：湖南路桥建设集团有限责任公司