摘  要: 为保证既有地铁车站的正常运营和结构安全，在紧邻的基坑开挖过程中需要严格控制车站结构的变形。围绕对紧邻已有地铁车站侧边进行大面积地下空间基坑开挖的数值模拟及现场实测结果分析，提出了合理的设计方案及技术措施，为今后类似工程问题的设计及施工提供参考性建议。

关键词: 深大基坑工程; 地铁车站; 数值分析; 逆筑法; 变形

 

      随着城市及地铁建设的高速发展，对地铁周边地下空间开发和利用的要求越来越高，同时伴随着地下空间基坑深度及面积的不断扩大。如何确保工程实施期间对已有地铁车站及区间正常运营和安全也日益成为关注的焦点^{［1 －3］}。本文主要围绕对紧邻已有地铁车站侧边进行大面积地下空间基坑开挖的数值模拟及现场实测结果分析^［4］，并提出相应的设计方案及处理措施，以深化基坑开挖对地铁车站的安全影响认识，为今后相似工程的设计、施工提出参考性建议。

 

      上海西站南广场地下综合交通枢纽( 一期) 工程位于普陀区中部，主体建筑为1 个局部含夹层的地下 2 层的结构，基地面积约为 13 500 m²，基坑开挖深度约为13． 25 m。基坑北侧紧邻已建成的上海市轨道交通 11号线上海西站站。该地铁车站为地下2 层框架结构，埋深约为14．80 m。与地铁车站相互关系平面图见图1。

      基坑工程与既有地铁车站仅一墙之隔; 地铁车站纵向连接长度长，共约 140 m; 基坑开挖面积大、深度深。

      基于上述因素，并确保施工期间对既有地铁的保护，本文在围护结构设计阶段采用多方案对比，并采用有限元软件对各方案进行分析和论证。

 

      本文分析时采用 Hardening Soil( HS) 塑性本构模型，围护结构与土体的相互作用采用接触面( Goodman单元) 来模拟，地下墙采用梁单元来模拟，水平支撑采用弹簧单元来模拟。

      土体的物理力学参数见表 1。

      弹簧刚度取为 50 ～60 MN/m²。车站结构采用实体单元模拟，其弹性模 量 E 和 泊 松 比 μ 分 别 为3 × 10¹⁰Pa和0． 2。

      有限元计算模型见图 2。

      1) 基坑分区筹划对比分析。考虑到本工程地铁车站纵向连接长度约 140 m，为减少施工期间对既有地铁车站的位移和沉降的影响，工程设计时靠近地铁车站一侧约 20 m 左右设置 1 道临时封堵墙把基坑划分为近、远2 个基坑，同时近侧基坑横向也设置了2 道分隔墙( 见图 3) 。是否设置分隔墙状态下的地铁车站主要变形指标见表 2。

      2) 围护结构设计方案对比分析。南侧大基坑由于面积大、开挖深度深，且基坑形状非常不规则，综合考虑工期、技术及经济效益，采用结构楼板直接作为基坑支撑的逆筑法进行施工( 见图 4) ，北侧为狭长型基坑，则采用钢管对撑方案。

      采用明挖 + 逆筑法施工，车站的最大沉降、水平位移以及附加弯矩减少 8% ～12%。对比采用顺筑法与逆筑法的围护结构设计方案( 见图 5) 。

      3) 近地铁侧是否地基加固对比分析。由于基坑底主要位于④层灰色淤泥质黏土中，且与既有地铁车站仅有一墙之隔，为了减少基坑开挖对既有车站的影响，于靠近地铁车站的一侧设置了裙边( 宽 8 m) + 抽条( 间距 6 m) 加固方案，加固深度为底板下 4 m。是否采用地基加固的对比见图 6。

      通过计算分析，于近地铁侧设置地基加固，可以对车站的最大沉降、水平位移以及附加弯矩分别减小15． 5% 、12． 7% 和 10． 0% 。

 

      整个施工过程都对地铁车站进行了全过程监测，实行了动态管理和信息化施工。监测记录主要从2008 年 11 月北侧基坑开始挖土一直至 2009 年7 月底南侧基坑底板施工完毕，共9 个月时间，具体的监测点布置见图 7。

      对于北区开挖施工时，由于基坑紧贴地铁车站，车站底板结构呈隆起趋势，平均隆起速率约2 mm/月;一直到北侧基坑开挖至底板时，车站底板隆起约5． 2 mm。待实施北侧基坑内部结构时，地铁车站底板基本处于震荡且略有回落。当实施南侧基坑时，由于在南侧基坑与地铁车站之间存在已经回筑完成的结构体系，基坑开挖时地铁车站底板略有隆起，平均隆起速率为 0． 6 mm/月，待基坑开挖至底板时达到最大隆起量为 7． 0 mm，然后，沉降变形趋于回落并最终达到稳定。

      沿车站纵向方向，整个车站底板变形呈“中间大，两头小”的曲线分布形式，其中位于车站的中间位置及基坑的中心位置处底板隆起量最大，约 7． 0 mm，比车站两头的隆起要大 2 ～3 倍。

 

      通过对本工程理论及实时监测数据的汇总和分析，对紧邻地铁车站的超大型地下空间基坑开挖的主要结论和建议如下。

      1) 对于此类型的基坑，充分发挥基坑的时空效应，对重点及关键部位采用“化繁为简、化整为零”的设计理念，能够把深、大型基坑施工对地铁的影响降低到最低程度。

      2) 通过对紧邻地铁车站的深基坑采用分区实施、远地铁侧逆筑法以及靠近地铁侧采用地基加固等措施，可以极大地降低施工期间对地铁车站的影响。对既有车站的最大沉降、水平位移以及附加弯矩减少量可以达到 40% ～50%。

      3) 通过对监测数据的分析可以得出，基坑开挖期间车站呈隆起趋势，并且沉降曲线呈“两头小、中间大”的状态。建议对于类似临近地铁车站的基坑空间的基坑设计及施工，对车站及基坑的中心位置加强设置保护性措施，而对两侧可适当降低。