中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133
摘要：本文分析了西安市某项目地下室扩建工程对邻近地铁结构的相影响等级，提出了受影响的地铁结构保护监测控制指标，采用多种方法研究了西安市某项目地下室扩建对邻近地铁结构的安全影响，得出了分析结论，并对该工程的设计和施工提出了建议，为该工程地铁保护提供了技术咨询，可为类似工程提供借鉴和参考。
关键词：地铁；控制保护区；影响等级；结构安全
1 引 言
各地地铁项目经过多年的建设，已有很多的线路投入运营，外部工程作业如果对地铁结构安全造成影响，可能会引起运营安全事故，所以外部工程作业对已运营地铁结构安全的影响评估成为各地地铁保护的重点。本文采用多种方法分析研究了西安市某项目地下室扩建工程对邻近地铁结构安全影响并得出结论。
2 工程概况
2.1 项目简介
某项目地下室扩建工程位于邻近地铁车站Ⅲ号出入口与该项目前期工程基坑双排桩的围合空间内。Ⅲ号出入口采用矩形框架结构型式，通道从车站地下一层东侧直出约9 m，转向南侧约10m，在通道东侧侧墙上留接口接入至该项目地下室内，其余部分继续向南，直至出地面。
地铁车站于2011年9月16日正式投入运营，截止到目前已运营五年。
2.2 工程地质
场地地形较为平坦，地面最大高差1.39m。地地貌单元属渭河Ⅱ级阶地。地基土自上而下的地层可分层描述为①杂填土、②素填土、③新黄土、④古土壤、⑤粉质粘土。工程水位埋深为15.2~16.8m。建筑场地内没有影响场地及建筑物稳定的各种地质构造和不良地质作用。
3影响等级
依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）相关条文，根据外部作业工程与地铁结构的距离及外部作业工程的影响分区，将外部作业工程的影响等级划分为特级、一级、二级、三级、四级等5个等级。
本项目基坑深度16.86m，对既有地铁车站的影响等级判定为特级。
4风险分析及地铁保护监测控制指标
4.1风险分析
通过分析，可能存在以下风险：
1）场地分布有湿陷性土层，钻孔灌注桩成孔出现塌孔将会引起邻近地铁结构的变形；
2）由于基坑正常开挖导致土体向坑内侧向变形，从而导致正在运营的凤城五路车站主体结构也向基坑方向变形，车站结构的变形会引起地铁轨道的变形，若其超过限制，将对地铁结构正常使用造成重大影响，甚至影响地铁的运营安全。
3）本工程主体结构施工完成后，产生新的基底附加压力，车站主体附近土体应力场重新分布，车站主体的内力超限，从而导致地铁结构发生变形；
4）在基坑倾覆或地层大幅失水情况下，车站结构内力及变形可能超限。
4.2地铁保护监测控制指标研究
通过分析地铁结构已发生的变形，结合《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）的规定，提出控制指标如下：
1）车站结构绝对沉降量≤10mm，绝对水平位移量≤10mm (包括各种加载和卸载的最终位移量)。
2）车站结构外壁附加荷载≤20kPa；
3）由于打桩振动、爆炸产生的震动车站引起的峰值速度≤2.5cm/s。
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4）轨道竖向变形量-4～+4mm，两轨道横向高差＜4mm，轨向高差（矢度值）＜4mm，轨间距-4mm，+6mm，水平及水平三角坑高低差<4mm/18m；
5）道床竖向变形<1.47mm/10m，道床脱空量≤5mm。
4 多方法分析研究
4.1经验法分析
调研本地区类似工程案例，采用经验法初步分析了本工程施工对地铁结构的影响。通过分析对比类似工程与本项目的外部条件，采用经验法判断：在合理布置施工组织设计方案的前提下，本项目施工对地铁结构的影响可控。
4.2 基坑设计安全性分析
采用理正深基坑计算软件对本工程基坑支护设计进行了校核计算。由结果可知，靠近地铁主体一侧支护结构即B-C段，桩体最大水平位移5.58mm； A-B段桩体最大水平位移10.67mm ，基坑C-D-E段桩体最大水平位移10.26mm。
同时，基坑各项稳定安全系数满足规范要求，在设计条件下，本项目基坑自身是安全的。
4.3 地层-结构模型计算分析
通过岩土工程有限元软件计算采用荷兰专业岩土软件PLAXIS 2D 2012和PLAXIS 3D2012动态模拟分析本项目施工对地铁凤城五路站的影响。分别建立二维、三维模型模，观察在每一施工分步下，地铁的位移变化。
计算模型大小按如下原则选取：
1）沿车站纵向方向，取基坑开挖边界以外2-3倍开挖深度；
2）既有地铁车站西侧，取地铁车站边界外3-4车站埋深；
3）模型东侧边界，取地铁车站边界外3-4车站埋深；
4）沿深度方向，取本项目基坑底以下2倍基坑深度范围。
二维计算结果显示，当本工程既有双排桩和车站结构之间的土体卸载后，临近基坑一侧车站结构最大水平位移约4.2mm，最大竖向变形约11.6mm。远离基坑部位的变形呈减小趋势。
三维计算结果显示：
1）地铁主体结构刚度很大，本项目施工对其影响很小；
2）双排桩施工，基坑开挖到底时，地铁车站最大水平位移为2.755mm，最大竖向隆起为1.158mm；
3、当破除部分双排桩并局部挖深后，地铁车站最大水平位移为增大至2.809mm，最大竖向隆起为1.417mm；
4、对比后可知由于地铁车站刚度很大，破除部分双排桩并局部挖深后，对其影响很小；
5、当出入口施工完成并覆土后，地铁车站水平位移基本无变化，发生了一定的沉降4.037mm；
6、在开挖阶段，地铁结构最大变形发生在基坑BC段中部，在此范围内应重点监测地铁变形。
综上所述，车站主体结构的变形满足控制指标，即本项目支护方案能保证地铁结构的安全。
4.4荷载-结构模型计算分析
本项目基坑施工将不可避免的诱发基坑周边地层中的地下水水位发生下降，而水位下降将导致直接作用于既有车站主体、附属结构外壁的水压力发生改变，从而影响结构的受力和变形。为此，结合本基坑工程和车站主体、附属结构的特点，应用SAP84有限元分析软件，模拟计算了地下水水位下降、基坑开挖及本项目结构正常使用后，地铁车站主体、附属结构的变形，分析了本项目施工及使用过程中对既有结构的影响。
在受力分析过程中，采用“荷载-结构模型”，选用了三种不同计算工况，分别是工况一（地下水水位下降至基坑下，基坑未开挖，土体未卸载）、工况二（地下水水位下降至基坑下，基坑开挖卸载至设计标高）、工况三（地下水位回升至正常水位标高，主体结构施工完成，地面恢复）。
从计算结果来看，既有结构的轴力和弯矩都有不同程度的变化，且呈现出从工况一到工况二减小，工况二到工况三变化并不明显的趋势。对于本项目工程从开始场地降水的工况一，到施工中基坑开挖至设计标高的工况二，最后到本项目工程投入正常使用阶段的工况三，各工况下凤城五路车站既有截面抗剪验算、既有配筋的承载力验算及裂缝验算均能满足要求；施工过程中既有构件的竖向位移最大值约7.5mm，水平位移最大值约0.4mm，不会对地铁的正常运营产生显著影响。
另外，由于地下水位下降造成结构轴力下降较为明显，且工况一既有结构内力变化最大。考虑到场地范围内地铁车站施工过程中曾经降水，且降深大于本工程，因此建议在施工过程严密监测地下水位变化。
5 结 论
1）经验法判断，在合理设计本项目基坑支护体系的前提下，基坑开挖对西安地铁二号线凤城五路站地铁结构的影响可控。
2）经验算本工程基坑支护结构各项稳定安全系数满足规范要求，地表沉降及支护结构水平位移也满足规范要求。
3）结合类似工程的经验，采用数值模拟计算，本项目基坑工程会对邻近地铁车站结构的内力、变形产生影响，但这些影响在安全范围内。各项变形及差异变形满足控制指标要求，基坑工程施工对地铁结构安全造成的影响可控。
参考文献
[1] 《西安市城市轨道交通条例》
[2] 《地铁设计规范》(GB50157-2013)
[3] 《混凝土结构设计规范》 GB 50010-2010(2015版)
[4] 《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）
论文作者:马艳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第21期
论文发表时间:2018/1/3
标签：基坑论文; 地铁论文; 结构论文; 车站论文; 工况论文; 位移论文; 工程论文; 《建筑学研究前沿》2017年第21期论文;