摘 要：临近地铁结构基坑开挖过程中，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会导致附存于地层中的既有地铁车站及隧道结构发生移动和变形。变形过大时将会改变结构受力，影响结构自身安全和地铁运营安全。在基坑开挖前应当分析基坑开挖对地铁结构的影响程度，对基坑支护和开挖方案的合理性进行评价。文章结合实际工程，采用三维有限元数值计算的方法对基坑开挖过程进行了模拟，研究了基坑开挖过程中地铁结构所受影响。分析结果表明，现有的支护方案和开挖方案能够满足地铁保护的相应要求。
关键词：地铁保护；数值模拟；基坑开挖；支护结构
中图分类号：U231 文献标识码： A
1 工程概况
1.1工程介绍
图1 地下结构平面相对位置关系图
图2 垂直地铁线路方向剖面图
本工程场地内地层主要为粉质粘土，中、粗砂，砾砂和圆砾，地层参数见表1。拟建基坑底、地铁车站底板、区间隧道底板均位于⑤-3层；地铁车站底板位于⑤-3层；过街通道底板位于④-3-5层。
表1 地层参数表
场区地下水分两层，⑤-1粉质粘土为隔水层，其上为潜水，下部为承压水。由于隔水层局部连通，使承压水水头与潜水水位埋深基本相同。承压水水头与地下水水位埋深为5.50～8.00m，标高35.45～38.33m。地下水赋存于浑河新扇冲积形成的④-4层砾砂、④-5圆砾层、浑河老扇冲洪积形成的⑤-3中、粗砂和⑤-4砾砂层中。含水层渗透性强，渗透系数一般在50～110m/d之间，水力坡度约1‰左右。
2 安全性分析主要内容及标准
2.1 安全性分析重要性
本次研究的主要对象为地体车站和区间隧道的受力及变形，其主要特点在于：
（1）地铁车站和区间隧道已建成并投入使用，为了保证其正常的运营，允许结构变形极小。
2.2 安全性分析主要内容
（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基坑开挖对地铁车站和区间结构变形影响进行评价；
（2）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。
2.3 安全性分析标准
既有地铁安全运营的控制指标和标准应从结构变形、隧道结构稳定、建筑限界三个方面来考虑制定，且一般采用变形控制指标作为主要控制指标。
根据本工程地铁车站和区间隧道现状及周边环境情况，参考国内类似工程经验并结合理论计算分析，制定本工程变形控制指标及标准，见表2。
表2 地铁车站及区间隧道控制指标
3 三维有限元数值分析
采用MIDAS-GTS 4.2有限元计算软件，建立三维实体模型。
3.1 计算范围
本次分析重点为基坑开挖对地铁区间以及车站结构的影响。因此，评估范围的确定应以地铁区间和车站结构为出发点，同时考虑计算精度和减小边界效应的影响。本次安全评估范围，平行地铁隧道方向（东西向）取215m（包含约160m长度的地下商业街结构、约45m长度的地铁车站结构），垂直于地铁车站（南北向）取195m，深度取45m。
3.2 计算假定
在建模过程中，对部分条件进行了优化假设，考虑了以下基本假定：
（1）车站结构及基坑围护结构均为线弹性结构；
（2）地层简化为水平层状；
（3）施工期间，仅考虑水头（坑外取至地面，坑内取至开挖面），不考虑水力渗流作用的影响；
（4）采用施工步来模拟整个施工过程，不考虑时间效应。
3.3 本构关系及网格划分
本计算模型中土体采用D-P模型进行数值模拟。结构侧墙、顶板、中板、底板及围护结构均采用板单元；结构内部混凝土柱采用梁单元；基坑桁架撑采用梁单元。建模时土体部分选用四节点三维实体单元，有限元模型如图3所示，共划分71458个单元。