地铁车站临近深基坑开挖安全评估

　　摘要通过有限差分软件FLAC3D对已建地铁车站附近高层建筑物深基坑开挖进行数值模拟，分别得到在基坑在设计支护条件下开挖工况及施加建筑物上部荷载工况下现存临近地铁车站出入口结构的应力及位移状态。经计算分析可知该深基坑开挖及建后使用造成的地铁车站结构应力改变及变形、位移均满足安全要求。
　　【关键词】FLAC3D 深基坑 地铁车站
　　1 FLAC3D软件简介
　　FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)是由美国ltascaconsultingGrouPInc.开发的显式有限差分法程序，采用适合于模拟大变形问题的拉格朗日方法，即模型单元网格随着变形而不断更新。FLAC3D使用显式有限差分方法求解，避免了有限元方法中隐式矩阵解算微分方程而使用显式方法按时间递步解算代数方程，不需要建立刚度矩阵省去了求解大型联立方程组的步骤，节约了大量计算资源。
　　由于FLAC3D采用全动力学运动方程，可以分析和计算非稳定过程。FLAC3D采用完全非线性分析方法，具有适用于任何指定的非线性本构模型，可以自动计算永久变形，采用合理塑性方程，使得塑性应变增量与应力相联系等优点。FLAC3D在计算岩土大变形问题上有其特别的优势。
　　2 建模
　　2.1 工程概况
　　拟建建筑物地上建筑物2-22层，高30.3-86米，地下室深度8.5-13.4米，基坑开挖最大深度13.4米。临近地铁车站为明挖法，顶板覆土厚度约为4~5.4米。地铁车站2号出入口离基坑最近，受基坑开挖影响最大，基坑边缘距离2号出入口外侧墙为8.58m，基坑边缘距离车站主体结构外侧墙为45.8m。
　　2.2 模型建立
　　本次计算的模型以车站轴线方向为x轴，竖直方向为y轴，水平垂直于车站轴线方向为z轴，主要建模对象为距离航院基坑最近的陵西站2号出入口、航院基坑整体及其围护结构。总体模型在x轴方向长400m，z轴方向宽180m，y轴方向高40m。其中基坑长250m，宽108m，为了模拟最危险工况，基坑深度取其最大值13.4m。地铁车站及其附属结构物按C30钢筋混凝土。基坑支护桩及冠梁按C25钢筋混凝土考虑。此次计算模型共生成134761个单元，26562个节点，出入口模型如图1所示。
　　3 计算及结果
　　3.1 工况1：基坑有围护开挖状态
　　基坑有围护开挖状态，即模拟基坑在正常的维护结构下开挖。基坑临近地铁出口段，坑侧部分采用双排桩形式支护，桩间旋喷加固，部分深挖段采用桩顶放坡并多支点排桩联合支护体系，坡顶和桩间土采取挂钢筋网喷射混凝土保护。施加围护后开挖基坑，计算后可得地铁出入口结构各方向位移变形图，如图6-8所示。
　　由图2-4可知，在基坑有围护开挖状态下，地铁出入口结构所受最大压应力为3.02MPa，最大拉应力为1.24MPa，最大沉降变形2.25mm，最大隆起变形为0.75mm，横向位移最大值1.26mm，纵向位移最大值1.14mm。
　　3.1 工况2：建筑物建成后施加上部结构荷载状态
　　建筑物建成后施加上部结构荷载状态，模拟建筑物建成之后对地铁车站的影响。建筑物结构自重荷载主要由建筑物结构自重及活荷载组成，根据建筑物结构信息及施工信息，以及《建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）》中提供的民用建筑楼面均布活荷载标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，住宅楼活荷载标准值为2.0kN/m2，商店活荷载标准值3.5kN/m2，健身房楼面活荷载4.0kN/m2。建筑物恒载根据建筑物结构自重计算。
　　由图5-7可知，在建筑物建成后施加建筑物上部荷载的工况下，地铁出入口结构所受最大压应力为2.03MPa，最大拉应力为0.99MPa，最大沉降变形2.68mm，横向位移最大值2.03mm，纵向位移最大值1.24mm。
　　4 结论
　　本论文利用FLAC软件对临建高层建筑物基坑的地铁出入口进行数值模拟，得到如下主要计算结论：
　　（1）在基坑开挖过程中通过在坑侧部分采用双排桩、桩间旋喷加固、桩顶放坡、挂钢筋网喷射混凝土等支护措施，地铁出入口结构在有围护措施开挖状态下的压应力和拉应力均小于混凝土轴心抗压和轴心抗拉强度设计值，最大竖向变形小于其沉降控制标准，结构的强度和变形满足规范要求，是安全的。
　　（2）在建筑物建成后施加建筑物上部荷载的工况下，地铁出入口结构在施加建筑物上部荷载的状态下的压应力和拉应力均小于混凝土轴心抗压和轴心抗拉强度设计值，最大竖向变形小于其沉降控制标准，表明车站结构在有围护措施开挖状态下的强度和变形满足规范要求。
　　综上所述，该建筑物基坑开挖会引起地铁车站及其附属结构的受力发生改变，进而引起结构发生变形，但在正常施工条件下采取适当支护措施后，基坑开挖引起的地铁车站及其附属结构的受力满足混凝土结构强度要求，其变形满足控制标准。
　　
　　参考文献
　　[1]张国亮.紧邻既有线地铁车站深基坑工程稳定与变形特性研究[D].长沙:中南大学,2012.
　　[2]周兆平,马志磊,陆锴.毗邻超大深基坑的地铁保护技术研究[J].建筑施工,2013.
　　[3]郑宜枫,周拥军.运营中地铁隧道受紧邻基坑开挖影响的动态监测[J].大直径隧道与城市轨道交通工程技术——2005上海国际隧道工程研讨会文集,2005.
　　[4]唐长东,杨小平,刘庭金.紧贴地铁车站单侧深基坑的施工方案对比研究[J].地下空间与工程学报,2013.
　　[5]谢弘帅.深基坑开挖对临近地铁车站基坑影响的有限元计算分析[J].上海地质,2009.
　　
　　作者单位
　　1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海市201804
　　2.中国矿业大学（北京）北京市100083