临近既有地铁车站的基坑变形性状研究_朱炎兵

文章编号：1000－7598 (2013) 10－2997－06

临近既有地铁车站的基坑变形性状研究

朱炎兵1，周小华1，魏仕锋2，谭 勇2, 3

3.同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063；2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092；

摘 要：通过36组二维有限元数值模拟，研究了不同参数（基坑与地铁车站距离D，基坑开挖深度He）组合下临近既有地铁车站的基坑变形性状，并与邻近无车站时的基坑变形性状进行对比分析。研究结果表明：（1）当邻近存在地铁车站时，靠近车站一侧的地下连续墙最大侧移量减小，另一侧的地下连续墙最大侧移量增加；（2）当基坑开挖深度接近或超过地铁车站底板埋深时，车站对远离车站侧的基坑墙后地表沉降的影响显著，但不明显改变地表沉降影响范围和最大沉降值位置；（3）D较小时，随着He的增大，地铁车站的“遮拦效应”越来越显著。而当D逐渐增大时，He对地铁车站“遮拦效应”的影响逐渐减弱。（4）地铁车站的存在与否对基坑远离车站侧最大地表沉降和最大地下连续墙侧移的比值（δevm / δehm）几乎没有影响，并且，该值受D与He的影响较小。

关 键 词：基坑；地铁车站；变形性状；参数化分析；遮拦效应 中图分类号：TU 470.3 文献标识码：A

Investigation on deformation behaviors of foundation pit

adjacent to existing metro stations

ZHU Yan-bing1, ZHOU Xiao-hua1, WEI Shi-feng2, TAN Yong2, 3

(1. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd., Wuhan 430063, China; 2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract: Deformation behaviors of foundation pits adjacent to metro stations in different parameter groups (the distance, D, between the existing metro stations and foundation pits, the depth of the excavations,He) were examined via 36 comprehensive two-dimensional finite element parametric studies, which were compared with those without metro stations nearby. On the basis of the numerical analysis results, some major findings were obtained: (1) Maximum deflections of diaphragm walls closer to the metro stations became smaller and those of another side became greater; (2) The existing of metro stations had a remarkable influence on the ground settlements behind the walls far away from the metro stations when He was closer to or greater than the depth of base slabs of metro stations. However, the settlement influence zone and the location of maximum ground settlement were not changed obviously; (3) As the increasing of He, the shielding effect of metro stations became significant gradually when D was small. Nevertheless, the effect of Heon the shielding effect weakened by degrees as D became larger; (4) The ratios of maximum ground settlements behind the walls of excavations far away from the metro stations over the corresponding maximum diaphragm wall lateral deflections, δevm / δehm, were almost not effected by the existing metro stations. Moreover, δevm / δehm were effected by D and He slightly. Key words: foundation pit; metro station; deformation behavior; parametric study; shielding effect

1 引 言

苏州是我国第一个开通地铁的地级市。随着其经济发展及城市化水平的快速提高，地面空间日趋饱和，在既有地铁车站周边开挖基坑的情况将越来越多，二者的距离也越来越近。在这类工程中，基坑-土-车站的相互作用，使得地铁车站与邻近基坑

的安全息息相关[1]。邻近基坑变形过大或坍塌，将引发周围土体迅速产生过大位移，从而可能造成地铁车站运营中断。通过对此类工程中基坑的变形性状加以研究，可以更好地指导实际工程中临近地铁车站的基坑的设计与施工。

近几十年来，许多专家学者对不同基坑的变形性状进行研究，取得了一系列研究成果。Peck[2]对

收稿日期：2013-03-24

基金项目：上海市教育委员会科技创新重点项目（No. 13zz027）。

第一作者简介：朱炎兵，男，1979年生，高级工程师，主要从事地下结构设计和研究工作。E-mail: mic2001@126.com

2998 岩 土 力 学 2013年

采用钢板桩和排桩作围护结构的基坑墙后地表沉降数据进行统计，首次提出预测墙后地表沉降的经验方法；刘建航等[3]以软土地区基坑为研究对象，阐述了基坑变形机制，并总结了基坑变形的计算方法；Hsieh等[4]根据地区10个基坑工程实例提出了三角形和凹槽型两种墙后地表沉降形态的预测曲线。2011年，Ou等[5]对该曲线进行修正；谭勇等[6

－7]

关于这方面的研究成果较少。李志高等[9]通过数值 模拟研究发现，地铁车站的存在减小了靠近车站侧的基坑地下连续墙的最大侧向变形量。同时，地铁车站的“遮拦效应”随着基坑与地铁车站间距（D）的减小而越发明显。然而文献[9]中只取1/2基坑模型进行计算，该模型的边界条件与实际工程中不符。并且，一些影响基坑变形性状的关键因素（如基坑的敏感性和其他重要变形性状（如墙开挖深度He）

后地表沉降）在文献[9]中尚未进行研究。本文将采，通过用PLAXIS[10] 8.5建立全基坑模型（见图1）36组二维数值模拟，研究不同（He，D）组合条件下，临近既有地铁车站的基坑自身变形及其对周围环境的影响。

60 m

D17 m

He

新建基坑

20 m

，

彭芳乐等[8]等分别对上海地区采用顺作法、逆作法狭长形地铁车站基坑，以及采用气压沉箱施工的盾构工作井基坑的变形性状进行研究。

当基坑临近既有地铁车站时，由于车站结构刚度大，对基坑周围土层位移传递具有一定的隔断作用，将使基坑的变形性状呈现出一些新特点。目前，

120 m

支撑

72 m 地下连续墙

既有地铁车站

300 m

图1 计算模型有限元网格图

Fig.1 FE-meshes used for analysis

2 土层参数

苏州地处太湖冲积平原区，场地第四系覆盖层厚度较大。其土层分布及主要物理力学参数如表1所示。地下水埋深在1.0～1.5 m范围内。

表1 土层物理力学参数

Table 1 Physico-mechanical parameters of soils

层号 ①2 ③1 ③2 ④1 ④2 ⑤ ⑥1 ⑥2 ⑥3 ⑦2 ⑧ ⑨ ⑩

土层名称 素填土 黏土 粉质黏土 粉土 粉砂 粉质黏土 黏土 粉质黏土 粉质黏土 粉土 粉质黏土 黏土 粉砂

厚度 3 3 2 2 7 5 2 6 4 8 20 2 8

3 计算模型

分析模型包含一个宽度为60 m的基坑以及一个标准的双层双跨岛式车站，如图1所示。基坑采用顺作法施工，开挖深度He取值范围为9～21 m，增量为4 m，共4个值；基坑与地铁车站距离D取值范围为5～40 m，增量为3～5 m不等，共9个值，因此，共有36组计算工况。计算模型边界距离基坑

ν 0.290.310.320.290.320.310.300.300.290.310.290.310.32

 19.2 19.8 19.2 18.7 19.1 19.1 20.1 19.6 18.9 19.1 19.3 20.3 19.3

c 35.00 53.25 27.38

 / (°) 11.31 17.23

Es / MPa 6.26 6.8010.14. 5.52 7.50 6.97 7.05 9.02 7.04 8.2713.25

/ m / (kN/m3) / kPa 围护结构120 m，模型二维尺寸为300 m×72 m。地表荷载取20 kPa；地铁车站站厅层和站台层荷载皆取8 kPa。模型侧面为位移边界，水平移动；底部为固定边界，水平移动和垂直移动；模型顶面为地表，取为自由边界。

地铁车站与基坑支护结构尺寸如表2所示。车站的楼板及墙体以及基坑的围护结构（地下连续墙）采用Plate单元模拟，基坑支撑采用Anchor单元模拟。各部分结构单元的EI或EA根据表2所示的尺寸计算获得。为准确模拟土层的变形，黏土采用考虑小应变的硬化土本构模型（HSS），各黏土层参数依据文献[11]推荐的方案选取；砂土采用摩尔-库

9.60 4.34

9.67 29.60 7.21 32.10 23.44 57.59 33.00 20.09 12.22 27.55 57.83

12. 13.69 16.16 18.32 24.86 13.94 14.22

6.70 31.41

注： 为土的重度；c为黏聚力；为内摩擦角；Es为压缩模量；ν为

泊松比。

第10期 朱炎兵等：临近既有地铁车站的基坑变形性状研究 2999

伦本构模型（M-C），根据文献[10]所述，M-C模型中各砂土层的弹性模量（Eref）等于HSS模型中该层的E50。

武朝军等[12]分析了苏州地区若干地铁车站基坑监测数据。统计结果表明，围护结构的最大侧移

量变化范围为（0.05%～0.30%）He，平均值为0.16%He。在开始参数化分析前，采用所取参数对只有基坑的模型进行试算。试算结果表明，当基坑开挖深度分别为9、13、17、21 m时，地下连续墙最大侧移量与文献[12]的实测统计平均值十分接近。

表2 地铁车站和基坑尺寸

Table 2 Size of each member of a metro station and a foundation pit

顶板 埋深 / m 3.0

底板 埋深 / m 17.0

既有地铁车站 地下

内衬墙顶板

宽度 连续墙

插入比 厚度 厚度/ m 厚度

/ mm / mm

/ mm 20

0.8

1 000

700

900

中板厚度/ mm400

底板厚度/ mm1 000

邻近新建基坑 地下

混凝土

连续墙

插入比支撑截面

厚度

/ mm2 / mm 0.8

1 000

800×1 000

钢支撑截面 外径

/ mm609

厚度/ mm16

柱截面 / mm2 700×1 000

宽度/ m60

6050

武朝军等[12] 本文邻近有车站邻近无车站4 计算结果分析

为了更好地理解临近既有地铁车站的基坑变形性状的新特点，在以下的分析中，将纳入邻近无车站时的基坑变形性状，与邻近有车站时的情况进行对比。

4.1 地下连续墙最大侧移量

当基坑附近不存在地铁车站时，基坑两侧地下皆等于0.16%He。然而，连续墙最大侧移量（ehm）当邻近存在地铁车站时，基坑右侧（靠近地铁车站一侧，下同）地下连续墙最大侧移量平均值明显减。基坑左侧（远小，为0.13%He（如图2(a)所示）

离地铁车站一侧，下同）地下连续墙最大侧移量平

ehm / mm ehm / mm ehm(max) = 0.30% He ehm(max) = 0.19%He

ehm(avg) = 0.16% Heehm(avg) = 0.13% Heehm(min)= 0.08%He

ehm(min) = 0.05%He

4030201000

510

15

He / m

2025

(a) 基坑右侧

60504030201000

5

1015He / m

20

25

武朝军等[12] 本文邻近有车站邻近无车站ehm(max) = 0.30% He ehm(max)=0.25%He

ehm(avg) = 0.18% Heehm(avg) = 0.16% He

ehm(min) = 0.12% Heehm(min) = 0.05%He

。基均值明显增大，为0.18%He（如图2(b)所示）坑左右两侧ehm平均值有所增减，表明地铁车站的存在对基坑地下连续墙的侧向位移产生了一定的影响。

基坑右侧ehm平均值减小是由于地铁车站的“遮拦效应”造成的。车站结构刚度大，对基坑右侧土层位移传递具有一定的隔断作用，因而基坑右侧地下连续墙的位移较小。这时，基坑支撑体系的不动点由邻近无车站时的中间位置向右移动，因此基坑左侧地下连续墙位移增大。同时，由图2可以看出，当基坑与地铁车站距离D较小时，随着基坑开挖深度He的增大，地铁车站的“遮拦效应”越来越显著。以D5 m的工况为例，当He9 m时，右侧ehm减小29.3%；当He21 m时，右侧ehm减小54.7%。而当D逐渐增大时，He对地铁车站“遮拦效应”的影响逐渐减弱。 4.2 墙后地表沉降

基坑左侧墙后地表沉降曲线如图3所示。可以 看出，当基坑开挖深度不大（He9 m，He13 m）

(b) 基坑左侧

图2 地下连续墙最大侧移量

Fig.2 Maximum lateral deflections of diaphragm walls

时，地铁车站的存在对基坑左侧地表沉降的影响较小；而当基坑开挖深度接近或者超过地铁车站底板埋深（He17 m，He21 m）时，地铁车站的存在对基坑左侧地表沉降的影响较为显著。以D5 m的工况为例，当He9 m时，墙后最大地表沉降值（evm）增加了13.1%；当He21 m时，evm增加了38.1%。这是由于当He较小时，在基坑开挖面同一水平线上对应的是地铁车站的主体结构，由于其刚度大，自身变形变化小，并且对坑周土体位移的

3000 岩 土 力 学 2013年

整体能力较强，因而evm受D的影响较小；而当He接近或超过底板埋深时，在基坑开挖面同一水平线上对应的是车站底板以下的地下连续墙部分，其刚度远不如主体部分，自身变形变化相对较大，且对坑周土体位移的整体能力相对较弱，因而

图4为基坑左侧墙后地表沉降最大值（evm）与基坑开挖深度（He）的关系。可以看出，当邻近不存在地铁车站时，evm变化范围为（0.07%～0.13%）He，平均值为0.1%He。当邻近存在车站时，evm变化范围为（0.06%～0.18%）He，平均值为0.11%He，略高于邻近无车站时的情况。

5040

邻近有车站邻近无车站邻近有车站邻近无车站evm受D的影响较为显著。

由图3可以看出，地表沉降影响范围达到墙后最大地面沉降值出现在（0.8～1.0）He（4～6）He，

位置处。虽然地铁车站的存在对左侧墙后地表沉降

evm(max) = 0.18%He

evm(max)= 0.13%Heevm(avg) = 0.11% He

evm(avg) = 0.12% Heevm(min)= 0.07%He

evm(min) = 0.06%He

evm / mm 值的影响较大，但不显著改变地表沉降影响范围和最大沉降值位置。随着He的增加和D的减小，主要影响区[4]内的沉降曲线逐渐趋于Hashash等[13]以及Clough等[14]所提出的预测曲线重叠部分边界线。当He21 m，可将该边界线当作基坑左侧墙后主要影响区的沉降曲线包络线。

右侧有车站

右侧无车站 0 1

2

Clough等[14] Hashash等[13] D / He

3 4 5

30201000

510He / m

1520 25

图4 基坑左侧墙后地表沉降最大量

Fig.4 Maximum ground settlements behind left walls

6

0.000.050.100.150.200.25

4.3 基坑左侧evm与ehm的关系

对比图2(b)和图4可以发现，当基坑开挖深度不大时，基坑左侧evm与ehm的变化并不明显，仅围绕邻近无车站时的指标值小幅波动；然而当开挖深度接近或超过车站底板埋深时，evm与ehm的变化较为显著。二者的变化规律十分相似，说明evm与

(v / He) / % (a) He = 9 m

D / He

1 2 3

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

045 6

ehm间联系紧密。由图5可以看出，evm/ehm几乎

不受地铁车站的影响，并且，该值受基坑开挖深度

(v / He) / % (b) He = 13 m

D / He

1 2 3He与基坑和地铁车站距离D的影响较小，变化范围稳定在0.5～0.7范围内。这主要是由于，无论基坑右侧是否存在地铁车站，其左侧墙后土体移动方向几乎相同。如图6所示，移动的土体主要贡献给

45 60.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0地下连续墙的侧向位移，只有极少部分土体绕过地下连续墙底部进入坑内。因此，基坑左侧evm/ehm稳定在一个较小的范围内。

(v / He) / % (c) He = 17 m

D / He

1 2 30.200.15

邻近有车站邻近无车站evm = 0.7ehm 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

045 6(v / He) / % evm / He 0.100.05

evm = 0.5ehm(d) He = 21 m

主要影响区 次要影响区 0.00

0.00

0.050.100.15 0.20 0.250.30

ehm / He

图3 基坑左侧墙后地表沉降曲线

Fig.3 Curves of ground settlement profiles

behind left walls

图5 基坑左侧evm与ehm的关系 Fig.5 Relationships between evm and ehm

of left side of foundation pit

第10期 朱炎兵等：临近既有地铁车站的基坑变形性状研究 3001

左侧墙后地表

（6）当D较小时，随着He的增大，地铁车站的“遮拦效应”越来越显著。而当D逐渐增大时，

坑内坑底

地下连续墙

He对地铁车站“遮拦效应”的影响逐渐减弱。

参 考 文 献

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(a) 右侧无车站

左侧墙后地表

地下连续墙

坑内坑底

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(b) 右侧有车站

图6 地层移动矢量图

Fig.6 Vector diagrams of ground movements

5 结 论

（1）当邻近存在地铁车站时，靠近车站一侧的基坑地下连续墙最大侧移量变化范围为（0.08%～

0.19%）He，其平均值减小为0.13%He；而远离车站一侧的基坑地下连续墙最大侧移量变化范围为

（0.12%～0.25%）He，其平均值增加为0.18%He。

（2）当基坑开挖深度接近或超过地铁车站底板埋深时，地铁车站的存在对远离车站侧的基坑地下连续墙最大侧移量及墙后地表沉降的影响显著。 （3）地表沉降影响范围达到墙后（4～6）He，最大地面沉降值出现在（0.8～1.0）He位置处。地铁车站的存在与否并不明显改变远离车站侧的基坑墙后地表沉降影响范围和最大沉降值位置。 （4）当邻近不存在地铁车站时，远离车站侧基坑墙后地表沉降最大值变化范围为（0.07%～

0.13%）He，平均值为0.1%He。当邻近存在车站时，该值变化范围为（0.06%～0.18%）He，平均值为0.11%He。

（5）地铁车站的存在与否对远离车站侧基坑的

evm/ehm几乎没有影响。并且，该值受D与He的

影响较小，变化范围稳定在0.5～0.7范围内。

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