1. 引言
在岩石地层进行基坑开挖会引起下部地铁车站产生变形和受力响应，以往的研究大多针对变形问题进行分析。李平等 [1] 采用FLAC3D软件重点分析了基坑开挖对下方地铁隧道隆起的影响，发现盾构隧道刚度较低，位移较小时，其随着周围土层的变形而变形。孟祥筝 [2] 以长沙地区某基坑开挖工程为背景，采用有限元软件模拟二维平面模型施工过程，发现位于隧道正上方的基坑开挖引起隧道整体上浮，位于隧道侧上方的基坑开挖引起隧道水平移动。姜叶翔等 [3] 采用MIDAS有限元软件模拟杭州某项目深基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，认为在基坑与隧道间施作隔离桩能较好地控制隧道变形。徐腾飞 [4] 基于南昌地区某实际工程开展了数值模拟研究，研究基坑开挖对近接地铁车站的影响，发现相对于软土地区而言，砂土地层发生的卸荷回弹和土体位移都相对较小。张治国等 [5] 建立有限元模型，研究隧道埋深、隧道与基坑间距、地层地质、隧道外径等因素对隧道纵向变形的影响。
综合以上文献分析可知，目前，学者们采用数值模拟技术，开展了大量的基坑开挖对地铁车站围岩和支护结构变形的影响研究。然而，针对岩石地层深基坑开挖对下部地铁车站结构的力学响应分析研究较少。因此，本文将重点研究岩石地层深基坑开挖对下部地铁车站结构受力的影响。
2. 数值模型的建立
采用GTS NX建立有限元数值分析模型。岩土材料采用平面应变单元模拟，IV级围岩物理力学参数依据地勘资料和相关规范；地铁车站的初期支护、二次衬砌和基坑支护等结构单元采用梁单元模拟，材料参数依据相关设计文件。IV级围岩、车站初期支护、二次衬砌及基坑支护材料参数如表1所列。
研究对象分析模型范围为475 m × 180 m，地铁车站跨度25.4 m，高21.4 m，最大埋深55 m；深基坑开挖宽度125 m (垂直车站轴向)，开挖深度为0~50 m，每次分层开挖深度5 m。模型底面边界约束竖向和水平向位移，侧边边界约束水平向位移，上表面为自由边界。模型的网格划分如图1所示。
3. 模拟结果分析
为了研究深基坑开挖深度对下部地铁车站结构内力的影响，选取拱顶、拱腰、拱脚、边墙中部、仰拱脚部、仰拱底部6处(图2)的应力数据进行分析。
Table 1. Physical and mechanical parameters of rock strata and supporting structure
表1. 围岩及支护结构物理力学参数
Figure 2. Schematic diagram of measuring point position
图2. 分析测点位置示意图
3.1. 基坑开挖深度对初期支护的影响
基坑不同开挖深度地铁车站初期支护不同部位的应力变化如图3所示。
由图3(a)可以看出，随着上部基坑开挖深度的逐渐增加，初期支护拱顶截面的最大、最小主应力皆为压应力，其压应力先增大后减小，其变化(拐点)深度在深度20 m~25 m之间。
由图3(b)、图3(c)可以看出，地铁车站初期支护的拱腰、拱脚以及边墙中部的应力变化总体规律比较相似，均是随着基坑开挖深度的增加而增大并且出现了应力由负转正(由压应力转变为拉应力)的情况。由于混凝土抗拉强度相对较低，所以当基坑开挖深度较大时，会引起下部地铁车站初期支护局部产生拉裂缝。当基坑开挖深度为40 m时，初支拱脚处的最大拉应力为2444.4 kPa，边墙中部的最大拉应力为2773.2 kPa，均超过了C25混凝土抗拉强度标准值，混凝土将受拉产生裂缝。
由图3(d)可以看出，地铁车站初期支护的仰拱脚部同时存在拉应力区和压应力区。随着基坑开挖深度的增加，仰拱脚部的最小主应力变化不大，仰拱脚部的最大主应力呈现减小的趋势。
由图3(e)可以看出，车站初期支护仰拱底部的最大应力和最小应力的变化趋势比较接近，随着基坑开挖深度的增加而减小，且出现了由正转负的变化，以压应力为主。由于混凝土的抗压性能较好，所以基坑开挖对仰拱部位的影响较小。
通过地铁车站初期支护结构的应力云图可以直观的看出应力的变化情况。随着基坑开挖深度的增大，车站初期支护的最大应力变化云图如图4所示。
由图4可以看出，随着基坑开挖深度的增加，初期支护的拱腰以下及边墙区域的最大应力逐渐由负转正，出现拉应力；基坑开挖深度在0~40 m时拱顶部分压应力变化不明显，当基坑开挖深度超过40 m时，拱顶压应力呈现减少趋势，且趋势较明显；而仰拱部位的总体变化规律是压应力逐渐增大。
综上所述，随着基坑开挖深度的增加，下部地铁车站初期支护的受力持续发生变化。当上部基坑深度较大时，车站初期支护的拱腰以下及整个边墙，均出现了拉应力区，且数值较大，超过了混凝土的抗拉强度。当基坑开挖深度达到40m时，拱脚处的最大应力达到2444.4 kPa，边墙中部的最大应力达到2773.2 kPa，超过了C25混凝土的抗拉强度标准值。
3.2. 基坑开挖深度对二次衬砌的影响
基坑不同开挖深度地铁车站二次衬砌不同部位的应力变化如图5所示。
由图5(a)~(c)可以看出，地铁车站二次衬砌的拱顶、拱腰及拱脚的应力变化特征比较相似，对应二次图5衬砌的拱部区域而言，当上部基坑开挖深度较小时，其最大应力与最小应力均为负值，表示拱部区域处于受压状态。当上部基坑开挖深度 > 25 m时，拱腰处开始处于拉应力状态，此后随着上部基坑开挖深度的继续增加，二次衬砌的拱顶、拱脚处逐渐出现拉应力。二次衬砌拱部区域出现的拉应力较小，最大拉应力小于1.0 MPa。
由图5(d)可以看出，随着基坑开挖深度的增加，二次衬砌边墙中部的最大压应力逐渐减小，由5959.6 kPa减小到2719.3 kPa；当基坑深度小于30 m时，随着基坑深度的增加，边墙中部的最大拉应力由290.1 kPa增加到2084.2 kPa；当基坑深度继续增大时，最大拉应力的数值出现小幅下降。
由图5(e)可以看出，随着上部基坑开挖深度的增加，二次衬砌仰拱拱脚的最大压应力和最大拉应力整体呈现减小的趋势。其中最大压应力由4408.7 kPa减小到3035.3 kPa，最大拉应力由2419.1 kPa减小到263.9 kPa。可见，上部基坑的开挖在一定程度上能够减小二次衬砌仰拱拱脚部位的受力。
由图5(f)可以看出，在上部基坑开挖的过程中，二次衬砌仰拱底部始终处于受压状态，由于混凝土抗压性能较好，所以上部基坑的开挖对其影响较小。
通过地铁车站二次衬砌应力云图可以直观地看出应力的变化情况。随着基坑开挖深度的增大，地铁车站二次衬砌最大应力变化云图如图6所示。
由图6可以看出，随着上部基坑开挖深度的增大，下部地铁车站二次衬砌结构的受力持续发生变化。随着基坑的开挖，二次衬砌的边墙部位首先出现拉应力区，接着拱部也出现拉应力区，且拉应力呈现变大趋势。从应力数值上看，受上部基坑开挖的影响，初期支护产生的拉应力一般大于二次衬砌产生的拉应力，说明初期支护结构受到的影响大于二次衬砌结构受到的影响。但由于二次衬砌结构直接关乎地铁车站的安全，因此也需要在施工中重点关注，防止上部基坑开挖导致地铁车站二次衬砌出现大范围裂缝。
对于仰拱部位来说，随着上部基坑深度的增加，其存在拉应力区的部位逐渐变小，逐渐转为受压状态。由于混凝土抗压能力较好，所以上部基坑开挖对车站二次衬砌仰拱部位的影响较小。
从上文的分析中可以看出，基坑开挖深度的增大会导致地铁车站初期支护和二次衬砌的拱部及边墙区域产生局部受拉区，进而产生拉裂缝，且基坑开挖对下部地铁车站初期支护结构的影响一般大于对二
次衬砌结构的影响。产生以上现象的主要原因为，上覆基坑未开挖时，地铁车站及围岩处于受力平衡状态，基坑开挖后，打破了原有的应力平衡，引起应力重新分布。此时，由于隧道正上方的岩层自重荷载减小，承受上方岩层自重荷载的边墙和拱部部分区域便会由受压状态变为受拉，产生拉应力区。随着基坑开挖深度的增加，拉应力大小和范围也不断增加，当拉应力超过支护结构的最大抗拉强度时，支护结构便出现开裂、破坏等现象。同时，由于初期支护最直接的作用于地铁车站围岩，因此，基坑开挖对下部地铁车站初期支护结构的影响大于二次衬砌。
4. 结论
通过有限元二维数值模拟分析，发现上部基坑的开挖深度对下部地铁车站支护结构的受力有较大影响。基坑开挖深度的增加会导致初期支护和二次衬砌的拱部及边墙区域产生受拉区，进而产生拉裂缝。对于仰拱区域而言，上部基坑开挖会减小仰拱拱脚部位的受力并使仰拱底部的压应力增大，由于混凝土抗压性能较好，地铁车站仰拱部位所受影响较小。另外，基坑开挖对下部地铁车站初期支护结构的影响一般大于对二次衬砌结构的影响。