单侧大规模开挖下既有地铁站失稳风险的试验研究

为何在地铁旁边开挖会有风险

随着城市新增地铁线路和地下商场，施工方常常需要在正在运行的车站旁进行大规模开挖。乍看之下，这些车站像坚固的地下要塞，但当土体仅在一侧被移除时，地下的压力平衡会发生变化。本研究提出一个直接关系到安全的实际问题：在既有运营地铁站一侧，工程师可以在多宽、多深的条件下开挖，而不会导致车站倾斜、附近道路开裂或周边建筑失稳？

以真实车站为原型的实验

研究以中国成都的金城广场站为背景，该站是三条地铁线路的地下枢纽。已建成的一条线旁需进行一处大体量的新开挖，暴露出车站的一侧长侧墙。为在正式施工前评估风险，作者制作了车站及周围软岩土的精细缩尺模型。按1:100的比例，他们在实验室内放置透明土槽，内嵌由刚性塑料制成的微型车站，并分步、有控制地对土体的一侧进行“开挖”。

观察微型车站的位移与应变

模型按真实工地布置了监测仪器。位移计跟踪车站顶板的竖向与横向位移；挡墙后方的压力传感器测量土体对墙体的推力变化；墙体上的应变计记录结构的拉伸或压缩。团队设计了28种不同的开挖工况，组合了四个深度与七个单侧开挖宽度，范围从较小基坑到贯通车站全长的开挖。每一步小幅开挖后，等待土体沉降稳定，再记录新的变形、压力和应变数据。

一侧过度开挖会发生什么

试验表明，车站顶板的竖向沉降在所有试验工况下都很小且在安全限值内，车站几乎不下沉。真正的危险来自横向位移。随着单侧开挖加深加宽，车站逐渐向坑侧倾斜。当开挖深度超过车站高度的大约三分之二时，倾斜变得明显。开挖宽度约为车站宽度的一半到等宽时，横向位移达到警戒水平；在更大宽度（在真实工程中相当于约100米及以上）时，侧向变形超过规范安全阈值，意味着无法保证列车的正常运行。

上方土体松散，下方被挤压

土体本身也表现出有意义的响应。随着车站倾斜，开挖墙后浅层土体与结构失去接触而变得松散，那里土压力显著下降——在极端工况下降幅可达约98%。同时，靠近墙基部的深层土体被压实，压力在压缩带中增大。这种“上松下实”的组合意味着表层土体不再能安全支撑路面或建筑基础，提高了道路塌陷或高层建筑倾斜的风险，尽管车站的混凝土外壳仍有足够的强度且未出现裂缝。

为施工方提供的实用风险分区图

由于横向倾斜是最敏感的故障指示量，作者据此构建了一个简单的风险分区图。该图将开挖深度与宽度的组合分为四个颜色等级：A（无风险），可正常施工；B（一般风险），需加强监测；C（高风险），应暂停施工并进行安全评估；D（重大风险），需立即采取应急措施。将该方法回代到金城广场工程，该方法准确预测了在计划开挖22米深、80米宽时的高风险C区；增设加固措施后，实际观测到的车站位移约下降了三分之二。对城市规划者和工程师而言，本研究把复杂的地下力学问题转化为一个实用且易用的工具，以在大规模开挖时保护地铁站及周边建筑的安全。

引用: Zhou, F., Zhou, P., Cao, K. et al. Experimental study on the failure risk of existing metro station under unilateral large-scale excavation. Sci Rep 16, 5701 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36698-6

关键词: 地铁站安全, 深基坑开挖, 地面变形, 城市隧道工程, 风险评估