基坑開挖對臨側(cè)的地鐵隧道影響研究*

賈瑞晨

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學院，湖南 衡陽 421001）

1 基坑開挖對地鐵隧道影響原理

開展基坑開挖會對作業(yè)區(qū)域下部巖土造成卸荷影響，如果作業(yè)時沒有采取有效的應對措施，將會破壞原有巖土作用力的平衡，由此出現(xiàn)的回彈力也會對坑底土體造成不利影響，基坑周邊圍護構(gòu)造發(fā)生改變，并會出現(xiàn)上隆的情況，最終造成地鐵隧道產(chǎn)生位移以及變形。通常情況下，隨著基坑開挖程度的增進與工程作業(yè)的不斷深入，基坑內(nèi)部和外部的巖土高低落差不斷擴大，現(xiàn)場作業(yè)困難程度不斷加深，發(fā)生危險的概率也會不斷增加。若基坑開挖區(qū)域附近或下部位置沒有進行有效防護，會導致坑底巖土出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，地鐵隧道面產(chǎn)生縱向形變。因基坑開挖作業(yè)而產(chǎn)生的卸荷將會使地鐵隧道附近區(qū)域的應力平衡產(chǎn)生變化，導致隆起發(fā)生形變，一方面必須要由現(xiàn)場作業(yè)人員對基坑開挖過程有足夠的掌控，另一方面也需要技術(shù)部門對應力變化情況進行分析和計算[1]。

具體而言，在施工手段方面，需要首先依據(jù)現(xiàn)場實際情況，將工程分為若干步驟來進行，作業(yè)單位需要在基坑開挖過程中重點關(guān)注巖土的變化情況，最大限度地防止應力偏載現(xiàn)象產(chǎn)生而導致土體回彈。與此同時，在土體回彈無法徹底防止的情況下，相關(guān)作業(yè)者需要及時關(guān)注回彈力變化情況，并對卸載面積大小與形狀二者之間的關(guān)聯(lián)情況進行計算。

1.1 基底隆起

在基坑底部開展坑體垂直方向開挖時，由于開挖坑體基底土壤固體力場發(fā)生變化，導致開挖坑體基底底部土體力場向上傾斜隆起。基底上的隆起主要可以分為土體塑性上的隆起與土質(zhì)彈性上的隆起。彈性上的隆起一般在坑底基坑內(nèi)部開挖深度比較淺時發(fā)生；隨著坑底基坑不斷向下深入開挖，基坑內(nèi)外與坑底地面之間產(chǎn)生高度差，受基坑地面土體承載能力的較大影響，坑底基坑外的塑性土體直接流入深坑基底，進而直接造成坑底基坑內(nèi)部塑性上的隆起，見圖1。

圖1 基底隆起變形

1.2 基底隆起形成原因

基坑開挖前，土體已經(jīng)形成一個穩(wěn)定、平衡的受力場，但在基坑開挖后，土體本身平衡的受力場被打破，土體受到的負荷被卸載后，引起基底回彈。回彈后的基底土體過于疏松，進而加劇了基底的土體隆起。當基坑開挖到一定深度時，地面上的各種超載逐漸增多，與基坑內(nèi)外土體形成表面高度差，坑外的土進入到基坑當中，從而造成基底隆起[2]。

1.3 圍護結(jié)構(gòu)

基坑擋墻圍護結(jié)構(gòu)主要對建筑基坑擋墻開挖時期所產(chǎn)生的土壤內(nèi)壓力與開挖水體的壓力進行綜合承受，并同時支撐開挖水體的壓力和土壤的壓力，其是目前臨時建筑施工中的一種常見擋墻圍護結(jié)構(gòu)。在高層建筑工程中，基坑夾層圍護結(jié)構(gòu)主要類型有：地下夾層連續(xù)墻、自立式鋼筋水泥夾層擋土墻、沉井式壓箱法、組合式、柱列式、板樁式。

1.4 圍護結(jié)構(gòu)變形

在連續(xù)開挖一個基坑時，基坑外的基層土體結(jié)構(gòu)受原始地層力場的較大影響，會沿著基坑水平面的方向移動，當發(fā)生較大地層應力移動時，基坑圍護結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形。圍護結(jié)構(gòu)中的變形通常有組合式運動位移、拋物線式運動位移、懸臂式運動位移3種運動形態(tài)。懸臂式基坑位移通常在大型基坑基礎(chǔ)開挖中應用，操作相對簡單，無需過多地進行基礎(chǔ)支撐部件安裝。當使用懸臂式墻體結(jié)構(gòu)的基地墻體作為基坑的墻體圍護結(jié)構(gòu)時，對墻體的剛性沒有過多要求。該基地墻頂?shù)膲w受力支撐構(gòu)件在橫截面上的基坑內(nèi)力矩和層向移動量的值都應該是最大的，導致該基地層向所在基坑內(nèi)的墻體水平方向移動形成懸臂式結(jié)構(gòu)位移。然而拋物線式受力位移支撐為手動設(shè)置，在整個柔體圍護墻體的受力支撐構(gòu)件橫截面屬于力矩最大節(jié)點處的受力支撐，在柔體墻頂方向移動的力值不變或墻體基坑內(nèi)逐漸發(fā)生變形的運動狀態(tài)下，整個圍護柔體墻的中間部分向墻體基坑內(nèi)的方向快速移動，呈現(xiàn)出拋物線式的形狀[3]。但一般實際情況下，在橋梁施工建設(shè)過程中，需要安裝多重構(gòu)件支撐橋梁結(jié)構(gòu)，進而導致組合式圍護結(jié)構(gòu)變形。由于第一層支撐結(jié)構(gòu)比較接近地面，大部分測量數(shù)據(jù)是在第一層支撐結(jié)構(gòu)安裝完后得到的，因此實測數(shù)據(jù)是懸臂式位移偏小，組合變形的形成比較困難，往往會發(fā)生向拋物線式位移偏移，見圖2。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)變形

1.5 地表沉降

基坑開挖的巖土開挖施工中，基坑周圍地表巖土層被擠出或者變得松弛，導致基坑缺乏巖土支撐，容易出現(xiàn)地表巖土下沉的異常現(xiàn)象。三角形土體沉降和基坑凹槽形土體沉降一般是基坑地表土體沉降的主要表現(xiàn)形式。在實際基坑開挖中，由于圍護結(jié)構(gòu)墻的位移較大或者由于懸臂巖開挖時大部分區(qū)域會同時出現(xiàn)一些三角形土體沉降，這些三角形土體沉降問題會隨著基坑圍護結(jié)構(gòu)墻的土體水平應力位移不斷由小變大，周圍的土壤地層由于土體的應力變形也隨之不斷變大。凹槽式沉降可能會發(fā)生，其與對墻底基層土體剛硬柔軟程度的影響大小，或者與基坑以及圍護結(jié)構(gòu)的墻體入土縫隙深度大小有關(guān)，地表沉降形態(tài)見圖3。

圖3 地表沉降形態(tài)

2 基坑開挖對地鐵隧道變形影響控制

2.1 圍護結(jié)構(gòu)施工

地鐵隧道施工區(qū)域內(nèi)進行的圍護結(jié)構(gòu)施工是深基坑支護體系的重要部分。通常情況下，選用的圍護形式有鉆孔灌注樁和地下連續(xù)墻。筆者將著重闡述鉆孔灌注樁的圍護結(jié)構(gòu)。第一，施工人員于基坑開挖之前對附近的情況開展調(diào)研，對作業(yè)區(qū)域附近的地質(zhì)、水文資料進行匯總、梳理和分析，在確有必要的情況下進行試驗鉆孔，檢驗作業(yè)場地是否具備干鉆環(huán)境要求和條件。相較于其他類型的作業(yè)方式，干鉆施工作業(yè)時間更短，且過程更容易控制。需要注意的是當塌孔或地質(zhì)發(fā)生變化時，需要運用泥漿護壁保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。另外，需要依據(jù)作業(yè)圖紙和相關(guān)測量規(guī)定對作業(yè)現(xiàn)場開展測量放線工作，檢驗場地基準點、基準線、測量軸線和樁的位置及地面標高；在完成定位之后，需要埋設(shè)護筒，設(shè)置鉆機成孔，短進尺、多回次重復循環(huán)；清孔結(jié)束后開展成孔檢測工作，把預先制作完畢并符合相關(guān)檢驗要求的鋼筋籠下放到位，澆筑混凝土。

2.1.1 地下連續(xù)墻

地下建筑連續(xù)墻挖槽是現(xiàn)代建筑施工中一種比較常用的地下挖槽施工方式，主要是沿著地下開挖建筑工程的地下周邊軸線，在地下泥漿和保護壁的帶動作用下，開挖機鑿出一條地下深槽，將深槽全部清理干凈后，把整塊鋼筋籠放入這條深槽中，然后將鋼筋混凝土全部灌入，從而直接形成一個地下單元槽。以此類推，在地下可以形成一道堅固的多層鋼筋混凝土保護墻體，具有有效承受地下重力、防止地下滲水、攔截地下水流、阻擋地下水流的重要作用。

2.1.2 鉆孔灌注樁

通過采用機械人工鉆孔、鋼管道壓擠混凝土或人工挖掘等多種方式在一塊地面上直接形成多個樁孔，并將由鋼筋混凝土砂漿灌制而來的圓形樁柱直接放置其中。鉆孔液壓灌注樁產(chǎn)品適用范圍廣，可應用于各種建筑地基，在建筑過程中工作噪音偏小。在一些土質(zhì)比較松軟的混凝土區(qū)域或在進行樁樁建造時，容易發(fā)生塌孔，也容易出現(xiàn)樁孔偏斜等不良現(xiàn)象，進而直接影響混凝土鉆孔樁及灌注施工樁的建造成功率。

2.2 基坑地下排水的主要使用方法

基坑地下排水的主要使用方法有明溝地下排水、盲溝地下排水和井點地下降水。井點集中降水處理是通過人工建造多個分散式排水管，將地下水統(tǒng)一輸送到集中排水井內(nèi)，主要將開挖土體中地下水層內(nèi)部滲出的地下水進行集中，對集中排水井土體中的地下水可以采用水泵等機器設(shè)備進行集中排水。當開挖基坑整體開挖程度不深時，利用各種水泵將開挖溝槽內(nèi)或開挖基坑內(nèi)的地下水統(tǒng)一抽走的這種方法通常被稱作開挖明溝明坑排水方法，開挖盲溝盲坑排水一般與明溝明坑排水相互結(jié)合。明溝明坑主要由砂和石等卵石材料組成，建設(shè)在高層建筑物的周圍。

2.3 分塊對稱開挖

流變性是基坑工程地區(qū)土壤的重要特征，因此需要根據(jù)“時空效應原理”，運用分層、分段、分塊、留土壁、限時對稱平衡開挖的具體方法，在施工過程中將開挖與支撐同時進行。除此之外還可以運用澆搗墊層法。在土方開挖時，必須精準把握土方量，防止超挖，還需要按時監(jiān)測水平支撐，一旦出現(xiàn)松動情況，需立即加固以恢復軸力。

2.3.1 準備工作

對土方開挖現(xiàn)場情況進行徹底勘察，將土方地面上的障礙物徹底清理干凈；將已經(jīng)測量好的底層基準設(shè)施保護建立起來，保障開挖土方基層開挖準備工作能夠順利進行；把土方開挖時的機械、人員、施工地的用水、用電及其他基礎(chǔ)設(shè)施安全工作準備充分。

2.3.2 清表

應將現(xiàn)場清除工程垃圾處理范圍內(nèi)的所有雜草、石塊、表層腐殖土等灰塵雜物清理干凈，壓實，清除工程處理后的厚度一般不得大于0.3 m，利用機動車、自卸車或垃圾車將現(xiàn)場清除工程處理排放出來的工業(yè)垃圾廢渣運輸至相應的大型工業(yè)垃圾廢渣場及污水收集處理廠。

2.3.3 土方開挖

依據(jù)招標人指定的范圍進行土方開挖，將開挖出來的土體運輸至指定地點。堆土高度不得高于國家高程基準。

2.3.4 土方外運

利用自卸車或汽車將連續(xù)開挖出來的土方運送到指定的土方堆放處理地點，在這些土方連續(xù)開挖運行過程中，對運輸可能涉及的道路路段，依照相關(guān)城市路政管理部門的要求及時進行清掃，避免運輸過程中可能造成的道路污染。

2.4 施工監(jiān)測

在具體基坑開挖施工過程中，有的施工主體為了降低施工成本、減少作業(yè)時間，以提升工程經(jīng)濟性為目的，在風險管理方面工作不到位。因此相關(guān)監(jiān)管部門需要對工程加強監(jiān)管力度，施工主體不僅需要嚴格根據(jù)相關(guān)規(guī)范進行施工，還需要建立應急預案防止事故發(fā)生。通常情況下，基坑開挖過程中的關(guān)鍵檢測環(huán)節(jié)涉及樁體水平豎向位移、深層土體位移、支撐軸力監(jiān)測等多個方面，需要制作檢查報表，以待追溯[4]。

2.4.1 豎向位移監(jiān)測

通常可以采用坑底液體靜態(tài)壓力水準測量或液體幾何水準測量等檢測方法來進行坑底豎向物體位移高度監(jiān)測，通過直接設(shè)置壓力回彈器等檢測傳動設(shè)備，將液體幾何測量水準與壓力傳遞到較高程度的輔助檢測設(shè)備，通過配合對埋在坑底的隆起物體進行位移監(jiān)測。依據(jù)基坑豎向立體位移自動報警器數(shù)值公式來精確衡量建筑基坑豎向圍護結(jié)構(gòu)與基坑豎向立體位移自動監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的操作精準度。

2.4.2 傾斜監(jiān)測

傾斜監(jiān)測裝置的檢測對象為基坑圍護結(jié)構(gòu)，根據(jù)監(jiān)測值，利用公式計算出基坑圍護結(jié)構(gòu)水平移動值和高度差。傾斜監(jiān)測裝置主要采用水平角法、前方交會法、正垂線法、差異沉降法、投點法等方式進行監(jiān)測。

2.4.3 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測

對鋼筋混凝土支撐力的監(jiān)測應采用混凝土變形計或鋼筋應力儀進行測量；對圍墻、護樁等護欄結(jié)構(gòu)應采用預留法對主筋鋼筋焊接式應變計進行測量。基坑挖掘過程中，應在支護結(jié)構(gòu)的表面或內(nèi)部安裝應力計，用于測量支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。然而，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測的精確度受溫度變化影響，鋼筋混凝土支撐應考慮到混凝土收縮變化和裂縫的開展。

2.4.4 地下水位監(jiān)測

對于地下水位監(jiān)測，通常利用設(shè)置在孔口內(nèi)的水位管和利用地下計等測量方法對地下水位進行檢測，并保持在不低于10 mm的范圍內(nèi)進行檢測。

3 結(jié)束語

地鐵隧道附近區(qū)域開展基坑開挖施工較為復雜，困難較多。不僅施工單位需要采取相應措施，予以高度重視，設(shè)計部門也需要通過各種手段提升工程質(zhì)量，降低變形風險。