探析基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道的影響

龐宇飛

（山西冶金巖土工程勘察有限公司， 山西 太原 030000）

近年來， 城市道路工程中頻頻出現(xiàn)安全事故， 其中基坑安全事故占據(jù)總事故的10%～15%， 其中滲流影響占據(jù)基坑安全事故的23.37%。 究其原因是因?yàn)榛娱_挖和降水過程由于基坑土體變化、 降水所導(dǎo)致的土體應(yīng)力變化。 因此， 為了保證城市道路工程建設(shè)質(zhì)量， 在基坑設(shè)計(jì)和開挖過程中深入分析基坑開挖和降水對基坑所造成的影響顯得尤為重要。

1 基本理論

1.1 基坑變形機(jī)理

基坑變形主要表現(xiàn)在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、 基坑坑底土體凸起、 基坑土體地表沉降等方面。 所謂基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形是導(dǎo)致基坑地層運(yùn)動的主要原因， 出現(xiàn)基坑支護(hù)變形的原因是基坑開挖過程中， 坑底土體內(nèi)外壓力差變大， 基坑外主動區(qū)以及基坑坑底被動區(qū)土體產(chǎn)生異動， 而主動區(qū)和被動區(qū)的土體壓力會施加在支護(hù)結(jié)構(gòu)上， 而支護(hù)結(jié)構(gòu)無法支撐壓力， 繼而出現(xiàn)變形現(xiàn)象； 所謂基坑坑底土體凸起分為彈性凸起和塑性凸起， 其凸起影響因素較多， 例如在基坑開挖時， 由于開挖、 卸荷所導(dǎo)致基坑土體應(yīng)力失衡， 從而導(dǎo)致凸起。 基坑坑底土體凸起主要表現(xiàn)為中間大， 兩側(cè)小的特征， 相對于對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響較小； 所謂基坑土體地表沉降是由于基坑開挖區(qū)域當(dāng)中部分軟土層塑性流動性較大， 支護(hù)結(jié)構(gòu)外土體從側(cè)向或者豎向流向基坑底部， 從而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。

1.2 隧道變形機(jī)理

隧道變形主要表現(xiàn)在水平變形、 垂直變形和收斂變形三個方面。 所謂水平變形是基坑在開挖之前已經(jīng)形成一種相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)， 隨著開挖工作的進(jìn)行， 基坑周圍土體向坑內(nèi)移動， 基坑坑底土體向上凸起， 導(dǎo)致隧道內(nèi)出現(xiàn)水平變形現(xiàn)象； 所謂垂直變形與水平變形機(jī)理相同， 是由于基坑開挖打破了原隧道的基坑坑底土體平衡狀態(tài)， 從而出現(xiàn)垂直變形現(xiàn)象概念股； 所謂收斂變形是因?yàn)榛油馏w水平側(cè)壓力系數(shù)普遍在1 以內(nèi)， 隨著基坑開挖， 隧道頂部垂直受力大于拱腰位置受力， 經(jīng)過水平方向拉伸和垂直方向壓縮，導(dǎo)致出現(xiàn)收斂變形現(xiàn)象。

2 工程項(xiàng)目介紹

2.1 工程概況

擬建工程場地位于太原市小店區(qū)汾東北路與人民北路交叉路口南側(cè)。 該項(xiàng)目東側(cè)為人民北路、 西側(cè)為汾東北路， 南側(cè)為現(xiàn)狀爛尾樓（1/-1F）、 北側(cè)有一座現(xiàn)狀換熱站。

擬建建筑物為1 幢地上15 層地下2 層的寫字樓及配套-2F地下車庫。 主樓及地庫基礎(chǔ)形式為樁承臺+防水板（部分主樓筒體下為樁筏基礎(chǔ)）。 ±0.000 標(biāo)高相當(dāng)于絕對高程777.350m； 東、 南側(cè)自然標(biāo)高為-1.650m （775.700m）， 西側(cè)、 北側(cè)自然標(biāo)高為-0.850m（776.500m）； 基坑開挖底標(biāo)高為-10.450m（766.900m）。 東側(cè)、 南側(cè)基坑設(shè)計(jì)深度為8.800m；西側(cè)、 北側(cè)基坑設(shè)計(jì)深度為9.600m。

2.2 水文地質(zhì)條件

該項(xiàng)目基本風(fēng)壓為0.4kN/m， 地面粗糙度類別為B類， 基本雪壓為0.35kN/m， 場地標(biāo)準(zhǔn)凍深為0.74m； 場地地震基本烈度為8 度， 設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g， 設(shè)計(jì)地震分組為第二組。 支護(hù)范圍內(nèi)主要是填土、 粉土、 粉質(zhì)粘土、 粉砂等。 勘察期間實(shí)測穩(wěn)定水位埋深地表下1.9 ～4.8m之間， 對應(yīng)標(biāo)高770.16 ～770.73m， 地下水類型為孔隙潛水， 主要含水層為粉土、 粉砂， 主要由地表水入滲及側(cè)向徑流補(bǔ)給。 勘察期間為枯水期， 地下水位季節(jié)性變化幅度約1m。

2.3 基坑開挖及支護(hù)方案簡述

本著技術(shù)先進(jìn)、 經(jīng)濟(jì)合理、 保護(hù)環(huán)境和安全適用的原則。 結(jié)合場地實(shí)際情況， 本基坑采用如下支護(hù)形式。

基坑開挖深度8.800m～9.600m， 采用鋼筋混凝土灌注樁加一道預(yù)應(yīng)力組合型鋼支撐的支護(hù)形式， 支護(hù)樁采用鋼筋混凝土灌注樁， 成孔方式為旋挖鉆機(jī)成孔。

東側(cè)由于臨近地鐵處， 特對支護(hù)樁及冠梁加強(qiáng)，支護(hù)樁（支護(hù)樁1） 樁徑為900mm， 樁間距1.4m，樁長15.0m， 冠梁1 高600mm， 寬1000mm； 其余三邊支護(hù)樁（支護(hù)樁2） 樁徑800mm， 樁間距1.4m，樁長15.0m， 冠梁2 高500mm， 寬900mm； 預(yù)應(yīng)力型鋼組合式支撐蓋板使用Q235b 鋼材， U型槽鋼選用32b， 使 用 Q235b 鋼 材； 型 鋼 立 柱 選 用 立 柱 為H350x350x12x19 型鋼， 立柱長14.0m， 嵌入坑底以下8.0m。 基坑止水帷幕采用Φ850 三軸水泥攪拌樁（帷幕底部全部進(jìn)入相對隔水層深度不小于1m）， 降水采用坑內(nèi)管井降水， 坑外回灌； 降水井共17 孔， 井距約16m， 井口標(biāo)高為775.000m， 井深20.0m； 井管均采用網(wǎng)眼鋼管（273x3）， 成孔孔徑均為%%130600。在基坑周邊坑外共設(shè)置8 孔回灌井， 井距約30m， 回灌井井口標(biāo)高為776.000m， 井深15.0m， 做法同降水井。

3 基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道影響模擬分析

3.1 模型構(gòu)建

本文研究考慮到項(xiàng)目區(qū)域水泥土攪拌墻與型鋼粘合存在不確定性， 所以采用TRD工法（混合攪拌壁式地下連續(xù)墻施工法） 對基坑開挖和降水對隧道影響進(jìn)行模型構(gòu)建。 本文對該項(xiàng)目進(jìn)行研究時， 綜合考慮TRD工法中H型鋼數(shù)據(jù)（400x400x13x21） 參與結(jié)構(gòu)受力， 水泥土攪拌墻僅作用于止水工作， 且基坑結(jié)構(gòu)受力彎曲， 考慮模型的便捷性和綜合性， 按照“樁-墻抗彎剛度” 原則計(jì)算連續(xù)墻厚度。 根據(jù)基坑與項(xiàng)目地勢環(huán)境， 結(jié)合項(xiàng)目施工特點(diǎn)， 利用MIDAS 有限元數(shù)據(jù)模型（如圖3 -1、 圖3 -2 所示）。

圖3 -1 土層模型

圖3 -2 基坑支護(hù)模型

3.2 計(jì)算工況

3.2.1 基坑開挖計(jì)算工況

根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)際情況， 本文以三維分析計(jì)算建模技術(shù)為基礎(chǔ)， 以Drucker-Prager為彈塑性模型， 對基坑進(jìn)行數(shù)值分析， 根據(jù)巖土層及現(xiàn)場數(shù)據(jù)勘察成果建立數(shù)據(jù)對比， 具體基坑開挖計(jì)算工況如下： 1） 建立巖土層分析初始地應(yīng)力場； 2） 模擬人民廣場地鐵結(jié)構(gòu)； 3） 施工基坑支護(hù)樁； 4） 土體開挖；

工況信息如圖3 -3 ～3 -6 所示。

圖3 -3 初始地應(yīng)力場

圖3 -4 人民廣場地鐵結(jié)構(gòu)

圖3 -5 基坑支護(hù)樁

圖3 -6 土體開挖

3.2.2 降水計(jì)算工況

根據(jù)項(xiàng)目內(nèi)部滲流路徑得知由于項(xiàng)目區(qū)域多次降水， 對基坑支護(hù)產(chǎn)生影響。 并且根據(jù)模型得知模型滲流暢表現(xiàn)出明顯的空間差異（AB邊和CD邊基流線明顯）， 所以臨近地鐵的隧道出滲流速度較大。

3.3 計(jì)算結(jié)果

結(jié)合項(xiàng)目數(shù)值計(jì)算， 得出基坑支護(hù)和降水等工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移數(shù)值。

根據(jù)圖3 -8 得出， 維護(hù)結(jié)構(gòu)X軸方向最大位移為29.7534mm；

根據(jù)圖3 -9 得出， 維護(hù)結(jié)構(gòu)Y軸方向最大位移為25.6254mm。

3 -8 工況位移云圖①

3 -9 工況位移云圖②

4 基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道的影響分析

4.1 基坑開挖對地表沉降的影響

在道路施工領(lǐng)域當(dāng)中， 普遍認(rèn)為基坑開挖產(chǎn)生的坑底土體凸起或變形是由于地質(zhì)運(yùn)動所引起的， 而結(jié)合以上數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不同工況（降水、 基坑支護(hù)技術(shù)） 所造成的地表沉降主要集中在低下連續(xù)墻后處。深入分析， 出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象的原因是由于基坑開挖和支護(hù)之后， 土體由于地下連續(xù)墻的存在， 在一定范圍、 一定時間內(nèi)變化不大， 但是在基坑開挖后所面臨的連續(xù)墻后土體擾動， 導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的沉降。 因此， 為了避免基坑開挖對土體所造成的較大擾動， 在施工過程中需要控制連續(xù)墻深入土深度以及混凝土的選材問題， 以此控制土體沉降。

4.2 基坑開挖對隧道變形的影響

基坑開挖后， 機(jī)器振搗勢必會對連續(xù)墻后臨近地鐵的隧道造成擾動， 從而導(dǎo)致隧道產(chǎn)生位移。 本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目對隧道的重要點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測， 發(fā)現(xiàn)隧道出現(xiàn)不同程度位移現(xiàn)象。 這是由于基坑開挖后， 坑底凸起， 土體應(yīng)力釋放點(diǎn)出現(xiàn)移動。 除此之外， 不同區(qū)域的土質(zhì)情況不同， 本項(xiàng)目區(qū)域富水砂層土質(zhì)較好，并且連續(xù)墻的剛性穩(wěn)定， 所以隧道的豎直方向移動情況變化你較小， 而水平位移現(xiàn)象明顯。 綜合計(jì)算結(jié)果， 隧道水平位移呈現(xiàn)出不同區(qū)域向地下連續(xù)墻一側(cè)運(yùn)動。 而從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)， 隧道水平變形情況明顯， 這是由于坑底土體應(yīng)力釋放對隧道的擾動較大， 所以為了減小位移情況， 施工過程需要加固土體， 使坑底的土體剛度變大， 從而抑制隧道變形。

4.3 基坑降水對地表沉降的影響

綜合分析降水對地表沉降的影響， 得知臨近地鐵隧道出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象是由于空隙壓力變化所導(dǎo)致有效應(yīng)力變化， 從而出現(xiàn)土體應(yīng)力不均。 當(dāng)?shù)叵滤蛘呓邓螅?空隙壓力變小， 打破了土體平衡狀態(tài)， 在總應(yīng)力不變的情況下， 有效應(yīng)力增大最終造成地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。 根據(jù)降水結(jié)束后的數(shù)據(jù)采集， 發(fā)現(xiàn)連續(xù)墻后的一定范圍內(nèi)出現(xiàn)最大地表沉降值， 并形成漏洞狀分布規(guī)律， 其中最大沉降值在8.94mm。 根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行分析， 這是由于該區(qū)域的地質(zhì)情況良好， 降水后壓縮性較小， 支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度大， 減小了擾動作用，最終導(dǎo)致沉降數(shù)值不大。

4.4 基坑降水對隧道變形的影響

由于基坑開挖后， 土體坑底存在卸荷回彈的作用， 會對臨近地鐵的隧道造成不良影響， 進(jìn)而出現(xiàn)變形現(xiàn)象。 對研究項(xiàng)目數(shù)據(jù)勘察發(fā)現(xiàn)， 該項(xiàng)目上下隧道位移變化情況基本相同， 但是下線隧道右側(cè)位移變化情況相較于其他隧道變化明顯， 究其原因是因?yàn)橄戮€隧道右側(cè)離基坑施工區(qū)域較近， 并且在降水壓力、 土體擾動等原因的想象下， 有效應(yīng)力、 卸荷作用對其影響明顯。 除此之外， 根據(jù)隧道基坑水平和豎直移動數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)， 隧道水平位移相較于豎直位移數(shù)據(jù)要稍顯明顯， 這是由于基坑在開挖過程中， 土體水平方向盈利減小， 連續(xù)墻位移加大， 當(dāng)水平位移趨近于平衡時，土體達(dá)到主動土壓力狀態(tài)。

5 基于基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道施工的建議

5.1 構(gòu)建科學(xué)計(jì)算模型

在研究基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道施工所產(chǎn)生的影響時， 需要借助計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)建科學(xué)的計(jì)算模型， 盡可能通過真實(shí)的、 有效的數(shù)據(jù)對基坑開挖和降水對建筑物所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。 在構(gòu)建計(jì)算模型時， 本文結(jié)合工程TRD工法， 主要選用MIDAS 有限元數(shù)據(jù)算法， 這種方法以力學(xué)為計(jì)算基礎(chǔ)， 依托計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)， 同時考慮項(xiàng)目工程周圍地質(zhì)條件、 降水環(huán)境以及建設(shè)環(huán)境等因素的影響， 通過科學(xué)計(jì)算出基坑工程與隧道之間產(chǎn)生的影響力， 為制定相應(yīng)的減緩對策提供數(shù)據(jù)支持。 為了精確計(jì)算基坑支護(hù)裝置中的相關(guān)數(shù)據(jù)， 總結(jié)基坑開挖和降水后隧道所產(chǎn)生的沉降現(xiàn)象和變形現(xiàn)象規(guī)律， 計(jì)算機(jī)技術(shù)能夠給予工程項(xiàng)目建設(shè)方案支持。

5.2 構(gòu)建科學(xué)三維模型

在基坑建筑施工過程中， 施工人員為了保證施工進(jìn)度和施工質(zhì)量， 需要構(gòu)建科學(xué)的三維模型， 將計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)與三維立體技術(shù)進(jìn)行結(jié)合， 從而達(dá)到模擬施工現(xiàn)場的目的， 從而保證基坑施工數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確定。 在構(gòu)建科學(xué)三維模型的過程中， 結(jié)合項(xiàng)目實(shí)地?cái)?shù)據(jù)， 能夠通過數(shù)據(jù)反饋， 對影響項(xiàng)目建設(shè)的真實(shí)原因進(jìn)行剖析， 以此滿足臨近地鐵速調(diào)施工的相關(guān)要求。在建立三維模型過程中， 需要以常見的土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)， 定時勘察基坑開挖和降水現(xiàn)象后隧道變形和稱將數(shù)據(jù)， 以此計(jì)算整體承載能力， 以為保證施工質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。

5.3 加強(qiáng)第三方監(jiān)測工作

第三方監(jiān)測工作質(zhì)量是影響道路施工項(xiàng)目質(zhì)量的關(guān)鍵， 所以需要加強(qiáng)第三方監(jiān)測工作， 具體可以從以下幾方面入手： 第一， 第三方監(jiān)測人員需要結(jié)合工程項(xiàng)目情況、 工程要求對基坑開挖的地質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測， 通過取樣， 觀察土質(zhì)顏色、 土質(zhì)濕度、 土質(zhì)密度判斷土質(zhì)性質(zhì)及其變化情況， 確保土質(zhì)情況分布滿足項(xiàng)目工程建設(shè)要求； 第二， 在巡視過程中要重點(diǎn)觀察土體是否有地下水滲層情況出現(xiàn)， 若有出現(xiàn)地下水反滲現(xiàn)象， 需要記錄滲水顏色、 氣味、 位置、 滲水量等， 并且需要觀察滲水區(qū)域附近是否有土體塌方現(xiàn)象， 并對此進(jìn)行詳細(xì)記錄； 第三， 第三方監(jiān)測人員需要對基坑開挖區(qū)域附近的地面積水情況進(jìn)行記錄， 尤其需要記錄積水位置、 積水量、 積水深度等， 檢查排水系統(tǒng)是否完整， 為基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)做出依據(jù)。

6 結(jié)語

通過對太原市基坑開挖和降水?dāng)?shù)據(jù)勘察和隧道變形情況數(shù)據(jù)比對， 發(fā)現(xiàn)基坑開挖和降水等過程均會對緊鄰地鐵隧道產(chǎn)生位移影響， 并且由于降水和基坑開挖會出現(xiàn)地下水滲透現(xiàn)象， 隨著地下水滲透的空間差異性， 基坑邊側(cè)流速大于中間， 同時對基坑變形和隧道變形所造成影響。 因此， 基于基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道施工的影響， 為了減小變形現(xiàn)象， 施工人員在施工過程中深入分析施工區(qū)域土質(zhì)情況、 氣候環(huán)境， 采取科學(xué)的技術(shù)手段， 加大監(jiān)測力度， 以此保證城市道路建筑工程施工質(zhì)量。