基坑開挖對臨近地鐵軌道安全運營影響的分析

黃書葵

（深圳市赤灣商業發展有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來，城市地鐵交通快速發展，成為人們的主要交通方式之一。然而，在地鐵工程建設過程中，臨近地鐵軌道的基坑開挖工程成為一個重要的問題。基坑開挖活動可能對地鐵軌道的安全運營產生一定的影響，因此，需要進行全面的影響分析和評估，以確保地鐵的正常運行和乘客的安全。常見的技術方法主要有三維數字建模應力分析法、自動化變形監測法、地下水位監測等，幾種方法在功能、目的及應用場景等方面都存在一定共性、異性，需要根據實際情況進行選擇，但是鮮有學者進行方法對比和綜合性應用研究。因此，本文以實際工程為例，結合應用三維數字建模應力分析法和自動化變形監測法，討論2 種方法的區別和關聯性，并分析基坑開挖對臨近地鐵軌道安全運營的影響。通過構建基坑開挖的數學模型，并實時監測土體的變形和位移情況，可定量評估土體的應力分布和變形情況，從而為地鐵工程的規劃和施工提供科學依據[1-2]。

1 工程概況

1.1 新建基坑及區間隧道概況

擬建工程為S 市某大型擬建建筑工程項目，項目與軌道交通設施間距在50 m 地鐵保護區之內，基坑的開挖卸載、基坑支護結構的變形均有可能對鄰近的軌道交通設施產生不利影響，因此需依據本項目的工程條件、基坑支護設計，分析評估該項目基坑工程施工對相鄰軌道交通設施的影響。基坑與地鐵的剖面如圖1所示。

圖1 新建基坑與地鐵隧道側剖面關系示意圖

1.2 巖土層的物理力學指標

根據勘察報告提供的巖土層基本物理力學性質指標、原位試驗成果，結合相關技術經驗，提出本項目場地內主要巖土層的物理力學指標和計算分析采用的土工參數，具體如表1 所示。

表1 主要巖土層物理力學參數表

1.3 方法分析與比較

本文主要從基坑開挖三維數字建模和地鐵隧道自動化變形監測2 個方向進行研究分析，2 種方法的區別和聯系如下。

1.3.1 區別

在原理上，數字建模分析是基于數學模型的工程方法，通過輸入結構或隧道的幾何形狀和材料參數等數據來建立數學模型進行應力和變形分布情況分析；自動化監測點位分析是基于實時數據采集和分析的技術手段，通過傳感器獲取隧道內部和周圍環境的實時數據，對它進行監測和分析。在目的和應用上，數字建模應力分析主要用于預測結構的穩定性，提供設計和施工方案，并進行安全評估；自動化監測點位分析主要用于實時監測隧道的變形、應力、振動等情況，及時發現異常，并采取相應的措施。

1.3.2 關聯性

在目標上，數字建模分析和自動化監測點位分析旨在提高工程的安全性和可靠性，保障結構和隧道的穩定運行。此外2 種方法互相補充，數字建模應力分析可以在設計和施工階段對結構性能進行分析和優化，為自動化監測點位分析提供有力的數據支持。而自動化監測點位分析可以實時監測隧道的狀況，為數字建模應力分析提供實際數據驗證和反饋。

2 三維數字建模分析

2.1 分析計算方法

擬建項目的基坑工程與地鐵結構的布置特征具有典型的三維特征，綜合考慮地鐵結構和基坑的結構形式，參照已有文獻中的處理方法，本文采用三維分析方法。為真實準確地模擬基坑開挖對地鐵結構的影響，需要對既有地鐵結構開挖施工及后期鄰近基坑的開挖過程進行全過程施工模擬。首先根據基坑工程范圍、尺寸與既有地鐵結構平面關系，建立數值計算模型；對巖土體進行物理力學參數的賦值，分析巖土體中地應力分布特點，模擬巖土體的初始地應力場分布情況；對既有地鐵結構的開挖施工過程進行模擬，確定后續基坑開挖前圍巖和結構的應力分布情況，以此作為基礎，再模擬擬建工程施工過程，研究施工過程中地鐵結構的應力和變形情況，進而對既有地鐵結構和運營安全進行評判[3]。

2.2 應力分析

三維數字建模上，本文采用Midas/GTS 有限元計算軟件，該軟件具有先進的數值計算能力和圖形化界面，可以模擬復雜的土體和結構行為，并進行穩定性、變形、應力等綜合分析。初始地應力場的擬合采用側邊加載擬合法，即模型中所有材料均采用線彈性本構模型，在模型右側及底部施加法向位移約束，在模型左側邊界上施加法向應力，計算后模型的應力達到平衡后即為模擬的初始應力場。施加法向應力等于左側邊界上各點的自重應力乘以一個側壓力系數，一般淺層地層水平側壓力系數為0.4～0.8。擬合后得到的初始總地應力場分布如圖2 所示[4].

圖2 場地X 向和豎向總應力云圖

然后進行地鐵施工應力場分析，通過應力分布可間接反映出道路路基開挖施工前整體場地的應力狀態，為結構安全評價提供佐證。并進行后期用地整平及規劃支路回填施工工況應力場，反映出整體場地的應力狀態，從而發現應力分布規律，為結構安全評價提供佐證。

2.3 位移分析

評價基坑施工對地鐵隧道的影響的主要指標為結構的水平位移及豎向位移，也最能反映項目施工對地鐵結構的影響程度。模型計算可以直觀讀取基坑結構及地鐵結構的位移值，從而定量評判地鐵結構的安全性，最后計算得出基坑開挖造成S 市地鐵2 號線出入段線的最大水平變形為0. 28 mm 及豎向隆起為0.72 mm。

3 地鐵自動化變形監測分析

自動化監測實施是通過安全智能監測與預警一體化云平臺，遠程向測量機器人發送測量指令完成一系列測量動作并得到數據。整個過程，測量機器人與通信工控系統用專用電纜連接，使它同時實現設備供電及測量數據及測量指令在預警平臺的接收發模式。

3.1 監測點布設

對本段監測區間左右線各設計46 個斷面，每個斷面各布設6 個三維變形監測點，6 個點分別位于隧道底兩側（2 點）、隧道中腰線（2 點）、隧道頂部（1 點），監測點采用以L 形小棱鏡為主的元器件，布點時用沖擊鉆打孔及對應膨脹螺絲安裝固定。

3.2 儀器位置及通信控制系統安裝

隧道自動化監測系統由測量機器人即帶驅動馬達（或者磁驅）的全站儀，供電系統，通信工控系統，變形監測基準點（控制點）、公共點、變形監測點，安全智能監測與預警一體化云平臺（ 以下簡稱“WebMos 平臺”），監測軟件云端服務器，共6 個部分構成。布設自動化監測設備時本隧道處于洞通未鋪軌狀態，隧道內全站儀采用專用支架固定在隧道內一側的側壁上，支架處于監測點通視良好區域，全站儀支架附近安裝工控箱，工控箱內包含供電電源、全站儀遠程控制系統組件及通信設備。支架附近用膨脹螺絲固定一個電箱，里面包含自動化通信模塊系統；在建隧道自動化監測信號系統由光纖加無線發射裝置組成，光纖沿隧道側壁，將光纖一端接入控制箱，另一端光纖拉到盾構井的出口保證有通信信號，在此處安裝一個無線信號引入裝置連接光纖端[5-6]。儀器位置及實施監測示意圖如圖3 所示。

圖3 儀器位置及實施監測示意圖

3.3 自動化監測方法

自動化監測實施時通過安全智能監測與WebMos平臺，遠程向測量機器人發送測量指令完成一系列測量動作并得到數據。測量機器人、監測點及通信工控系統安裝調試完畢后進入WebMos 平臺，找到對應操作學習測量界面，測量機器人在人工測量基準點（控制點）定向的基礎上進行云端自動化的定向學習測量。定向完成后按WebMos 設定的測量程序進行監測點逐個點位的學習測量，測量完成后保存所有測量數據并傳輸到監測軟件云端服務器上；然后WebMos 平臺通過定向后形成的方位角、平距、斜距自動對監測點的數據進行計算與分析，給出各監測點的三維坐標系（平面及高程）及點與基準點的角度距離關系，經過多次測量平差形成監測點點位初始值。最后通過設置WebMos 平臺在特定的時間啟動測量機器人進行無間斷的連續測量；通過與點位初始值的比對，形成并繪制點位變形時的曲線圖。每次測量時，遵循先控制點（基準點）后監測點，按后方交會方法計算出儀器坐標和高程，然后再觀測變形監測點。

3.4 監測數據分析

新建建筑工程基坑開挖對地鐵出入段產生的直接影響主要體現在橫向、縱向、高程3 個方面，間接的變化有經向收斂、隧道橢圓度變化。通過一周的觀測和統計，得到高程位移累積變形值為2.1 mm，橫向位移累積變形值為1.5 mm，縱向位移累積變形值為1.2 mm；隧道道床沉降差累積變形值為-0.5 mm；道結構橫向收斂值為-0.9 mm。可以得出，隧道結構自動監測變形值變化較小，未超報警值，仍處于安全可控狀態。

4 結束語

本文應用2 種方法對臨近地鐵軌道安全運營影響進行分析，通過以上應用可以看出，三維數字建模應力分析法主要適用于工程設計和施工階段，可以對結構進行全面的應力分析和評估；自動化變形監測法適用于結構的實時監測和控制，主要用于工程的運行和維護階段。在方法復雜性方面，三維數字建模應力分析法需要構建復雜的數學模型，并進行大量的計算和分析，對計算能力和數據處理能力有一定要求；自動化變形監測法則相對簡單，通過傳感器實時采集數據并進行簡單的分析和處理，適用于實時監測和控制，同行從業者可以根據工程目的和要求進行選擇。