基坑工程施工對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全評價研究

楊日林 YANG Ri-lin

（深圳香蜜湖國際交流中心發(fā)展有限公司，深圳 518000）

0 引言

近幾年，隨著城市地鐵工程項目的快速發(fā)展，經(jīng)常會遇到工程項目在基坑開挖施工期間對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的施工銜接問題。臨近地鐵周邊進行工程活動對地鐵正常運營是一個極大的風險，鄰近地鐵隧道建筑項目在基坑開挖施工期間會引起周邊巖土層與隧道結(jié)構(gòu)的擾動，也會容易導致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載和位移變形，如果因此導致質(zhì)量安全問題將造成無法估量的事故責任和經(jīng)濟財產(chǎn)損失，因此對臨近地鐵周邊的工程建設過程強化安全風險管控至關重要，更對地鐵正常運營的穩(wěn)定可靠保障是個重點難點。

現(xiàn)如今，城市現(xiàn)代化建設加速、城市地面建筑和地下管線密集、各類交通設施工程開發(fā)需求增加，建立地鐵運營危險源查找、識別、分析、評價、管控體系，對地鐵周邊的每個在建、擬建項目進行嚴格審查，從而為地鐵安全運營提供有力保障。

因此，針對建筑工程基坑開挖施工對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的巖土擾動和位移變形影響進行研究具有極其重要的借鑒意義。本論文以某城市工程建設項目基坑工程與既有地鐵區(qū)間臨近施工為工程案例，采用基坑開挖理論分析和有限元數(shù)值計算及工況分析，并提出了施工安全監(jiān)督與安全保護建議，對類似地鐵隧道工程施工具有一定的參考和借鑒。

1 工程概況

某城市大型公共建筑項目，周邊交通發(fā)達，城市軌道交通2、7、9 號三條地鐵線環(huán)繞，其中地鐵2 號線位于場地北側(cè)213m，場地西南側(cè)最近距離169m 處7 號線及南側(cè)最近距離13m 處9 號線。場地內(nèi)現(xiàn)狀標高在10.6～17.2m 之間，場地東北角地勢較高，其它地段向南、向西方呈緩坡向，逐漸降低。擬建項目用地面積約10.8 萬m2，建筑總面積約37.5 萬m2。

擬建基坑占地面積約7.46 萬m2，坑底設計高程約為-1.25～4.45m，基坑深約8.2～15.9m。基坑輪廓整體不規(guī)則形狀，基坑周長約為1070m。基坑南側(cè)距離主干道機動車道邊線約27.8～40m，距離地鐵9 號線≥41m；基坑西側(cè)距離快速路機動車道33.3～46.7m；基坑與市政道路之間主要為空地、綠化帶、人行道等；基坑北側(cè)距離最近的建筑物約39m；基坑東側(cè)為水庫及其主壩，基坑與主壩堤岸坡腳最近距離約11m，東側(cè)其他區(qū)域較為空曠。

1.1 支護結(jié)構(gòu)體系

場地基坑地處市區(qū)，面積大、開挖較深，開挖范圍分布有素填土、淤泥質(zhì)粉細砂等軟弱土體，基坑西、北、南側(cè)均存在的粉細砂、中粗砂、礫砂等強透水層，支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定是確保周邊建構(gòu)筑物安全的基本保障，結(jié)合目前本工程地下室結(jié)構(gòu)設計未明確等因素，本工程主體基坑支護設計結(jié)合基坑深度、地質(zhì)情況及周邊環(huán)境等因素確定：基坑北、西、南側(cè)采用雙排樁支護，其中前排樁為?1.2m@2m 咬合樁，后排樁為?1.2m@4m/?1.5m@2m（個別區(qū)域）C30 灌注樁，前后排樁采用1000*1000mm 鋼筋砼連梁；基坑東北側(cè)、東側(cè)采用單排樁+錨索支護，排樁均為?1.2m@1.6m 灌注樁，錨索支護段豎向設置3 道預應力錨索；基坑東側(cè)入負一層地下室下車坡道基坑采用?1.2m@1.6m 排樁+一道鋼筋砼內(nèi)支撐支護，基坑西北側(cè)入負一層地下室下車坡道基坑采用?1.5m@2m 懸臂排樁支護，下車坡道基坑均待主體基坑地下室施工完成后再實施。

1.2 截水帷幕

根據(jù)場地砂層的強透水性，地下水的處理是基坑安全的關鍵所在，基于安全及經(jīng)濟的考慮以及本地區(qū)工程經(jīng)驗，基坑截水設計結(jié)合場地中粗砂、礫砂等透水層的分布情況，在基坑南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)靠近行政學院側(cè)利用咬合樁截水，其余側(cè)采用?850mm@600mm 三軸水泥攪拌樁截水。

1.3 降水措施

本基坑開挖范圍內(nèi)透水砂層，厚度不一，為避免地表及地下水對土體產(chǎn)生影響，及時排出邊坡滲水及基坑內(nèi)積水，在基坑頂部和底部各設置一條封閉連通的排水溝阻斷周邊來水，基坑內(nèi)積水經(jīng)三級沉淀后排入周邊市政管道。對于可能影響基坑頂臨時邊坡穩(wěn)定的地表滲水，對基坑頂排水溝范圍的臨時邊坡采用掛網(wǎng)噴砼以防地表水滲入。綜上所述，本基坑支護主要采用雙排樁或單排樁+錨索支護，局部下車坡道基坑采用排樁+內(nèi)支撐或單排樁懸臂支護，為控制場地地下水，滿足施工和安全要求，本基坑工程利用咬合樁及三軸水泥攪拌樁作為基坑截水措施。

2 基坑工程與地鐵隧道的關系

本基坑工程臨近地鐵場地區(qū)間隧道從本基坑工程南側(cè)地下穿過，該地鐵線路地下隧道埋深約10m，基坑工程與該地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平距離最近處約46m。由于地鐵地下車站與地鐵地下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外圍邊線一側(cè)10m 以內(nèi)為重點保護區(qū)，10m 至50m 內(nèi)為控制保護區(qū)，因此本基坑工程位于該臨近地鐵控制保護區(qū)范圍內(nèi)，該地鐵線路地下區(qū)間隧道采用的是盾構(gòu)法施工。基坑與地鐵隧道位置關系見圖1。

圖1 基坑工程與地鐵隧道的位置關系剖面圖

3 工程地質(zhì)條件

3.1 地形地貌

區(qū)域地貌類型以剝蝕殘丘及湖泊相地貌為主，北Ⅰ區(qū)高程18.4～27.0m，地勢平坦，場地西北角地勢較高，其他地段向南方呈緩坡向，逐漸降低，東側(cè)呈多邊形。北Ⅱ區(qū)大部分主要位于湖區(qū)，部分垂直河岸線外延2～35m，呈長方形，場地高程范圍10.8～16.2m。北III 區(qū)位于快速路和主干道十字口東北側(cè)，東側(cè)場地高程10.6～17.2m，北高南低，呈多邊形。場地已人工開發(fā)推平，原始地貌特征不可辨別。本次基坑工程位于北III 區(qū)。

3.2 水文地質(zhì)條件

①地表水。 場地勘察區(qū)域是城市南部丘陵匯水范圍入海的必經(jīng)之路，場地北側(cè)2.0 公里為水庫，場地東側(cè)緊鄰湖區(qū)及其水壩、湖區(qū)面積約27 萬平方米，根據(jù)以往測量資料顯示，湖區(qū)水域深度0.3～7.0m，西北角為湖區(qū)地下箱涵進水口，東南角為經(jīng)過人工改造的瀉湖通道，勘察期間水庫水位11.00m，根據(jù)岸邊歷年蓄水痕跡，測得洪水位約11.5m。

②地下水。本場地主要受大氣降水滲入補給，場地東側(cè)緊鄰水庫湖區(qū)，并在一定條件下接受湖水側(cè)向補給，二者具較密切水力聯(lián)系，枯水期水庫水位略低于場地地下水，場地地下水補給水庫，豐水期，水庫水位較高，略高于場地地下水，水庫水補給地下水。

場地包括2 個施工區(qū)域。第1 個區(qū)域基坑范圍地面高程10.6～15.4m，平均高程12.2m，地下水位埋深1.7～6.3m，平均水位埋深4.52m，地下水位高程5.93～12.36m，平均水位高程8.97m。第2 個區(qū)域基坑范圍地面高程10.6～11.5m，平均高程11.0m，地下水位埋深3.0～5.8m，平均水位埋深4.32m，地下水位高程5.07～8.34m，平均水位高程6.88m。

③巖土層透水性。場地粘性素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土及礫質(zhì)粘性土為弱透水性、淤泥質(zhì)粉細砂、中粗砂及礫砂為按中等強透水層考慮。

4 研究方法

本基坑工程施工工序主要分為基坑支護樁、土石方開挖及錨索、樁基礎等三個階段，綜合考慮土石方量大、汛期施工、基坑降排水、坑底道路交通及坡道運輸?shù)炔焕蛩亍１竟こ袒娱_挖面積7.2 萬m2，約包含土石方量89.1 萬m3，基坑深度9.4～14.9m。

按照本基坑工程施工工序，基坑施工對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響主要包括：①本基坑工程支護樁按類型主要為咬合樁和灌注樁，施工區(qū)域按完成工序為4 個階段，支護樁施工可能引起場區(qū)巖土層與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的應力重分布和變形；②依據(jù)地勘報告和土方量測算，綜合考慮土方棄土場、棄土運距和棄土運輸效率，高峰期每日出土方量約5060m3，按每車5 趟、每趟10m3，土方車數(shù)=5060m3÷9m3/趟÷5=112.4 車，因此配置數(shù)量充足的土方車輛約120輛渣土車以上。那么基坑開挖施工中，施工車輛、材料堆載等臨時超載都會對地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載，土方在開挖釋放過程中也會引導周邊地面沉降或塌陷。

綜合考慮基坑工程施工工序及其施工影響分析，我們采用三維數(shù)值模型與理論相結(jié)合的方法進行研究，具體如下：①通過三維模型分析基坑開挖過程中基坑工程周邊的整體穩(wěn)定和變形情況，分析臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全狀況。②深入分析基坑支護階段與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響情況和地質(zhì)信息。③通過模擬基坑施工全過程，以及基坑開挖施工過程中地鐵隧道結(jié)構(gòu)巖土體及其結(jié)構(gòu)的應力重分布和沉降情況。④研究基坑施工對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的空間和力學響應情況，分析基坑施工對地鐵隧道的安全穩(wěn)定性，并提出安全合理的基坑工程設計與施工建議。

5 研究過程

5.1 運用專業(yè)軟件

采用專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進行有限元計算及工況分析，利用基坑開挖、支護施工以及土方回填等施工工序進行分析。

采用土體材料本構(gòu)模型取用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）彈塑性模型，研究各施工工序中結(jié)構(gòu)構(gòu)件的荷載效應。

綜合考慮本基坑工程地下水位變化情況，本次模擬計算采用應力-滲流三維耦合模型。主要計算模擬流程為：①應力平衡（初始應力狀態(tài)）+初始滲流場模擬+既有區(qū)間隧道施工（位移清零）；②基坑支護結(jié)構(gòu)施工階段模擬；③基坑區(qū)域降水及基坑開挖施工模擬；④基坑區(qū)域回填模擬。

5.2 模擬計算

5.2.1 計算內(nèi)容

在MIDAS 三維有限元模型中，采用三維實體單元模擬地層，采用板單元模擬支護結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)。模型計算的范圍以基坑外輪廓為基準、再外擴約2 倍基坑深度。模型計算的邊界條件為：施工模型底部約束豎向位移，施工模型四周為約束水平向位移。

按照最不利工況原則，根據(jù)本基坑區(qū)域與臨近地鐵隧道結(jié)果的平面及立面關系以及本基坑工程支護結(jié)構(gòu)的設計與施工特點，分析基坑開挖過程中基坑支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形差異。數(shù)值分析時選取的是該基坑工程與臨近地鐵地下區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外圍邊線的最近距離作為建模范圍，模型參數(shù)采用的長寬高分別為490m×540m×80m。

5.2.2 計算參數(shù)

①土層材料屬性如表1 所示。

表1 土層材料屬性表

②支護結(jié)構(gòu)屬性如表2 所示。

表2 支護結(jié)構(gòu)屬性表

③結(jié)構(gòu)特性如表3 所示。

表3 支護結(jié)構(gòu)特性表

6 有限元計算結(jié)果分析

6.1 三維模型計算結(jié)果

通過數(shù)值計算，得出在基坑開挖及地下水位變化情況下各工況整體模型及地鐵結(jié)構(gòu)的水平、豎向位移力云圖等。（圖2-圖5）

圖2 基坑平場第一層并施做支護

圖3 基坑開挖第二層

圖4 基坑開挖第三層

圖5 基坑開挖到底

6.2 計算結(jié)果分析

由三維數(shù)值模擬分析得出，當該基坑工程開挖至坑底時，基坑及臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形最大，由基坑土方開挖以及坑道水位變化引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形為0.82mm，最大豎向變形為0.25mm。按照《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術規(guī)范》（CJJ202-2013），該基坑工程開挖施工引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形和豎向變形都符合有關規(guī)定，該基坑開挖施工過程中的臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。安全控制指標詳見表4。

表4 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標值

7 結(jié)論與建議

本論文以某城市公共建筑基坑工程與臨近地鐵施工為工程案例，采用基坑開挖理論分析和有限元數(shù)值計算及工況分析，并提出施工安全監(jiān)督與安全保護建議，可為類似臨近地鐵隧道工程施工提供參考和借鑒，具體如下：

①該基坑開挖施工對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全影響在規(guī)范要求范圍內(nèi)，不影響地鐵正常運營。但考慮到該基坑工程支護施工可能遇到的極端事故等不利因素，應提前做好應急搶險排查與處置預案。

②該臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移最大值發(fā)生在基坑開挖至坑底時，因此在基坑支護施工時應減少基坑底部區(qū)域的暴露時間，盡早做好坑底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并回填。

③基坑設計及施工應滿足各項法律法規(guī)和技術規(guī)范要求，嚴格按照《城市軌道交通安全保護第三方監(jiān)測控制指標》里關于地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊可施工范圍的有關規(guī)定，對基坑工程施工全過程進行嚴密監(jiān)控，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

④對地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響較大的危險源主要有基坑支護施工、基坑降排水施工，應避免爆破等劇烈施工，嚴防大面積、大幅度的地下水位異常下降現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴禁施工過程中在地鐵隧道上方進行大面積、大荷載、長時間的設備集中堆載以及大型工程車高頻次運行。

⑤針對工程各種危險源和各類工況，工程開工前應編制專項施工組織設計或?qū)ｍ棏碧幹妙A案和獎懲機制，在施工過程中應按規(guī)定進行定期檢查監(jiān)督和不定期抽查，嚴肅要求各施工單位認真落實整改，嚴格加強各種危險源管控工作。

⑥項目建設單位應委托具有相應專項資質(zhì)的專業(yè)技術團隊編制臨近地鐵安全區(qū)施工方案、安全管控方案以及安全監(jiān)測方案，并報地鐵建設單位審查通過后方可實施。

⑦基坑開挖施工時，應遵循分區(qū)、分塊、分層、對稱、限時的原則，并定期及時反饋現(xiàn)場地質(zhì)地貌情況。當施工開挖至基坑底設計高程時，應立即進行墊層施工、做好防水層及地下結(jié)構(gòu)防護施工，避免因基坑長時間暴露而增加了臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全風險，必要時在基坑內(nèi)預留反壓土，減小因基坑土方開挖卸載對臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

⑧為控制基坑施工對軌道交通造成的影響，建設單位應落實對工地現(xiàn)場的監(jiān)督管理，確保施工單位按軌道交通設施保護方案施工，向現(xiàn)場管理人員及施工單位交底。鄰近軌道交通側(cè)地下工程施工記錄、軌道交通保護方案落實情況、靠軌道交通一側(cè)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)應及時以書面報告形式向地鐵建設單位報備。

⑨應自行考慮軌道交通運營期間產(chǎn)生的震動、噪音等因素對該項目結(jié)構(gòu)與使用條件等產(chǎn)生的影響。