深基坑工程施工對臨近地鐵隧道結構的安全評價研究

摘要：簡述深基坑工程施工技術在當今社會的應用價值。介紹深基坑工程施工的技術要點，建立深基坑工程數值模型，分析深基坑工程對臨近地鐵隧道的影響因素，并采取相應控制措施。重點闡述了深基坑工程風險分析與安全評價的方法，以有效預測和評估施工對臨近地鐵隧道的潛在風險，保障工程的安全和穩定，相關成果可供同行業技術人員參考。

關鍵詞：深基坑；地鐵隧道；數值模型；風險分析；層次分析法；安全評價

0" "引言

在深基坑工程施工過程中，存在地下開挖、土體變形以及水文地質環境的改變等因素，可能會對臨近的地鐵隧道結構產生潛在的影響。這些影響包括但不限于地鐵隧道的沉降變形、地表建筑物的傾斜或損壞等，從而導致不可預見的安全風險和工程事故。因此，深入評估深基坑工程對臨近地鐵隧道結構安全的影響，對于科學規劃和有效管理城市地下空間具有重要的理論和實踐意義。

本文旨在通過系統性的實踐研究，并結合數值模擬和實測數據分析，探討深基坑工程施工對地鐵隧道結構安全的潛在影響機制及其影響程度，以確保城市地下空間的安全運營。

1" "深基坑技術概述

深基坑工程的施工技術不僅涵蓋了地面支護、開挖方法與機械、土體處理與加固，還包括監測與控制、安全管理與環境保護等方面。這些技術手段的合理應用和協調配合，能夠有效確保深基坑工程施工的安全、高效進行，最大程度地減少對周圍環境和結構物的影響[1]。深基坑工程施工工序如圖1所示。地面支護系統是確保施工期間周圍建筑物和地下設施穩定的關鍵措施，常見的支護技術包括鋼支撐樁、混凝土墻、錨桿等，需根據地質條件和開挖深度選擇合適的支護方式。開挖方法與機械選擇對深基坑工程施工至關重要，通常使用挖掘機、鉆孔機等機械設備進行開挖，必要時采用爆破技術或沖擊挖掘機械。

在開挖過程中，需要重點考慮土體的處理與加固，包括土體加固、梯度排水、地下水控制等措施，以減少土體變形和維護周圍地下水位的穩定性。在施工過程中，實時監測深基坑及其周圍環境的變化非常重要，包括地表沉降、結構變形和地下水位變化等參數，及時調整施工方案和應對突發情況。安全管理和環境保護是整個施工過程的重中之重，需要有效管控施工現場的安全風險，控制噪聲、振動、塵土等污染，保護周圍環境和居民的生活質量[2]。

2" "工程概況

2.1" "基坑概況

某擬建深基坑工程包括9幢21～31層住宅樓，5幢14～24層辦公樓，場區分布1～4層地下室。本次影響區范圍內有3層地下室，其上部建筑有1幢21層住宅樓、1幢24層辦公樓和1幢14層酒店。基坑開挖深度為9.2～13.7m，基坑底標高4.8～5.3m，地面標高16～19m。

該工程北側為市政道路，基坑上口距北側道路約23m，路面標高略高于場內地坪，存在雨水倒灌的風險。南側為鐵路軌道，地下靠近地鐵隧道，位于地鐵50m保護區內，環境復雜，對支護要求高。西側為現有道路，基坑上口距西側道路最短107m，路面標高與場地相近。東側為空地，場地標高低于本地塊。

2.2" "地質概況

此工程周圍地質由于不同年代的沉積層交替出現，導致了土層性質變化顯著，對施工難度和風險管理提出了更高要求，土層分布如表1所示。

沿線地下水主要為基巖裂隙水，通常包括兩種類型。一種是風化裂隙水，其存在于基巖的風化層和風化裂隙中，由風化作用形成的裂隙網絡中積聚的地下水。該類型地下水通常在地表以下幾米到十幾米的深度處，水流較慢，水質可能受風化物質影響。另一種是構造裂隙水，其存在于基巖中的構造裂隙和斷層中，由地質構造活動形成的裂隙系統中積聚的地下水。此類水通常在較深的基巖層中，水流較快，流量和水質可能受斷層和裂隙的影響。

3" "深基坑施工對臨近地鐵隧道的影響

3.1" "數值模型建立

3.1.1" "模型結構

利用建模軟件對深基坑施工和臨近地鐵隧道的情況進行模擬建模，模型縱向為260m，橫向為140m，深度為30m，涵蓋所有受影響結構。為提高計算效率，模型使用四面體單元構建而成。

3.1.2" "設置約束條件

模擬約束條件為在前后和左右方向分別施加水平約束和底面施加豎向約束，頂面為自由表面。地層使用摩爾—庫侖模型，該模型能夠有效地描述材料在不同應力狀態下的剪切強度，并考慮了內摩擦角和黏聚力等因素。隧道及相關結構采用彈性模型，假設材料在應力作用下的變形與應力成線性關系，可以描述許多工程材料在小變形范圍內的行為。

3.1.3" "模擬參數選擇

在進行數值模擬計算時，相關參數的選擇和提供至關重要，同時這些參數需要根據實際工程條件和材料特性進行調整和驗證，以確保模擬計算的準確性和可靠性。力學指標參數見表2。

3.2" "施工的影響因素

深基坑施工對隧道結構的主要影響，來自于深基坑開挖過程中臨近地鐵隧道周圍應力場的改變，開挖會使原有的土體應力部分釋放，尤其在開挖區域及周邊，原有的應力狀態會顯著變化[3]。這種變化會引起地層的沉降和傾斜，進而影響地鐵隧道的穩定性。同時，開挖也可能導致地下水位的變化，從而進一步影響土體和結構的穩定性[4]。

在深基坑開挖過程中，支護結構失去了對基坑內側的靜態土壓力支持，導致基坑外的土壓力轉變為主動土壓力，從而壓力減小。這種變化使得樁的內外側受力方向指向基坑內部，導致支護結構向基坑內發生位移。地鐵隧道結構水平、豎向位移變化曲線如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著繼續開挖，土體的側向卸載增加，減小了對結構的約束，水平位移隨之增大，最大水平變形發生在基坑開挖至設計標高階段，最大位移為-0.25mm，位移方向朝向基坑一側。總體來看，施工對隧道的影響主要體現在水平位移，豎向位移變化不明顯。

3.3" "施工控制措施

為了控制深基坑施工對地鐵隧道結構的影響，需要采取綜合措施。在施工前，應進行詳細的地質勘察，了解土層和地下水情況，以預測開挖對應力場和結構穩定性的影響。在設計階段，優化支護系統，包括使用錨桿、支撐梁、鋼管樁等，并設計有效的排水系統來控制地下水位變化。施工過程中，必須進行實時的位移和應力監測，及時發現并處理異常情況。控制開挖速率也是關鍵，應分階段開挖，限制每次開挖的土體量，以減少對周邊土體的擾動。需要對支護結構進行定期檢查和維護，根據監測數據及時調整支護措施，以應對實際情況的變化。需要進行風險評估并制定應急預案，確保在發生意外情況時能夠迅速有效地處理。

4" "深基坑工程風險分析與安全評價

4.1" "風險分析

4.1.1" "風險評價涉及因素

深基坑工程風險評價涉及多個方面。工程周邊的地質條件需要詳細的評估，包括土層結構、土壤類型及其強度和穩定性，以及地下水位的情況。基坑設計也是關鍵因素，開挖深度和支護系統的設計直接影響施工風險。施工過程中的開挖速率和施工方法會影響到基坑的穩定性及周邊環境的安全。

結構安全的評估包括對基坑及周邊結構的位移和應力監測。環境影響也需要考慮，如地表沉降和施工過程中產生的振動和噪聲。風險管理方面，必須識別潛在風險點并制定應急預案，確保有針對性的響應措施。同時，實時監測基坑的變形、地下水位和支護結構的狀態，并記錄施工數據，以便分析和預防問題。綜合考慮這些因素，有助于全面評估和控制深基坑工程的風險[5]。

4.1.2" "風險評價指標

根據對深基坑工程全生命周期的風險分析，結合國內外相關的研究成果，并依據代表性、易獲性、系統性等評價指標，本文提出深基坑風險評價指標體系。該體系分為3個主要階段：設計及施工準備階段、施工階段和使用階段。具體的風險指標包括地質水文風險、周邊環境風險、造價控制風險、設計方案風險、地下管線相關風險、管理風險、基坑坡頂超載、不良天氣影響等。這些指標涵蓋了從設計準備到施工和使用各個階段的潛在風險。

4.2" "安全評價

4.2.1" "指標體系權重計算

本文指標體系權重計算采取層次分析法。層次分析法是一種解決復雜決策問題的系統方法。層次分析法需要先確定決策目標并將其分解為多個層次，包括目標層、準則層和方案層，并建立判斷矩陣，對每一層的元素進行兩兩比較，評估它們的相對重要性或優先級。其次，根據判斷矩陣計算各層次元素的權重，使用特征值和特征向量的方法來得出相對權重，并檢查判斷矩陣的一致性，確保一致性比率在可接受范圍內。最后，將準則層和方案層的權重加權匯總，計算各方案的綜合得分，選擇得分最高的方案。通過這種結構化的過程，可以幫助識別和比較不同因素的重要性。計算得到的安全評價指標權重見表3。

4.2.2" "安全評價分析

根據表3分析可知，施工階段風險在所有階段中最為重要，這說明施工階段的風險控制對深基坑工程的整體安全和成功至關重要。設計及使用階段的風險次之，表明設計和使用階段的風險管理，也對工程的長期穩定性有重要影響。使用階段的風險相對較低，影響較小。對于評價指標，地下管線相關風險、管理風險、基坑坡頂超載和其他風險的綜合權重最高，這表明有效的風險管理應重點關注這些領域，同時在設計和使用階段也需要適當的風險控制。

5" "結束語

施工過程中的開挖卸載和土體擾動會顯著影響地鐵隧道的原有應力場，可能引發地層沉降、傾斜及地下水位變化，影響隧道的結構穩定性。通過對基坑設計、施工方法以及實時監測數據的綜合分析，能夠有效預測和評估施工對地鐵隧道的潛在風險。

重點關注施工階段的關鍵因素如地下管線、基坑坡頂超載以及管理措施，是確保隧道結構安全的重要手段。采用科學的風險評價指標體系和動態的風險管理策略，可以在施工過程中有效減小對臨近地鐵隧道結構的影響，保障工程的安全和穩定。

參考文獻

[1]" 高洪赟，徐天涵，王志華，等.深基坑開挖對自身圍護結構及鄰近隧道的影響研究[J/OL].中外公路，1-14[2024-12-16].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1363.u.20240403.1818.004.html.

[2]" 王衛東.軟土深基坑變形及環境影響分析方法與控制技術[J].巖土工程學報，2024，46（1）：1-25.

[3]" 管大剛，胡志明，鄭鵬鵬，等.開挖順序及內支撐早期剛度對軟土基坑穩定性影響規律[J].建筑科學與工程學報，2024，41（2）：181-190.

[4]" 陳富翔，謝志恒.軟弱地層狹長深基坑開挖對鄰近建筑變形穩定性分析—以成都30號線玉石站為例[J].科技和產業，2024，24（4）：240-246.

[5]""""" 沈高.基于G-COWA的地鐵車站深基坑施工風險評價[J].現代城市軌道交通，2024（2）：118-123.