分析基坑施工對臨近隧道的影響和對策

李亞龍

摘 要：在大興城市化建設(shè)的今天，越來越多的隧道建筑出現(xiàn)在交通工程與排泄、管纜項目中。但是，不管是地上還是地下，可利用的土地空間是十分有限的，新建工程的基坑施工與臨近隧道的交叉建設(shè)不可避免，前者對后的影響也是必然存在的。嚴(yán)重的情況下，基坑施工甚至?xí)鹋R近隧道的變形，以致爆發(fā)安全問題與使用問題。因此，如何在保證臨近隧道原有功效的前提下進(jìn)行合理的基坑施工是國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者急需面對的一個問題。本文從不同施工角度進(jìn)行切合實(shí)際的理論分析，總結(jié)出基坑施工對臨近隧道的影響，并提出相應(yīng)的對策，以期為相關(guān)工程提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：基坑施工；臨近隧道；影響；對策；

引言

自二戰(zhàn)以來，世界大部分地區(qū)進(jìn)入以經(jīng)濟(jì)建設(shè)為重心的和平年代，中國也不例外。伴著改革開放后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展浪潮，都市化進(jìn)城日新月異，人們在僅有的土地資源基礎(chǔ)上開始向高空與地下探索可利用的建筑空間。隧道的出現(xiàn)大大提高了人們對自然資源的利用率，尤其是交通方面。隧道在交通領(lǐng)域的應(yīng)用案例最早可以追溯到公元前兩千兩百年，一條長達(dá)900米的磚砌隧道貫穿了幼發(fā)拉底河的兩岸。如今的大都市地下分布的不僅僅有錯綜復(fù)雜的隧道網(wǎng)絡(luò)，停車、商場、倉庫等也轉(zhuǎn)戰(zhàn)到了地下空間。在工程建設(shè)中“越來越深、越來越大、越來越近”成了基坑施工的特點(diǎn)，這便意味著在如此復(fù)雜的地下環(huán)境開展基坑施工面臨著巨大困難，是一個綜合了地域、實(shí)踐、風(fēng)險等特性的細(xì)微工程。

近幾年來，基坑施工所面臨的施工難度越來越大。在典型的地質(zhì)松軟地區(qū)，土壤濕度大、易流動、易壓縮，難滲透，基坑施工中稍有不慎便會改變臨近隧道的土體力場，從而導(dǎo)致臨近隧道變形過大，引發(fā)安全隱患，給社會經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。因此，基坑施工需要考慮的不僅僅有技術(shù)、資金問題，還有對鄰近隧道影響的問題，對此提出相應(yīng)的解決方法是十分有戰(zhàn)略意義的。

一、基坑施工對臨近隧道的影響表現(xiàn)

隧道發(fā)生形變或者被破壞的表現(xiàn)形式是有很多種的，如隧道漏水、材料裂化等，都可以用隧道開裂、變形這一點(diǎn)概括起來，而引起隧道開裂、變形就是力的作用?；邮┕εR近隧道的影響也離不開力的改變這一理論規(guī)律，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）偏壓力作用，導(dǎo)致隧道開裂、變形

當(dāng)基坑施工影響隧道上方巖體壓力失衡時，隧道就會承受相應(yīng)的偏壓載荷，進(jìn)而引起隧道變形。其特征為：隧道的支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)一側(cè)承受了壓應(yīng)力而另一側(cè)沒有承受壓應(yīng)力。受力不均勻會造成隧道一側(cè)上抬，當(dāng)隧道上部拱肩處出現(xiàn)橫線裂紋時，隧道會沿著裂縫方向受到剪形破壞。

（2）承載力不足，導(dǎo)致隧道開裂、變形

隧道建成后，隨著時間的推移，材質(zhì)慢慢劣化、塑性區(qū)漸漸變形、濕度逐漸生高都會大大降低隧道的承載力。當(dāng)基坑施工的進(jìn)行導(dǎo)致臨近隧道的承載下降后，臨近隧道便開始出現(xiàn)裂紋。這些裂紋發(fā)生在隧道下沉期，先在邊墻呈垂直狀進(jìn)而隨著時間的推呈環(huán)狀。下沉分界線取區(qū)域的隧道墻體結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)性質(zhì)形狀相似的裂紋。

（3）頂部松弛壓力，導(dǎo)致隧道開裂、變形

基坑施工過程會引起隧道上方部位的巖土松弛，無法承受自身重量進(jìn)而脫落。此時隧道拱頂部位銀荷載大大增加出現(xiàn)以張性裂隙為主的裂紋。在隧道的被動變形區(qū)域內(nèi)主要是張性開裂紋以及縱向斜裂紋。

（4）周圍壓力膨脹，導(dǎo)致隧道開裂、變形

基坑施工時，隧道周身壓力的膨脹會引起隧道支撐保護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的剪力，進(jìn)而在水平方向出現(xiàn)的開裂紋路形態(tài)比較復(fù)雜。在此情況下，產(chǎn)生裂紋有兩種情況，一是隧道拱腰縮小，拱頂被動上抬；二隧道是拱頂下沉，拱腰被動外擠。

二、基坑施工對臨近隧道產(chǎn)生影響的機(jī)理

基坑施工之所以對鄰近隧道產(chǎn)生影響，除了不可避免的位置關(guān)系，施工工藝的不完善正是造成這種影響的主要原因?；邮┕ぐ凑帐┕ろ樞蚩梢苑譃榍捌谥ёo(hù)結(jié)構(gòu)施工階段、中期降水施工階段（當(dāng)基坑地基高于地下水位時不需要）、后期主題開挖階段三部分。接下來，本文就從基坑施工的三個方面解析產(chǎn)生這種影響的原因。

（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理

“地連墻”、“鉆孔灌注”是基坑施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)常用的注樁方法，但這會引起土地結(jié)構(gòu)中側(cè)向應(yīng)力的釋放，臨近的巖體結(jié)構(gòu)會順著相應(yīng)力的釋放向上抬動、拱起，進(jìn)而引發(fā)隧道位移。

（2）降水施工的影響機(jī)理

當(dāng)基坑底部低于地下水位時 ，基坑施工需要進(jìn)行工程降水。在基坑降水實(shí)施后，基坑內(nèi)及臨近巖土結(jié)構(gòu)沒有了水浮力的影響，只剩了自身的重力，這無疑會改變臨近隧道原有力場結(jié)構(gòu)，增加額外負(fù)載，進(jìn)而引起隧道變形。另外，地下水位下降意味著水從土壤中排出，原有的土質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了固化效應(yīng)，土層中內(nèi)部相互作用力增加，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周圍地基下降，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)隧道整體下沉的惡劣情況。

（3）基坑開挖的影響機(jī)理

基坑開挖就是將巖土挖出、移除、卸載的過程，伴隨著土體的移動和反彈現(xiàn)象，首先，工程范圍內(nèi)土體在修復(fù)力場改變的過程中會發(fā)生位移；其次，基坑開挖過程會降低土體濕度，損失水分，產(chǎn)生排水固化現(xiàn)象，最后，基坑移除卸載施工會引起土體內(nèi)在相互作用力的力場發(fā)生改變，原本已經(jīng)穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)在受到干擾滯后會發(fā)生再次蠕動現(xiàn)象，也會引起土體移位。隨著施工進(jìn)度的深入，開挖范圍越來越大、深度越來越深，這便波及到了臨近隧道，并且影響越來越大。尤其當(dāng)基坑施工引起土體變形到達(dá)臨近隧道結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)時，開挖過程中應(yīng)力從土體內(nèi)向基坑內(nèi)傳遞而變形傳遞方向則剛好相反。

三、基坑施工對鄰近隧道產(chǎn)生影響的對策

（1）實(shí)地考察，建立實(shí)時數(shù)據(jù)模型

基坑施工對臨近隧道不管是通過何種因素產(chǎn)生的影響，統(tǒng)統(tǒng)表現(xiàn)在臨近力場的改變上，進(jìn)而引起隧道變形。前期的數(shù)據(jù)模擬建模工作是極為重要的，需要工作人員進(jìn)行大量的實(shí)地測量與記錄。測量數(shù)據(jù)包括基坑周圍土質(zhì)結(jié)構(gòu)、土質(zhì)濕度（水含量）變化規(guī)律、土質(zhì)元素構(gòu)成比例、土質(zhì)流動系數(shù)以及臨近隧道建造年限、建造材質(zhì)、建造標(biāo)準(zhǔn)等，當(dāng)然基坑距臨近隧道的距離也是一個極為重要的數(shù)據(jù)。通過以上數(shù)據(jù)的測量與匯總，采用三維建模，對基坑施工進(jìn)行時間模擬，記錄模擬施工過程會出現(xiàn)的各種問題，補(bǔ)充實(shí)際施工的參考數(shù)據(jù)庫。

（2）采用合適的基坑支護(hù)方式

在基坑開挖的過程中，采用基坑支護(hù)措施是解決臨近隧道開裂、變形行之有效的方法，且支護(hù)方案越好，控制效果越好?；拥闹ёo(hù)有四種方案，分別是樁板加支撐支護(hù)、樁板支護(hù)、連續(xù)墻支護(hù)、無支護(hù)。經(jīng)大量的數(shù)據(jù)試驗(yàn)表明這四種支護(hù)方案的在控制效果上按著無支護(hù)、樁板支護(hù)、樁板加支撐支護(hù)、連續(xù)墻支護(hù)的順序由低到高排列。但是由于連續(xù)墻支護(hù)方案對經(jīng)濟(jì)狀況、實(shí)地環(huán)境的要求過高，并不是每個方案的最優(yōu)選擇。所以排除極為個別的因素影響，樁板加支撐的支護(hù)可以算得上是比較優(yōu)秀對的基坑支護(hù)方案，適應(yīng)于大部分基坑施工工程。

（3）控制基坑爆破標(biāo)準(zhǔn)

基于前期數(shù)據(jù)搜集與建模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，判斷臨近隧道所能承受的震動等級。爆破會產(chǎn)生基坑施工中最劇烈、最集中的地質(zhì)變動，相應(yīng)的會引起土體內(nèi)應(yīng)力的一些列改變，但一定要保證爆破產(chǎn)生的應(yīng)力值變動在臨近隧道可承受范圍內(nèi)。

四、結(jié)語

近年來，如何解決基坑施工對臨近隧道產(chǎn)生的影響成為了困擾中外學(xué)者的難題，相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜以趯?shí)地考察然后建模試驗(yàn)的基礎(chǔ)上取得了優(yōu)異的研究成果，但由于工程造價、施工設(shè)計、地質(zhì)環(huán)境的原因，在業(yè)內(nèi)并沒有形成統(tǒng)一參考標(biāo)準(zhǔn)。本文從基坑施工的工藝流程與隧道變形的本質(zhì)入手探討了基坑施工對臨近隧道影響的問題，并總結(jié)出了一套適合基坑施工要求的理論方法，以期為中國的現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展盡些綿薄之力。

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