臨近既有地鐵隧道的軟土基坑工程安全風(fēng)險(xiǎn)分析

張雄健 周德春 周利偉 任輝 俞嘉彬

浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司 浙江 杭州 310014

1 前言

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國城市的軌道交通正逐步進(jìn)入建設(shè)與運(yùn)營并重的發(fā)展階段[1]。隨著城市發(fā)展，在地鐵保護(hù)范圍內(nèi)進(jìn)行基坑開挖等情況越來越多?；邮┕?huì)引起周邊土體變形，從而對周邊土體內(nèi)的地鐵設(shè)施產(chǎn)生影響，特別是在沿海軟土地區(qū)，地層壓縮性和靈敏度高，施工擾動(dòng)更為顯著。臨近既有地鐵設(shè)施受擾動(dòng)影響輕則引起結(jié)構(gòu)變形開裂，降低結(jié)構(gòu)服役性能；重則直接影響地鐵運(yùn)營，導(dǎo)致運(yùn)營事故。因此，臨近既有地鐵設(shè)施施工正成為城市建設(shè)安全的重要問題。

國家安全生產(chǎn)法、建設(shè)工程安全管理?xiàng)l例等文件均要求參建各方制定建立健全風(fēng)險(xiǎn)防范化解機(jī)制，確保安全生產(chǎn)?！冻鞘熊壍澜煌ǖ叵鹿こ探ㄔO(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》（GB50652-2011）針對軌道交通地下工程風(fēng)險(xiǎn)管理建立一套風(fēng)險(xiǎn)界定、風(fēng)險(xiǎn)辨識、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)控制的體系流程。此外，許多學(xué)者和工程師也對臨近地鐵隧道設(shè)施影響因素及評估方法開展研究。魏綱等[2]采用理論分析法推導(dǎo)基坑開挖引起臨近地鐵隧道附加應(yīng)力的計(jì)算公式。張立明[3]等基于基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟土深基坑對臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，基坑分期實(shí)施可有效控制臨近地鐵結(jié)構(gòu)位移。馬紅峰[4]以某基坑臨近南昌地鐵4號線區(qū)間隧道為例，采用三維有限元軟件模擬基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)、周邊土體等變形影響。本文以沿海城市某基坑臨近既有地鐵區(qū)間隧道為例，通過風(fēng)險(xiǎn)辨識、數(shù)值模擬分析基坑自身及臨近既有隧道的風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)分析結(jié)果制定風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施。

2 工程概況

某項(xiàng)目基坑北側(cè)距既有地鐵成型盾構(gòu)隧道外邊線約26.7m，部分位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)?；映叽缂s為249m×165m，挖深9.3m，采用分坑法分為三期開挖。鄰近地鐵隧道一側(cè)為一期基坑，細(xì)分為三個(gè)小坑施工。遠(yuǎn)離隧道側(cè)為二期基坑。一期基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為Φ1000@1200鉆孔灌注樁，樁長約34m；支撐體系為第一道鋼筋砼支撐，第二道組合型鋼支撐，樁外采用650mm厚TRD攪拌墻止水，墻趾深約24m。

影響范圍內(nèi)區(qū)間為盾構(gòu)隧道，外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5m，環(huán)寬1.2m。管片為C50砼，采用錯(cuò)縫拼裝，環(huán)塊以彎螺栓連接。隧道頂埋深約12.45～16.8m，設(shè)計(jì)里程K17+839.6～K18+188.3，不涉及聯(lián)絡(luò)通道及泵站。

圖1 平面位置關(guān)系圖

圖2 剖面位置關(guān)系圖

場地勘察深度范圍內(nèi)涉及土層主要為第四系沉積地層，包括填土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉砂、圓礫等地層，地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。其中基坑開挖主要涉及填土、粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土地層，基坑坑底處于2-4層砂質(zhì)粉土中，TRD止水帷幕位于3層淤泥質(zhì)黏土地層，鉆孔灌注樁樁底位于5-1層粉質(zhì)黏土層。既有地鐵隧道位于3層淤泥質(zhì)黏土。地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于前部粉土、粉砂中，富水性貧乏，屬弱透水層。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

3 工程風(fēng)險(xiǎn)辨識

風(fēng)險(xiǎn)辨識是工程建設(shè)管理的基礎(chǔ)和前提，全面、系統(tǒng)地各類對完成風(fēng)險(xiǎn)辨識是工程建設(shè)管理的基礎(chǔ)和前提。本項(xiàng)目的安全風(fēng)險(xiǎn)分析對象主要是擬建項(xiàng)目基坑本體及對周邊環(huán)境的影響。風(fēng)險(xiǎn)主要分為兩大塊，一是擬建項(xiàng)目基坑的自身風(fēng)險(xiǎn)，二是其建設(shè)對周邊環(huán)境的影響，尤其是對既有地鐵設(shè)施的影響?；庸こ套陨淼姆€(wěn)定是保證工程安全的關(guān)鍵，影響工程基坑工程風(fēng)險(xiǎn)因素眾多。本文根據(jù)工程建設(shè)的時(shí)序劃分風(fēng)險(xiǎn)單元，工程風(fēng)險(xiǎn)主要發(fā)生在規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)包括設(shè)計(jì)條件適用性風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)計(jì)方案可靠性風(fēng)險(xiǎn)；施工階段風(fēng)險(xiǎn)包括施工管理風(fēng)險(xiǎn)、施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)測監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)。

此外，在保證基坑穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，基坑開挖對周邊環(huán)境的變形控制是工程安全管理的另一個(gè)重要目標(biāo)，而基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)是影響變形的重要因素?；涌臻g效應(yīng)包括開挖尺寸、基坑形狀和開挖方式順序三大類[5]。在施工過程中分層、分段開挖可以充分利用基坑支護(hù)的空間效應(yīng)，控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；吳才德等[6]研究臨近隧道基坑開挖的空間效應(yīng)改變影響，認(rèn)為隧道變形臨近基坑開挖面積的增加而非線性遞增，采用分隔墻與分坑措施有利于控制臨近隧道變形。基坑時(shí)間效應(yīng)是由于軟土地基中基坑開挖卸荷所致，土體在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下隨暴露時(shí)間的延長而不可避免地產(chǎn)生移動(dòng)，特別是在坑底以下墻內(nèi)被動(dòng)區(qū)額墻底以下土體滑動(dòng)面等剪應(yīng)力較大的部位，都會(huì)因?yàn)榭拥妆┞稌r(shí)間過長而產(chǎn)生位移，進(jìn)而引起周邊地層變形。特別要注意基坑開挖至每道支撐設(shè)計(jì)深度后，如支撐安裝滯后將明顯增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和相應(yīng)的地表沉降；開挖至坑底標(biāo)高后，如不及時(shí)澆筑好墊層底邊，使基坑長時(shí)間暴露，因軟土的流變特性亦會(huì)增大墻體被動(dòng)壓力區(qū)的土體位移和墻外土體向坑內(nèi)的位移。風(fēng)險(xiǎn)辨識結(jié)果見表2

表2 項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)辨識統(tǒng)計(jì)表

4 數(shù)值模擬分析

本文采用PLAXIS 3D軟件模擬計(jì)算。為確保分析結(jié)果不受邊界約束的影響，模型的X方向（平行于軌道交通走向）取410m，Y方向（垂直于軌道交通走向）取330m，Z方向（厚度方向）取50m。

模型參數(shù)方面，巖土體單元采用小應(yīng)變硬化土本構(gòu)模型，可同時(shí)考慮剪切硬化與壓縮硬化，采用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則，更適用于模擬基坑開挖的變形性狀。結(jié)構(gòu)單元采用彈性本構(gòu)模型。

模擬工況根據(jù)各建設(shè)內(nèi)容先后順序進(jìn)行，主要為：初始地應(yīng)力（位移清零）、既有地鐵隧道激活（位移清零）、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、各分坑第一層土開挖、第一道混凝土支撐施做、左右分坑土開挖及支撐架設(shè)、左右分坑結(jié)構(gòu)回筑及拆撐、中間分坑土方開挖及支撐架設(shè)、中間分坑結(jié)構(gòu)回筑及拆撐。

圖3 有限元模型構(gòu)建

根據(jù)數(shù)值計(jì)算，基坑左右分坑開挖，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移19.8mm，區(qū)間右線隧道水平位移為-1.9mm，豎向位移為-0.7mm，左線隧道水平位移-1.1mm，豎向位移為-0.4mm。中間分坑施工后，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移為20.1mm，區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)水平位移為-2.1mm，豎向位移為-0.8mm，左線隧道水平位移-1.2mm，豎向位移為-1.2mm。由計(jì)算結(jié)果可知，基坑施工對既有地鐵隧道的影響滿足規(guī)范[7]控制標(biāo)準(zhǔn)的要求。具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總表

5 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施

考慮到施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，為確保項(xiàng)目基坑自身穩(wěn)定以及既有地鐵設(shè)施的受力和變形，保證地鐵安全運(yùn)行，從設(shè)計(jì)、施工以及項(xiàng)目管理等方面采取措施控制風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)方面需明確基坑開挖前進(jìn)行試驗(yàn)降水，期間密切關(guān)注近地鐵側(cè)水位變化，確保止水可靠性；明確基坑分坑分區(qū)措施，采取跳挖的施工方法，控制臨近地鐵一側(cè)土方沿圍護(hù)方向一次性開挖長度，減少對盾構(gòu)隧道的影響。

施工方面，在施工前需復(fù)核地質(zhì)條件、地鐵設(shè)施和管線位置，避免因定位問題導(dǎo)致既有地鐵隧道損傷。圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段需合理控制TRD等圍護(hù)樁的施工參數(shù)，后面施工參數(shù)根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，以降低圍護(hù)施工對既有地鐵隧道的影響。土方開挖階段需按照設(shè)計(jì)要求分層、分塊開挖，關(guān)注止水帷幕接縫處施工質(zhì)量和止水效果，發(fā)現(xiàn)滲漏及時(shí)采取相應(yīng)措施；同時(shí)合理規(guī)劃現(xiàn)場場地布置，合理規(guī)劃材料對方和機(jī)械行駛路線，嚴(yán)禁從臨近隧道上方進(jìn)出和堆放材料，控制既有地鐵隧道的上部荷載；開挖見底以后及時(shí)組織人力進(jìn)行墊層和底板澆筑，減少基坑無支撐暴露時(shí)間。拆撐階段，臨近地鐵側(cè)支撐需采用靜力切割，減少振動(dòng)對地鐵的影響。

項(xiàng)目管理方面，首先需建立信息化動(dòng)態(tài)管控機(jī)制，制定地鐵保護(hù)專項(xiàng)監(jiān)測方案，加強(qiáng)監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)評估工程安全狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整施工方案；其次制定建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、評估以及地鐵管理部門等單位的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，協(xié)調(diào)好各方力量保證工程安全；最后制定完善的應(yīng)急預(yù)案，落實(shí)人力、物資與資金配置。

6 結(jié)論

本文以沿海城市某臨近既有地鐵隧道的軟土基坑為例，按照風(fēng)險(xiǎn)辨識、定量模擬評估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理路線對基坑自身以及臨近的地鐵隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)從設(shè)計(jì)、施工和項(xiàng)目管理三個(gè)方面提供了風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施建議?；訉?shí)施對既有隧道的影響大小。

（1）基坑臨近開挖后導(dǎo)致地層卸荷變形，引起臨近既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形?；庸こ田L(fēng)險(xiǎn)貫穿設(shè)計(jì)與施工全過程，主要包括設(shè)計(jì)條件適合性、設(shè)計(jì)方案可靠性、施工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、施工管理風(fēng)險(xiǎn)以及監(jiān)測監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)幾個(gè)方面。

（2）根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在規(guī)范施工的條件下基坑自身變形以及對臨近既有隧道的影響均在規(guī)范控制范圍內(nèi)。其中基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)變形影響主要集中于一期左、右分坑開挖期間發(fā)生，占累計(jì)變形的80%以上；一期中間分坑以及二期基坑開挖引起變形相對較小。

（3）為確保項(xiàng)目自身與臨近既有地鐵安全，現(xiàn)場實(shí)施期間應(yīng)加強(qiáng)基坑降水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工參數(shù)、土方開挖、工程荷載、無支撐暴露時(shí)間等因素的控制，建立信息化監(jiān)控、多方聯(lián)動(dòng)和預(yù)警預(yù)案管理等措施。