楊日林 YANG Ri-lin

（深圳香蜜湖國(guó)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(xiàng)目的快速發(fā)展，經(jīng)常會(huì)遇到工程項(xiàng)目在基坑開挖施工期間對(duì)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的施工銜接問題。臨近地鐵周邊進(jìn)行工程活動(dòng)對(duì)地鐵正常運(yùn)營(yíng)是一個(gè)極大的風(fēng)險(xiǎn)，鄰近地鐵隧道建筑項(xiàng)目在基坑開挖施工期間會(huì)引起周邊巖土層與隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，也會(huì)容易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加荷載和位移變形，如果因此導(dǎo)致質(zhì)量安全問題將造成無法估量的事故責(zé)任和經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)臨近地鐵周邊的工程建設(shè)過程強(qiáng)化安全風(fēng)險(xiǎn)管控至關(guān)重要，更對(duì)地鐵正常運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定可靠保障是個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn)。

現(xiàn)如今，城市現(xiàn)代化建設(shè)加速、城市地面建筑和地下管線密集、各類交通設(shè)施工程開發(fā)需求增加，建立地鐵運(yùn)營(yíng)危險(xiǎn)源查找、識(shí)別、分析、評(píng)價(jià)、管控體系，對(duì)地鐵周邊的每個(gè)在建、擬建項(xiàng)目進(jìn)行嚴(yán)格審查，從而為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供有力保障。

因此，針對(duì)建筑工程基坑開挖施工對(duì)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的巖土擾動(dòng)和位移變形影響進(jìn)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(shè)項(xiàng)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(jì)算及工況分析，并提出了施工安全監(jiān)督與安全保護(hù)建議，對(duì)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(xiàng)目，周邊交通發(fā)達(dá)，城市軌道交通2、7、9 號(hào)三條地鐵線環(huán)繞，其中地鐵2 號(hào)線位于場(chǎng)地北側(cè)213m，場(chǎng)地西南側(cè)最近距離169m 處7 號(hào)線及南側(cè)最近距離13m 處9 號(hào)線。場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)狀標(biāo)高在10.6～17.2m 之間，場(chǎng)地東北角地勢(shì)較高，其它地段向南、向西方呈緩坡向，逐漸降低。擬建項(xiàng)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(shè)計(jì)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(zhǎng)約為1070m?；幽蟼?cè)距離主干道機(jī)動(dòng)車道邊線約27.8～40m，距離地鐵9 號(hào)線≥41m；基坑西側(cè)距離快速路機(jī)動(dòng)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?xùn)|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(hù)結(jié)構(gòu)體系

場(chǎng)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(xì)砂等軟弱土體，基坑西、北、南側(cè)均存在的粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂等強(qiáng)透水層，支護(hù)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(shè)計(jì)未明確等因素，本工程主體基坑支護(hù)設(shè)計(jì)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(hù)，其中前排樁為?1.2m@2m 咬合樁，后排樁為?1.2m@4m/?1.5m@2m（個(gè)別區(qū)域）C30 灌注樁，前后排樁采用1000*1000mm 鋼筋砼連梁；基坑?xùn)|北側(cè)、東側(cè)采用單排樁+錨索支護(hù)，排樁均為?1.2m@1.6m 灌注樁，錨索支護(hù)段豎向設(shè)置3 道預(yù)應(yīng)力錨索；基坑?xùn)|側(cè)入負(fù)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(hù)，基坑西北側(cè)入負(fù)一層地下室下車坡道基坑采用?1.5m@2m 懸臂排樁支護(hù)，下車坡道基坑均待主體基坑地下室施工完成后再實(shí)施。

1.2 截水帷幕

根據(jù)場(chǎng)地砂層的強(qiáng)透水性，地下水的處理是基坑安全的關(guān)鍵所在，基于安全及經(jīng)濟(jì)的考慮以及本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑截水設(shè)計(jì)結(jié)合場(chǎng)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(xué)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(duì)土體產(chǎn)生影響，及時(shí)排出邊坡滲水及基坑內(nèi)積水，在基坑頂部和底部各設(shè)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(jí)沉淀后排入周邊市政管道。對(duì)于可能影響基坑頂臨時(shí)邊坡穩(wěn)定的地表滲水，對(duì)基坑頂排水溝范圍的臨時(shí)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(hù)主要采用雙排樁或單排樁+錨索支護(hù)，局部下車坡道基坑采用排樁+內(nèi)支撐或單排樁懸臂支護(hù)，為控制場(chǎng)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(guān)系

本基坑工程臨近地鐵場(chǎng)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(diǎn)保護(hù)區(qū)，10m 至50m 內(nèi)為控制保護(hù)區(qū)，因此本基坑工程位于該臨近地鐵控制保護(hù)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?；优c地鐵隧道位置關(guān)系見圖1。

圖1 基坑工程與地鐵隧道的位置關(guān)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(shì)平坦，場(chǎng)地西北角地勢(shì)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(zhǎng)方形，場(chǎng)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(chǎng)地高程10.6～17.2m，北高南低，呈多邊形。場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)地北側(cè)2.0 公里為水庫，場(chǎng)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(cè)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(jìn)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(cè)得洪水位約11.5m。

②地下水。本場(chǎng)地主要受大氣降水滲入補(bǔ)給，場(chǎng)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(bǔ)給，二者具較密切水力聯(lián)系，枯水期水庫水位略低于場(chǎng)地地下水，場(chǎng)地地下水補(bǔ)給水庫，豐水期，水庫水位較高，略高于場(chǎng)地地下水，水庫水補(bǔ)給地下水。

場(chǎng)地包括2 個(gè)施工區(qū)域。第1 個(gè)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(gè)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(chǎng)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(xì)砂、中粗砂及礫砂為按中等強(qiáng)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(hù)樁、土石方開挖及錨索、樁基礎(chǔ)等三個(gè)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(yùn)輸?shù)炔焕蛩?。本工程基坑開挖面積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(duì)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(hù)樁按類型主要為咬合樁和灌注樁，施工區(qū)域按完成工序?yàn)? 個(gè)階段，支護(hù)樁施工可能引起場(chǎng)區(qū)巖土層與地鐵隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布和變形；②依據(jù)地勘報(bào)告和土方量測(cè)算，綜合考慮土方棄土場(chǎng)、棄土運(yùn)距和棄土運(yùn)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(shí)超載都會(huì)對(duì)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(huì)引導(dǎo)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(jìn)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(hù)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(yīng)力重分布和沉降情況。④研究基坑施工對(duì)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的空間和力學(xué)響應(yīng)情況，分析基坑施工對(duì)地鐵隧道的安全穩(wěn)定性，并提出安全合理的基坑工程設(shè)計(jì)與施工建議。

5 研究過程

5.1 運(yùn)用專業(yè)軟件

采用專用有限元分析軟件MIDAS/GTS NX 進(jìn)行有限元計(jì)算及工況分析，利用基坑開挖、支護(hù)施工以及土方回填等施工工序進(jìn)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(yīng)。

綜合考慮本基坑工程地下水位變化情況，本次模擬計(jì)算采用應(yīng)力-滲流三維耦合模型。主要計(jì)算模擬流程為：①應(yīng)力平衡（初始應(yīng)力狀態(tài)）+初始滲流場(chǎng)模擬+既有區(qū)間隧道施工（位移清零）；②基坑支護(hù)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(jì)算

5.2.1 計(jì)算內(nèi)容

在MIDAS 三維有限元模型中，采用三維實(shí)體單元模擬地層，采用板單元模擬支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道結(jié)構(gòu)。模型計(jì)算的范圍以基坑外輪廓為基準(zhǔn)、再外擴(kuò)約2 倍基坑深度。模型計(jì)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(guān)系以及本基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工特點(diǎn)，分析基坑開挖過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形差異。數(shù)值分析時(shí)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(zhǎng)寬高分別為490m×540m×80m。

5.2.2 計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)屬性如表2 所示。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)屬性表

③結(jié)構(gòu)特性如表3 所示。

表3 支護(hù)結(jié)構(gòu)特性表

6 有限元計(jì)算結(jié)果分析

6.1 三維模型計(jì)算結(jié)果

通過數(shù)值計(jì)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(chǎng)第一層并施做支護(hù)

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(jì)算結(jié)果分析

由三維數(shù)值模擬分析得出，當(dāng)該基坑工程開挖至坑底時(shí)，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(hù)技術(shù)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(guān)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(biāo)詳見表4。

表4 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)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(jì)算及工況分析，并提出施工安全監(jiān)督與安全保護(hù)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(duì)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(yùn)營(yíng)。但考慮到該基坑工程支護(hù)施工可能遇到的極端事故等不利因素，應(yīng)提前做好應(yīng)急搶險(xiǎn)排查與處置預(yù)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(shí)，因此在基坑支護(hù)施工時(shí)應(yīng)減少基坑底部區(qū)域的暴露時(shí)間，盡早做好坑底結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并回填。

③基坑設(shè)計(jì)及施工應(yīng)滿足各項(xiàng)法律法規(guī)和技術(shù)規(guī)范要求，嚴(yán)格按照《城市軌道交通安全保護(hù)第三方監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)》里關(guān)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)周邊可施工范圍的有關(guān)規(guī)定，對(duì)基坑工程施工全過程進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。

④對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響較大的危險(xiǎn)源主要有基坑支護(hù)施工、基坑降排水施工，應(yīng)避免爆破等劇烈施工，嚴(yán)防大面積、大幅度的地下水位異常下降現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)禁施工過程中在地鐵隧道上方進(jìn)行大面積、大荷載、長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備集中堆載以及大型工程車高頻次運(yùn)行。

⑤針對(duì)工程各種危險(xiǎn)源和各類工況，工程開工前應(yīng)編制專項(xiàng)施工組織設(shè)計(jì)或?qū)ｍ?xiàng)應(yīng)急處置預(yù)案和獎(jiǎng)懲機(jī)制，在施工過程中應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行定期檢查監(jiān)督和不定期抽查，嚴(yán)肅要求各施工單位認(rèn)真落實(shí)整改，嚴(yán)格加強(qiáng)各種危險(xiǎn)源管控工作。

⑥項(xiàng)目建設(shè)單位應(yīng)委托具有相應(yīng)專項(xiàng)資質(zhì)的專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(cè)方案，并報(bào)地鐵建設(shè)單位審查通過后方可實(shí)施。

⑦基坑開挖施工時(shí)，應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、對(duì)稱、限時(shí)的原則，并定期及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)地貌情況。當(dāng)施工開挖至基坑底設(shè)計(jì)高程時(shí)，應(yīng)立即進(jìn)行墊層施工、做好防水層及地下結(jié)構(gòu)防護(hù)施工，避免因基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露而增加了臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)在基坑內(nèi)預(yù)留反壓土，減小因基坑土方開挖卸載對(duì)臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

⑧為控制基坑施工對(duì)軌道交通造成的影響，建設(shè)單位應(yīng)落實(shí)對(duì)工地現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)督管理，確保施工單位按軌道交通設(shè)施保護(hù)方案施工，向現(xiàn)場(chǎng)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(hù)方案落實(shí)情況、靠軌道交通一側(cè)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)以書面報(bào)告形式向地鐵建設(shè)單位報(bào)備。

⑨應(yīng)自行考慮軌道交通運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的震動(dòng)、噪音等因素對(duì)該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)與使用條件等產(chǎn)生的影響。