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，我國城市的軌道交通正逐步進入建設(shè)與運營并重的發(fā)展階段[1]。隨著城市發(fā)展，在地鐵保護范圍內(nèi)進行基坑開挖等情況越來越多?；邮┕鹬苓呁馏w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，施工擾動更為顯著。臨近既有地鐵設(shè)施受擾動影響輕則引起結(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營，導致運營事故。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)工程安全管理條例等文件均要求參建各方制定建立健全風險防范化解機制，確保安全生產(chǎn)?！冻鞘熊壍澜煌ǖ叵鹿こ探ㄔO(shè)風險管理規(guī)范》（GB50652-2011）針對軌道交通地下工程風險管理建立一套風險界定、風險辨識、風險估計、風險評價與風險控制的體系流程。此外，許多學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基坑開挖引起臨近地鐵隧道附加應力的計算公式。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空效應，基坑分期實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，通過風險辨識、數(shù)值模擬分析基坑自身及臨近既有隧道的風險，并根據(jù)分析結(jié)果制定風險預控措施。

2 工程概況

某項目基坑北側(cè)距既有地鐵成型盾構(gòu)隧道外邊線約26.7m，部分位于地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)。基坑尺寸約為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，細分為三個小坑施工。遠離隧道側(cè)為二期基坑。一期基坑圍護結(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)計里程K17+839.6～K18+188.3，不涉及聯(lián)絡通道及泵站。

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 土層物理力學指標

3 工程風險辨識

風險辨識是工程建設(shè)管理的基礎(chǔ)和前提，全面、系統(tǒng)地各類對完成風險辨識是工程建設(shè)管理的基礎(chǔ)和前提。本項目的安全風險分析對象主要是擬建項目基坑本體及對周邊環(huán)境的影響。風險主要分為兩大塊，一是擬建項目基坑的自身風險，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險因素眾多。本文根據(jù)工程建設(shè)的時序劃分風險單元，工程風險主要發(fā)生在規(guī)劃設(shè)計與施工階段，規(guī)劃設(shè)計階段風險包括設(shè)計條件適用性風險、設(shè)計方案可靠性風險；施工階段風險包括施工管理風險、施工作業(yè)風險、監(jiān)測監(jiān)控風險。

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重要目標，而基坑開挖的時空效應是影響變形的重要因素?；涌臻g效應包括開挖尺寸、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的空間效應，控制基坑圍護結(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改變影響，認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?；訒r間效應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)下隨暴露時間的延長而不可避免地產(chǎn)生移動，特別是在坑底以下墻內(nèi)被動區(qū)額墻底以下土體滑動面等剪應力較大的部位，都會因為坑底暴露時間過長而產(chǎn)生位移，進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)計深度后，如支撐安裝滯后將明顯增加圍護結(jié)構(gòu)變形和相應的地表沉降；開挖至坑底標高后，如不及時澆筑好墊層底邊，使基坑長時間暴露，因軟土的流變特性亦會增大墻體被動壓力區(qū)的土體位移和墻外土體向坑內(nèi)的位移。風險辨識結(jié)果見表2

表2 項目風險辨識統(tǒng)計表

4 數(shù)值模擬分析

本文采用PLAXIS 3D軟件模擬計算。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變硬化土本構(gòu)模型，可同時考慮剪切硬化與壓縮硬化，采用摩爾庫倫破壞準則，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)容先后順序進行，主要為：初始地應力（位移清零）、既有地鐵隧道激活（位移清零）、基坑圍護結(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)值計算，基坑左右分坑開挖，圍護結(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]控制標準的要求。具體計算結(jié)果見表2。

表2 計算結(jié)果匯總表

5 風險預控措施

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

設(shè)計方面需明確基坑開挖前進行試驗降水，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，在施工前需復核地質(zhì)條件、地鐵設(shè)施和管線位置，避免因定位問題導致既有地鐵隧道損傷。圍護結(jié)構(gòu)施工階段需合理控制TRD等圍護樁的施工參數(shù)，后面施工參數(shù)根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，以降低圍護施工對既有地鐵隧道的影響。土方開挖階段需按照設(shè)計要求分層、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)滲漏及時采取相應措施；同時合理規(guī)劃現(xiàn)場場地布置，合理規(guī)劃材料對方和機械行駛路線，嚴禁從臨近隧道上方進出和堆放材料，控制既有地鐵隧道的上部荷載；開挖見底以后及時組織人力進行墊層和底板澆筑，減少基坑無支撐暴露時間。拆撐階段，臨近地鐵側(cè)支撐需采用靜力切割，減少振動對地鐵的影響。

項目管理方面，首先需建立信息化動態(tài)管控機制，制定地鐵保護專項監(jiān)測方案，加強監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)評估工程安全狀態(tài)，及時調(diào)整施工方案；其次制定建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)測、評估以及地鐵管理部門等單位的聯(lián)動機制，協(xié)調(diào)好各方力量保證工程安全；最后制定完善的應急預案，落實人力、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，按照風險辨識、定量模擬評估、風險預控管理路線對基坑自身以及臨近的地鐵隧道風險進行分析，并結(jié)合風險特點從設(shè)計、施工和項目管理三個方面提供了風險預控措施建議?；訉嵤扔兴淼赖挠绊懘笮?。

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

（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）為確保項目自身與臨近既有地鐵安全，現(xiàn)場實施期間應加強基坑降水、圍護結(jié)構(gòu)施工參數(shù)、土方開挖、工程荷載、無支撐暴露時間等因素的控制，建立信息化監(jiān)控、多方聯(lián)動和預警預案管理等措施。