姜虎 金超 周永健

浙江華展研究設(shè)計院股份有限公司 浙江 寧波 315010

基坑開挖是城市建設(shè)中常見的土木工程活動，用于建造地下空間或進行基礎(chǔ)工程施工。然而，基坑開挖過程中對周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生一系列的影響，其中之一就是地表沉降。地表沉降是指由于土體壓縮、水分變化和重排等機制所導(dǎo)致的地表下降現(xiàn)象。對于軟土地區(qū)來說，基坑開挖對地表沉降的影響更加顯著。軟土地區(qū)的土體較為松散，其力學(xué)性質(zhì)和水分特性容易受到施工的影響，因此對于軟土地區(qū)的基坑開挖施工，需要更加關(guān)注和研究其對周圍地下結(jié)構(gòu)物、地鐵隧道等的保護。軟土地區(qū)深大基坑施工對地鐵隧道的保護問題，涉及土體穩(wěn)定性、地表沉降、地下水位變化等方面的工程風(fēng)險，需要采取一系列科學(xué)有效的措施來保障地鐵隧道的安全運營。本文將以某深基坑工程北側(cè)平行既有地鐵隧道為主要研究對象，對其進行深入的研究，以期為大家提供一定的參考。

1 基坑開挖影響分析

在基坑施工中，我們通常會將地面的土壤移除。通過使用深度開挖技術(shù)，我們可以讓基坑的地面重新恢復(fù)到原來的應(yīng)力水平，從而導(dǎo)致地下水位的回升和凸出。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)部土壤被挖開時，產(chǎn)生的巨大的壓力差使得墻壁外的土壤也受到了相應(yīng)的壓力，這就導(dǎo)致了一種不可逆轉(zhuǎn)的水平位移。如果地鐵隧道正好位于基坑開挖的影響范圍內(nèi)，開挖卸載導(dǎo)致的擾動將不可避免地引起土體中的隧道發(fā)生位移和變形[1]。地表沉降是基坑開挖過程中常見的影響之一。下面將詳細(xì)介紹基坑開挖引起的地表沉降機制，影響因素及其作用機制，以及地表沉降的監(jiān)測與預(yù)測方法。

1.1 基坑開挖引起的地表沉降機制

基坑開挖導(dǎo)致地表沉降主要是由以下幾個機制引起的：

a) 土體壓縮：基坑開挖過程中，土體被挖除或受到降低應(yīng)力的影響，使得土體中的孔隙水壓力下降，顆粒之間的接觸力增加，導(dǎo)致土體壓縮，進而引起地表沉降。

b) 土體水分變化：基坑開挖會導(dǎo)致地下水位下降或者排水引起孔隙水壓力的改變，這會導(dǎo)致土體中水分的重新分布，造成土體體積變化，進而引起地表沉降。

c) 土體重排：基坑開挖會改變土體的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，使得原本緊密排列的土粒重新排列，產(chǎn)生重新組織和調(diào)整的過程，進而引起地表沉降。

1.2 影響因素及其作用機制

地表沉降的程度和范圍受到多種因素的影響，包括但不限于：

a) 基坑尺寸和深度：基坑的尺寸和深度越大，土體的受擾動范圍越廣，地表沉降的影響也會更加顯著。

b) 土體性質(zhì)：不同類型的土體具有不同的壓縮特性和水分遷移特性，如黏性土和砂土在受力和水分變化時表現(xiàn)出不同的行為。

c) 基坑支護方式：基坑支護方式的選擇和施工方法對地表沉降有重要影響。合理設(shè)計地支護結(jié)構(gòu)可以減小地表沉降的程度。

d) 周邊建筑物：周邊建筑物的剛度和穩(wěn)定性會影響基坑開挖引起的地表沉降對其造成的影響。較為剛性的建筑物可能會受到更大的變形和損害。

2 工程概況

在本次施工項目中，該深基坑位于既有地鐵隧道的北側(cè)，以倒梯形布置，其東西寬123m，南北長121m，總深度高達(dá)20.9m。在原本的地鐵隧道的北部，建造了一個深達(dá)5m的基坑，并在其周圍建造了一個厚達(dá)800mm的地下連續(xù)墻。兩條已建成的隧道的中心距離大致相等，其中A隧道的地下深度大約在13m，而B隧道的地下深度則大約在11.5m。在基坑的北部，已經(jīng)建成的地鐵隧道是這個項目的一個嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須引起我們的高度關(guān)注。當(dāng)進行深基坑施工時，不僅要確保施工過程的安全，而且要確保已經(jīng)完工的隧道能夠正常使用。為了確保安全，在開展深基坑工程之前，必須確立適當(dāng)?shù)膰o結(jié)構(gòu)，編寫完善的開挖計劃，并實施有效的防護措施。表1中包含了主要地層參數(shù)。

表1 基坑主要底層參數(shù)

3 基坑開挖工法對隧道影響分析

通常，為了確?；A(chǔ)的穩(wěn)定，我們建議采用符合規(guī)范的豎直彈性地基支撐技術(shù)。當(dāng)前，理正深基坑和同濟啟明星是兩款最受歡迎的設(shè)計軟件。利用這些軟件，我們能夠準(zhǔn)確地模擬出現(xiàn)場的開挖狀態(tài)，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測出圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)在變形和支撐系統(tǒng)的內(nèi)在壓力[2]。在沒有外部防護措施的情況下，采用這種方法可以滿足日常建筑設(shè)計的要求。盡管采用本工程的方法可以有效地減少深基坑的風(fēng)險，但由于其具有較高的重大風(fēng)險源，因此仍需要進一步加以考量。通過利用三維分析軟件，我們可以對深基坑的影響進行全面而準(zhǔn)確的模擬研究。

圖1 計算模型圖

由于現(xiàn)有的地鐵隧道的變形要求非?？量?，因此我們使用Midas GTS三維有限元分析軟件，仔細(xì)探討了各種深基坑開挖技術(shù)的影響，以便獲得更加精確的結(jié)論。在這項研究中，我們將重點關(guān)注兩種不同的開挖技術(shù)：中央島式和盆式。使用中央島式開挖技術(shù)，首先需要清理基坑周邊的土壤，并將其中央部分作為施工的重點。通過在中心島上建造橋梁，可以大大提高施工效率。盡管基坑周邊的土壤已經(jīng)開始被挖掘，但這會延長圍護結(jié)構(gòu)承載的時間，從而使其變形量大幅提升，進而給其承載能力帶來負(fù)面影響[3]。通過使用盆形開挖技術(shù)，我們首先從基坑的中心進行挖掘，并在周圍預(yù)留反壓斜坡。一旦中心區(qū)域的土壤被挖出來，我們就可以繼續(xù)向周圍擴展。通過在基坑周圍施工反壓土坡，可以有效提升圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且可以有效減少它們承受外力時的變形，以此來確保它們的安全。

經(jīng)過多次工程實踐和有限元分析，我們發(fā)現(xiàn)，模型的準(zhǔn)確性可以達(dá)到基坑開挖深度的3至6倍。這個工程的計算模型的大小是360m×360m×120m(長x寬x高)。這個模型由三個不同的部分組成：實體部分用于模擬土體，面部分用于模擬隧道襯砌和基坑地連墻，而線彈性線部分則用于模擬錨索。這個模型是基于摩爾-庫侖定律來構(gòu)建的。

計算結(jié)果對比分析:

（1）通過對比，我們可以看出隧道的豎直位移。通過分析圖2中的數(shù)據(jù)，我們可以評估不同開挖方法對接近基坑的隧道的最大垂直位移的影響。當(dāng)隧道的挖掘深度增加時，它的豎直位置也會相應(yīng)地增大。與中心島式開挖相比，盆式開挖的豎向位移變化不大，最大只有-0.4mm，只占總體的30%。經(jīng)過盆式開挖的施工，可以顯著改善與既有地鐵隧道相連的豎向位移，取得了良好的效果。

圖2 豎向位移對比圖

（2）比較豎直方向的位移變化。挖掘過程中，由于圍護結(jié)構(gòu)的變形，隧道可能會發(fā)生橫向移動。根據(jù)圖表所示，當(dāng)開挖深度增加時，隧道的水平位移也會顯著提高。使用島式開挖技術(shù)進行隧道建設(shè)，可以顯著提升水平位移，最大可達(dá)10mm，比盆式開挖技術(shù)的效果提升了三倍以上。這意味著在控制隧道的橫向位移方面，盆式開挖相對于島式開挖表現(xiàn)更好。因此，在考慮緊鄰既有地鐵隧道的安全時，盆式開挖是更合適的選擇。

（3）隧道襯砌應(yīng)力對比。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可以比較兩種開挖方法引起的既有隧道的最大應(yīng)力值。表中顯示，盆式開挖引起的隧道應(yīng)力較大。這意味著盆式開挖對既有隧道的應(yīng)力影響更顯著。在設(shè)計和施工過程中，需要特別注意盆式開挖對既有隧道襯砌的應(yīng)力影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀ＷC隧道的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。

表2 兩種開挖方法襯砌應(yīng)力最大值對比表

4 保護措施

經(jīng)過深入分析，我們發(fā)現(xiàn)基坑開挖會對周圍的地鐵隧道產(chǎn)生重大影響，這種影響主要是通過外部土體的傳播而實現(xiàn)的。當(dāng)進行基坑開挖時，由于卸載作用，圍護結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)偏移，進而引起隧道周邊土壤的水平應(yīng)力，最終導(dǎo)致土壤變形。為了保證建筑的安全，我們必須仔細(xì)研究基坑開挖可能帶來的影響，并制定出有效的預(yù)防和控制措施[4]。通過多次的類似項目的實際操作，我們發(fā)現(xiàn)，采取有效的防護措施是必要的：首先，應(yīng)該制定一個合理的開挖計劃，增強外部土壤的主要承載能力；其次，應(yīng)該加強對內(nèi)部土壤的支撐；最后，應(yīng)該加強對結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，以確保其安全性和可靠性。采取主動土壓力技術(shù)加固坑外土體，可以大大增強其剛度，有效地阻止土體朝著基坑的水平移動，從而有效地抑制隧道的水平位移。采取被動土壓力區(qū)的加固措施，能夠顯著降低圍護結(jié)構(gòu)的位移，進而大幅度縮短隧道的長度。

5 結(jié)束語

總而言之，在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況采取合理的支護措施和施工方法。同時，加強工程經(jīng)驗的總結(jié)和案例研究，可以為未來類似工程提供更有效地指導(dǎo)和參考?？傊?，通過全面理解地表沉降的機制和影響因素，以及合理應(yīng)用監(jiān)測與預(yù)測方法，可以更好地管理和控制基坑開挖對地表沉降的影響，實現(xiàn)可持續(xù)的城市建設(shè)和施工安全。