复杂周边环境下地铁车站深基坑施工全过程风险分析

2021-10-18马志强

工程质量 2021年8期

马志强

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100）

0 引言

地铁区间的施工主要在地下封闭空间进行，一般对周边影响较小，而地铁车站规模相对较大，且往往处于人口密集和商业聚集区域，施工场地狭小，周边环境复杂，对施工方案的选择以及施工过程的风险管理要求也相对较高。基坑工程是包含开挖、支护、降水等复杂的系统工程，是车站建设过程中最易出现事故的分部工程，车站建设的工程事故大多来自与基坑施工阶段，而基坑的开挖和围护结构的受力和变形是影响基坑安全性的重要因素，因此越来越多的学者对基坑施工和使用过程中的受力、变形特征进行研究。如马赞［1］以南京五塘广场站工程为例研究了车站深基坑的开挖技术，并提出相应的保障措施；李强等［2］研究了盖挖车站的深基坑的开挖方法；杜毅等［3］以长沙地铁 5 号线华雅站施工为背景，计算分析了基坑的稳定性，优化了开挖施工技术；张壮等［4］分析了土岩复合地层深基坑变形时空效应及其变形模式；刘念武等［5］研究了厚软黏土地区地铁车站深基坑及其邻近建筑物的变形特征。自 2005 年全国地铁与地下工程技术风险管理学术研讨会在北京召开以来，大量的学者对地铁风险识别、决策、评估及控制等的理论和实践进行了深入研究，如丁列云等［6］研究了复杂条件下的地铁施工安全风险的识别，钱七虎等［7，8］通过风险分析 TOPSIS 方法、海恩安全法则等的研究提出安全风险管理应贯穿整个工程周期。因此近年来，虽然地铁工程大量增加，车站施工环境日益复杂，但工程事故并未呈现增加的趋势，事故的伤亡数反而呈下降趋势，可见这些研究成果的应用取得了较为明显的效果。

洛阳地铁 1 号线武汉路地铁站（下文简称“武汉路站”）为地下 3 层岛式车站，位于城市交通要道上，地下管线多，周边大量的居民住宅，且邻近国家历史保护建筑物，是典型的施工空间狭小、周边环境复杂的车站。基坑的设计和施工不仅关系到自身的安全，还关系到周边建筑物的安全。本文通过对武汉路地铁站深基坑设计方案和工程风险的研究，确保施工过程的安全，也为其他相似工程的建设提供参考。

1 工程概况

武汉路站位于武汉路与景华路交叉口，车站周边建筑密集，且多为住宅小区。车站东北象限为“涧西苏氏建筑群二号街坊”，该建筑属于国家重点文物保护建筑。本站为地下 3 层岛式站台车站，车站主体结构采用双柱三跨钢筋混凝土箱型框架结构。站台宽 13.0 m，车站结构标准段宽 21.9 m，全长 160.9 m（见图 1）。

图1 武汉路站周边环境平面图

武汉路站位于洛河二级阶地，车站土层从上至下依次为杂填土、黄土状粉质黏土、黄土状粉土、粉土、粉质黏土、卵石、泥岩。车站底板埋深 25～27.7 m，位于卵石层中。地下水位埋深 17.1～19.8 m，位于车站结构中二板位置，在标准段基坑底以上约 10 m。车站地下降水深 11～13 m，基坑降水量大，降水对周边环境影响较大。地下管线密集，管线种类复杂，包括高压电线、燃气、污水、雨水、给水管等 26 条管线，且周边空间狭小，没有足够的空间用于管线的临时改迁。

2 基坑设计

2.1 车站选型

车站周边管线密集，主要沿武汉路方向两侧布置，车站侧墙外边线与周边建筑的最近距离 3 m，车站施工影响范围内管线不具备完全迁出坑外的条件，且纵向管线不具备悬吊保护条件。因此，常规的全明挖及半盖挖顺做工法均不适用于本工程，车站主体采用半幅顶板盖挖半逆做法施工，西侧半幅顶板作为管线改迁及主体结构施工场地（见图 2）。

图2 基坑标准段围护结构示意图（单位：mm）

2.2 围护结构设计

地下连续墙具有造价高，成槽相对困难，泥浆护壁要求高，施工工期长的缺点。但其具有刚度大，整体性好，变形控制效果好，对周边建筑物及文物的保护效果较好的优点。武汉路站基坑底分布有泥岩，采用地下连续墙作为落底式帷幕，止水效果好，配合坑内降水，能保证降水效果，且能降低降水对周边环境的影响。因此综合考虑，采用地下连续墙+坑内降水的方案。围护结构采用 1 000 mm 厚的地下连续墙 +4 道支撑，墙高 38.0 m，墙底进入泥岩层≥1 m，为了保证支护系统的刚度和稳定性，第一道横支撑采用截面为700 mm×900 mm 的混凝土支撑，间距为 9 m，第二、四道钢支撑采用φ609 mm×16 mm 钢管，间距 3 m；第三道支撑采用φ800 mm×16 mm 钢管，间距 3 m（见图 2）。

2.3 逆做顶板设计

逆做顶板浅基坑深度约 4.5～5.5 m，逆做顶板靠基坑外侧通过设置倒“L”形逆做顶板，利用既有地下连续墙作为逆做顶板基坑挡土结构，避免基坑外侧施做另外的挡土结构；逆做顶板靠基坑内侧采用 1∶1 放坡开挖（见图 3）。临时顶板一方面作为施工过程中行人和机械的通道，另一方面作为管线改迁的场地。

图3 逆做顶板示意图

2.4 基坑开挖方案

本站土方开挖根据车站结构施工需要，共分为 8 个施工段，施工段土方开挖还需分层进行，武汉路站基坑标准段平均深度约为 25 m，整个基坑部分均分 11 层开挖。本站土方采用两个工作面同时向中间开挖，基坑内土方采用挖机倒运，坡度控制在 1∶2。

3 施工风险分析

3.1 风险事件及风险因素识别

风险事件和风险因素的识别是风险分析成败的关键，基于基坑的设计方案以及施工环境，结合以往地铁站深基坑常出现的安全事故，将武汉路站深基坑的风险分解为周边管线破坏风险、一般建筑物破坏风险、历史建筑物破坏风险、地连墙槽壁坍塌风险、盖板临时通道破坏风险、围护结构渗流风险、基坑滑移坍塌风险、管涌流砂风险、支撑失稳风险以及其他风险等十大风险事件。而每一个风险事件又有多个风险因素造成。将基坑全生命周期分为地下连续墙施工、基坑开挖和车站主体结构施工 3 个阶段，则每个风险因素有可能发生在不同的阶段。共识别了主要影响基坑安全的 31 个因素，并进一步分析每个因素发生的阶段，限于篇幅，仅以历史建筑物破坏风险为例说明。由于历史保护建筑为多层砌体结构，其破坏可由施工振动和降水造成的不均匀沉降造成（见图 4）。施工造成的振动，主要包括地连墙成槽开挖造成的振动，基坑开挖造成的振动，车站结构施工过程中临时通道和横撑拆除造成的振动，以及地下连续墙施工和基坑开挖过程中车辆运输和装卸造成的振动。降水不可避免造成周围土体的不均匀沉降，从而造成周边建筑物开裂、倾斜甚至坍塌等事故。

图4 历史建筑物破坏风险结构图

3.2 风险分析方法选择

层次分析法（AHP）是一种定性与定量分析相结合的系统化、层次化的评价方法。其利用较少的定量信息快速深入地解决复杂的问题，易于被施工人员掌握，非常适用于工程风险因素权重的评价。因此大量学者将层次分析法应用到工程风险管理的研究中［9-12］。本文将层次分析法运用到武汉路站深基坑全生命周期的风险分析中。

3.3 深基坑风险事件总体分析

所有风险事件的权重如表 1 所示，基坑滑移坍塌、历史建筑物破坏的权重分别为 0.215、0.213，是所有风险事件中权重最大的两个风险事件，两者的权重之和达到了 0.428，是施工过程中重点防范的风险事件。周边管线破坏风险、地连墙槽壁坍塌风险和其他风险事件权重相对较低，权重之和仅为 0.148。

表1 风险事件权重

由于历史建筑物破坏和基坑滑移坍塌是所有风险事件中权重最高的两个风险事件，对这两个风险事件的风险因素做进一步分析。历史建筑物破坏风险主要由施工振动和降水造成的不均匀沉降，权重分别为 0.378 和 0.622，因此必须严格控制降水造成的不均匀沉降，从而达到保护历史建筑物的目的。基坑滑移坍塌风险因素权重如表 2 所示，横撑的架设和拆除时机对基坑滑移坍塌影响最大，权重为 0.220；其次为横撑强度、间距等不合理，权重为 0.170，由此可见横撑是影响基坑滑移坍塌的主要因素，因此从横撑的设计、架设及拆除都应重点关注。由于地下连续墙承载力比较容易保证，其承载力不足产生的基坑滑移坍塌风险较小，权重相对较低，仅为 0.061。

表2 基坑滑移坍塌风险因素权重排序

对武汉路站深基坑风险事件影响排名前 10 的风险因素如表 3 所示，这 10 个风险因素的权重之和达到了 0.699，是施工过程中重点控制的对象，降水引起不均匀沉降的权重达到了 0.187，对基坑的影响非常明显。

表3 权重 1-10 的风险因素

3.4 各施工阶段风险因素分析

基坑开挖阶段风险因素的权重之和最大，权重达到了 0.475，是整个基坑工程中重点控制的阶段；其次为车站主体结构施工阶段，权重为 0.348；地下连续墙施工阶段的权重最小，仅为 0.177（见表 4）。

表4 各施工阶段风险权重

如表 5 所示，地下连续墙施工阶段共有 11 个风险因素，其中接头转角质量差、墙身存在裂缝、钻进速度过快或钻头碰撞槽壁以及施工振动是地下连续墙施工阶段最主要的风险因素，这 4 个风险因素的权重之和占该阶段总权重的 71.8 %。基坑开挖阶段共有 27 个风险因素，表 6 中仅显示排名前十的风险因素，其他 17 个风险因素合并成其他显示，排名前三的风险因素为降水造成的沉降、土体渗透性强以及坑底水头较高，这 3 个风险因素的权重之和占该阶段总权重的 42.54 %。车站主体施工阶段共有 15 个风险因素，表 7 中仅显示权重排名前十的风险因素，其他 5 个风险因素合并成其他显示，降水造成的不均匀沉降的权重较大，占该阶段总权重的 32.3 %，其次为临时通道荷载超标、横撑架设和拆除时机不合理、临时通道超载、以及监测反馈不及时。