基坑开挖对临侧的地铁隧道影响研究*

贾瑞晨

（湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳 421001）

1 基坑开挖对地铁隧道影响原理

开展基坑开挖会对作业区域下部岩土造成卸荷影响，如果作业时没有采取有效的应对措施，将会破坏原有岩土作用力的平衡，由此出现的回弹力也会对坑底土体造成不利影响，基坑周边围护构造发生改变，并会出现上隆的情况，最终造成地铁隧道产生位移以及变形。通常情况下，随着基坑开挖程度的增进与工程作业的不断深入，基坑内部和外部的岩土高低落差不断扩大，现场作业困难程度不断加深，发生危险的概率也会不断增加。若基坑开挖区域附近或下部位置没有进行有效防护，会导致坑底岩土出现隆起现象，地铁隧道面产生纵向形变。因基坑开挖作业而产生的卸荷将会使地铁隧道附近区域的应力平衡产生变化，导致隆起发生形变，一方面必须要由现场作业人员对基坑开挖过程有足够的掌控，另一方面也需要技术部门对应力变化情况进行分析和计算[1]。

具体而言，在施工手段方面，需要首先依据现场实际情况，将工程分为若干步骤来进行，作业单位需要在基坑开挖过程中重点关注岩土的变化情况，最大限度地防止应力偏载现象产生而导致土体回弹。与此同时，在土体回弹无法彻底防止的情况下，相关作业者需要及时关注回弹力变化情况，并对卸载面积大小与形状二者之间的关联情况进行计算。

1.1 基底隆起

在基坑底部开展坑体垂直方向开挖时，由于开挖坑体基底土壤固体力场发生变化，导致开挖坑体基底底部土体力场向上倾斜隆起。基底上的隆起主要可以分为土体塑性上的隆起与土质弹性上的隆起。弹性上的隆起一般在坑底基坑内部开挖深度比较浅时发生；随着坑底基坑不断向下深入开挖，基坑内外与坑底地面之间产生高度差，受基坑地面土体承载能力的较大影响，坑底基坑外的塑性土体直接流入深坑基底，进而直接造成坑底基坑内部塑性上的隆起，见图1。

图1 基底隆起变形

1.2 基底隆起形成原因

基坑开挖前，土体已经形成一个稳定、平衡的受力场，但在基坑开挖后，土体本身平衡的受力场被打破，土体受到的负荷被卸载后，引起基底回弹。回弹后的基底土体过于疏松，进而加剧了基底的土体隆起。当基坑开挖到一定深度时，地面上的各种超载逐渐增多，与基坑内外土体形成表面高度差，坑外的土进入到基坑当中，从而造成基底隆起[2]。

1.3 围护结构

基坑挡墙围护结构主要对建筑基坑挡墙开挖时期所产生的土壤内压力与开挖水体的压力进行综合承受，并同时支撑开挖水体的压力和土壤的压力，其是目前临时建筑施工中的一种常见挡墙围护结构。在高层建筑工程中，基坑夹层围护结构主要类型有：地下夹层连续墙、自立式钢筋水泥夹层挡土墙、沉井式压箱法、组合式、柱列式、板桩式。

1.4 围护结构变形

在连续开挖一个基坑时，基坑外的基层土体结构受原始地层力场的较大影响，会沿着基坑水平面的方向移动，当发生较大地层应力移动时，基坑围护结构会发生变形。围护结构中的变形通常有组合式运动位移、抛物线式运动位移、悬臂式运动位移3种运动形态。悬臂式基坑位移通常在大型基坑基础开挖中应用，操作相对简单，无需过多地进行基础支撑部件安装。当使用悬臂式墙体结构的基地墙体作为基坑的墙体围护结构时，对墙体的刚性没有过多要求。该基地墙顶的墙体受力支撑构件在横截面上的基坑内力矩和层向移动量的值都应该是最大的，导致该基地层向所在基坑内的墙体水平方向移动形成悬臂式结构位移。然而抛物线式受力位移支撑为手动设置，在整个柔体围护墙体的受力支撑构件横截面属于力矩最大节点处的受力支撑，在柔体墙顶方向移动的力值不变或墙体基坑内逐渐发生变形的运动状态下，整个围护柔体墙的中间部分向墙体基坑内的方向快速移动，呈现出抛物线式的形状[3]。但一般实际情况下，在桥梁施工建设过程中，需要安装多重构件支撑桥梁结构，进而导致组合式围护结构变形。由于第一层支撑结构比较接近地面，大部分测量数据是在第一层支撑结构安装完后得到的，因此实测数据是悬臂式位移偏小，组合变形的形成比较困难，往往会发生向抛物线式位移偏移，见图2。

图2 围护结构变形

1.5 地表沉降

基坑开挖的岩土开挖施工中，基坑周围地表岩土层被挤出或者变得松弛，导致基坑缺乏岩土支撑，容易出现地表岩土下沉的异常现象。三角形土体沉降和基坑凹槽形土体沉降一般是基坑地表土体沉降的主要表现形式。在实际基坑开挖中，由于围护结构墙的位移较大或者由于悬臂岩开挖时大部分区域会同时出现一些三角形土体沉降，这些三角形土体沉降问题会随着基坑围护结构墙的土体水平应力位移不断由小变大，周围的土壤地层由于土体的应力变形也随之不断变大。凹槽式沉降可能会发生，其与对墙底基层土体刚硬柔软程度的影响大小，或者与基坑以及围护结构的墙体入土缝隙深度大小有关，地表沉降形态见图3。

图3 地表沉降形态

2 基坑开挖对地铁隧道变形影响控制

2.1 围护结构施工

地铁隧道施工区域内进行的围护结构施工是深基坑支护体系的重要部分。通常情况下，选用的围护形式有钻孔灌注桩和地下连续墙。笔者将着重阐述钻孔灌注桩的围护结构。第一，施工人员于基坑开挖之前对附近的情况开展调研，对作业区域附近的地质、水文资料进行汇总、梳理和分析，在确有必要的情况下进行试验钻孔，检验作业场地是否具备干钻环境要求和条件。相较于其他类型的作业方式，干钻施工作业时间更短，且过程更容易控制。需要注意的是当塌孔或地质发生变化时，需要运用泥浆护壁保持结构稳定。另外，需要依据作业图纸和相关测量规定对作业现场开展测量放线工作，检验场地基准点、基准线、测量轴线和桩的位置及地面标高；在完成定位之后，需要埋设护筒，设置钻机成孔，短进尺、多回次重复循环；清孔结束后开展成孔检测工作，把预先制作完毕并符合相关检验要求的钢筋笼下放到位，浇筑混凝土。

2.1.1 地下连续墙

地下建筑连续墙挖槽是现代建筑施工中一种比较常用的地下挖槽施工方式，主要是沿着地下开挖建筑工程的地下周边轴线，在地下泥浆和保护壁的带动作用下，开挖机凿出一条地下深槽，将深槽全部清理干净后，把整块钢筋笼放入这条深槽中，然后将钢筋混凝土全部灌入，从而直接形成一个地下单元槽。以此类推，在地下可以形成一道坚固的多层钢筋混凝土保护墙体，具有有效承受地下重力、防止地下渗水、拦截地下水流、阻挡地下水流的重要作用。

2.1.2 钻孔灌注桩

通过采用机械人工钻孔、钢管道压挤混凝土或人工挖掘等多种方式在一块地面上直接形成多个桩孔，并将由钢筋混凝土砂浆灌制而来的圆形桩柱直接放置其中。钻孔液压灌注桩产品适用范围广，可应用于各种建筑地基，在建筑过程中工作噪音偏小。在一些土质比较松软的混凝土区域或在进行桩桩建造时，容易发生塌孔，也容易出现桩孔偏斜等不良现象，进而直接影响混凝土钻孔桩及灌注施工桩的建造成功率。

2.2 基坑地下排水的主要使用方法

基坑地下排水的主要使用方法有明沟地下排水、盲沟地下排水和井点地下降水。井点集中降水处理是通过人工建造多个分散式排水管，将地下水统一输送到集中排水井内，主要将开挖土体中地下水层内部渗出的地下水进行集中，对集中排水井土体中的地下水可以采用水泵等机器设备进行集中排水。当开挖基坑整体开挖程度不深时，利用各种水泵将开挖沟槽内或开挖基坑内的地下水统一抽走的这种方法通常被称作开挖明沟明坑排水方法，开挖盲沟盲坑排水一般与明沟明坑排水相互结合。明沟明坑主要由砂和石等卵石材料组成，建设在高层建筑物的周围。

2.3 分块对称开挖

流变性是基坑工程地区土壤的重要特征，因此需要根据“时空效应原理”，运用分层、分段、分块、留土壁、限时对称平衡开挖的具体方法，在施工过程中将开挖与支撑同时进行。除此之外还可以运用浇捣垫层法。在土方开挖时，必须精准把握土方量，防止超挖，还需要按时监测水平支撑，一旦出现松动情况，需立即加固以恢复轴力。

2.3.1 准备工作

对土方开挖现场情况进行彻底勘察，将土方地面上的障碍物彻底清理干净；将已经测量好的底层基准设施保护建立起来，保障开挖土方基层开挖准备工作能够顺利进行；把土方开挖时的机械、人员、施工地的用水、用电及其他基础设施安全工作准备充分。

2.3.2 清表

应将现场清除工程垃圾处理范围内的所有杂草、石块、表层腐殖土等灰尘杂物清理干净，压实，清除工程处理后的厚度一般不得大于0.3 m，利用机动车、自卸车或垃圾车将现场清除工程处理排放出来的工业垃圾废渣运输至相应的大型工业垃圾废渣场及污水收集处理厂。

2.3.3 土方开挖

依据招标人指定的范围进行土方开挖，将开挖出来的土体运输至指定地点。堆土高度不得高于国家高程基准。

2.3.4 土方外运

利用自卸车或汽车将连续开挖出来的土方运送到指定的土方堆放处理地点，在这些土方连续开挖运行过程中，对运输可能涉及的道路路段，依照相关城市路政管理部门的要求及时进行清扫，避免运输过程中可能造成的道路污染。

2.4 施工监测

在具体基坑开挖施工过程中，有的施工主体为了降低施工成本、减少作业时间，以提升工程经济性为目的，在风险管理方面工作不到位。因此相关监管部门需要对工程加强监管力度，施工主体不仅需要严格根据相关规范进行施工，还需要建立应急预案防止事故发生。通常情况下，基坑开挖过程中的关键检测环节涉及桩体水平竖向位移、深层土体位移、支撑轴力监测等多个方面，需要制作检查报表，以待追溯[4]。

2.4.1 竖向位移监测

通常可以采用坑底液体静态压力水准测量或液体几何水准测量等检测方法来进行坑底竖向物体位移高度监测，通过直接设置压力回弹器等检测传动设备，将液体几何测量水准与压力传递到较高程度的辅助检测设备，通过配合对埋在坑底的隆起物体进行位移监测。依据基坑竖向立体位移自动报警器数值公式来精确衡量建筑基坑竖向围护结构与基坑竖向立体位移自动监测系统设备的操作精准度。

2.4.2 倾斜监测

倾斜监测装置的检测对象为基坑围护结构，根据监测值，利用公式计算出基坑围护结构水平移动值和高度差。倾斜监测装置主要采用水平角法、前方交会法、正垂线法、差异沉降法、投点法等方式进行监测。

2.4.3 支护结构内力监测

对钢筋混凝土支撑力的监测应采用混凝土变形计或钢筋应力仪进行测量；对围墙、护桩等护栏结构应采用预留法对主筋钢筋焊接式应变计进行测量。基坑挖掘过程中，应在支护结构的表面或内部安装应力计，用于测量支护结构内力的变化。然而，支护结构内力监测的精确度受温度变化影响，钢筋混凝土支撑应考虑到混凝土收缩变化和裂缝的开展。

2.4.4 地下水位监测

对于地下水位监测，通常利用设置在孔口内的水位管和利用地下计等测量方法对地下水位进行检测，并保持在不低于10 mm的范围内进行检测。

3 结束语

地铁隧道附近区域开展基坑开挖施工较为复杂，困难较多。不仅施工单位需要采取相应措施，予以高度重视，设计部门也需要通过各种手段提升工程质量，降低变形风险。