探析基坑开挖和降水对临近地铁隧道的影响

庞宇飞

（山西冶金岩土工程勘察有限公司， 山西 太原 030000）

近年来， 城市道路工程中频频出现安全事故， 其中基坑安全事故占据总事故的10%～15%， 其中渗流影响占据基坑安全事故的23.37%。 究其原因是因为基坑开挖和降水过程由于基坑土体变化、 降水所导致的土体应力变化。 因此， 为了保证城市道路工程建设质量， 在基坑设计和开挖过程中深入分析基坑开挖和降水对基坑所造成的影响显得尤为重要。

1 基本理论

1.1 基坑变形机理

基坑变形主要表现在基坑支护结构变形、 基坑坑底土体凸起、 基坑土体地表沉降等方面。 所谓基坑支护结构变形是导致基坑地层运动的主要原因， 出现基坑支护变形的原因是基坑开挖过程中， 坑底土体内外压力差变大， 基坑外主动区以及基坑坑底被动区土体产生异动， 而主动区和被动区的土体压力会施加在支护结构上， 而支护结构无法支撑压力， 继而出现变形现象； 所谓基坑坑底土体凸起分为弹性凸起和塑性凸起， 其凸起影响因素较多， 例如在基坑开挖时， 由于开挖、 卸荷所导致基坑土体应力失衡， 从而导致凸起。 基坑坑底土体凸起主要表现为中间大， 两侧小的特征， 相对于对围护结构变形的影响较小； 所谓基坑土体地表沉降是由于基坑开挖区域当中部分软土层塑性流动性较大， 支护结构外土体从侧向或者竖向流向基坑底部， 从而出现沉降现象。

1.2 隧道变形机理

隧道变形主要表现在水平变形、 垂直变形和收敛变形三个方面。 所谓水平变形是基坑在开挖之前已经形成一种相对稳定的平衡状态， 随着开挖工作的进行， 基坑周围土体向坑内移动， 基坑坑底土体向上凸起， 导致隧道内出现水平变形现象； 所谓垂直变形与水平变形机理相同， 是由于基坑开挖打破了原隧道的基坑坑底土体平衡状态， 从而出现垂直变形现象概念股； 所谓收敛变形是因为基坑土体水平侧压力系数普遍在1 以内， 随着基坑开挖， 隧道顶部垂直受力大于拱腰位置受力， 经过水平方向拉伸和垂直方向压缩，导致出现收敛变形现象。

2 工程项目介绍

2.1 工程概况

拟建工程场地位于太原市小店区汾东北路与人民北路交叉路口南侧。 该项目东侧为人民北路、 西侧为汾东北路， 南侧为现状烂尾楼（1/-1F）、 北侧有一座现状换热站。

拟建建筑物为1 幢地上15 层地下2 层的写字楼及配套-2F地下车库。 主楼及地库基础形式为桩承台+防水板（部分主楼筒体下为桩筏基础）。 ±0.000 标高相当于绝对高程777.350m； 东、 南侧自然标高为-1.650m （775.700m）， 西侧、 北侧自然标高为-0.850m（776.500m）； 基坑开挖底标高为-10.450m（766.900m）。 东侧、 南侧基坑设计深度为8.800m；西侧、 北侧基坑设计深度为9.600m。

2.2 水文地质条件

该项目基本风压为0.4kN/m， 地面粗糙度类别为B类， 基本雪压为0.35kN/m， 场地标准冻深为0.74m； 场地地震基本烈度为8 度， 设计基本地震加速度值为0.20g， 设计地震分组为第二组。 支护范围内主要是填土、 粉土、 粉质粘土、 粉砂等。 勘察期间实测稳定水位埋深地表下1.9 ～4.8m之间， 对应标高770.16 ～770.73m， 地下水类型为孔隙潜水， 主要含水层为粉土、 粉砂， 主要由地表水入渗及侧向径流补给。 勘察期间为枯水期， 地下水位季节性变化幅度约1m。

2.3 基坑开挖及支护方案简述

本着技术先进、 经济合理、 保护环境和安全适用的原则。 结合场地实际情况， 本基坑采用如下支护形式。

基坑开挖深度8.800m～9.600m， 采用钢筋混凝土灌注桩加一道预应力组合型钢支撑的支护形式， 支护桩采用钢筋混凝土灌注桩， 成孔方式为旋挖钻机成孔。

东侧由于临近地铁处， 特对支护桩及冠梁加强，支护桩（支护桩1） 桩径为900mm， 桩间距1.4m，桩长15.0m， 冠梁1 高600mm， 宽1000mm； 其余三边支护桩（支护桩2） 桩径800mm， 桩间距1.4m，桩长15.0m， 冠梁2 高500mm， 宽900mm； 预应力型钢组合式支撑盖板使用Q235b 钢材， U型槽钢选用32b， 使 用 Q235b 钢 材； 型 钢 立 柱 选 用 立 柱 为H350x350x12x19 型钢， 立柱长14.0m， 嵌入坑底以下8.0m。 基坑止水帷幕采用Φ850 三轴水泥搅拌桩（帷幕底部全部进入相对隔水层深度不小于1m）， 降水采用坑内管井降水， 坑外回灌； 降水井共17 孔， 井距约16m， 井口标高为775.000m， 井深20.0m； 井管均采用网眼钢管（273x3）， 成孔孔径均为%%130600。在基坑周边坑外共设置8 孔回灌井， 井距约30m， 回灌井井口标高为776.000m， 井深15.0m， 做法同降水井。

3 基坑开挖和降水对临近地铁隧道影响模拟分析

3.1 模型构建

本文研究考虑到项目区域水泥土搅拌墙与型钢粘合存在不确定性， 所以采用TRD工法（混合搅拌壁式地下连续墙施工法） 对基坑开挖和降水对隧道影响进行模型构建。 本文对该项目进行研究时， 综合考虑TRD工法中H型钢数据（400x400x13x21） 参与结构受力， 水泥土搅拌墙仅作用于止水工作， 且基坑结构受力弯曲， 考虑模型的便捷性和综合性， 按照“桩-墙抗弯刚度” 原则计算连续墙厚度。 根据基坑与项目地势环境， 结合项目施工特点， 利用MIDAS 有限元数据模型（如图3 -1、 图3 -2 所示）。

图3 -1 土层模型

图3 -2 基坑支护模型

3.2 计算工况

3.2.1 基坑开挖计算工况

根据工程项目实际情况， 本文以三维分析计算建模技术为基础， 以Drucker-Prager为弹塑性模型， 对基坑进行数值分析， 根据岩土层及现场数据勘察成果建立数据对比， 具体基坑开挖计算工况如下： 1） 建立岩土层分析初始地应力场； 2） 模拟人民广场地铁结构； 3） 施工基坑支护桩； 4） 土体开挖；

工况信息如图3 -3 ～3 -6 所示。

图3 -3 初始地应力场

图3 -4 人民广场地铁结构

图3 -5 基坑支护桩

图3 -6 土体开挖

3.2.2 降水计算工况

根据项目内部渗流路径得知由于项目区域多次降水， 对基坑支护产生影响。 并且根据模型得知模型渗流畅表现出明显的空间差异（AB边和CD边基流线明显）， 所以临近地铁的隧道出渗流速度较大。

3.3 计算结果

结合项目数值计算， 得出基坑支护和降水等工况下基坑围护结构位移数值。

根据图3 -8 得出， 维护结构X轴方向最大位移为29.7534mm；

根据图3 -9 得出， 维护结构Y轴方向最大位移为25.6254mm。

3 -8 工况位移云图①

3 -9 工况位移云图②

4 基坑开挖和降水对临近地铁隧道的影响分析

4.1 基坑开挖对地表沉降的影响

在道路施工领域当中， 普遍认为基坑开挖产生的坑底土体凸起或变形是由于地质运动所引起的， 而结合以上数据分析发现不同工况（降水、 基坑支护技术） 所造成的地表沉降主要集中在低下连续墙后处。深入分析， 出现地表沉降现象的原因是由于基坑开挖和支护之后， 土体由于地下连续墙的存在， 在一定范围、 一定时间内变化不大， 但是在基坑开挖后所面临的连续墙后土体扰动， 导致土体产生较大的沉降。 因此， 为了避免基坑开挖对土体所造成的较大扰动， 在施工过程中需要控制连续墙深入土深度以及混凝土的选材问题， 以此控制土体沉降。

4.2 基坑开挖对隧道变形的影响

基坑开挖后， 机器振捣势必会对连续墙后临近地铁的隧道造成扰动， 从而导致隧道产生位移。 本文结合实际项目对隧道的重要点进行数据观测， 发现隧道出现不同程度位移现象。 这是由于基坑开挖后， 坑底凸起， 土体应力释放点出现移动。 除此之外， 不同区域的土质情况不同， 本项目区域富水砂层土质较好，并且连续墙的刚性稳定， 所以隧道的竖直方向移动情况变化你较小， 而水平位移现象明显。 综合计算结果， 隧道水平位移呈现出不同区域向地下连续墙一侧运动。 而从数值模拟计算结果进行分析发现， 隧道水平变形情况明显， 这是由于坑底土体应力释放对隧道的扰动较大， 所以为了减小位移情况， 施工过程需要加固土体， 使坑底的土体刚度变大， 从而抑制隧道变形。

4.3 基坑降水对地表沉降的影响

综合分析降水对地表沉降的影响， 得知临近地铁隧道出现地表沉降现象是由于空隙压力变化所导致有效应力变化， 从而出现土体应力不均。 当地下水或者降水后， 空隙压力变小， 打破了土体平衡状态， 在总应力不变的情况下， 有效应力增大最终造成地表出现沉降现象。 根据降水结束后的数据采集， 发现连续墙后的一定范围内出现最大地表沉降值， 并形成漏洞状分布规律， 其中最大沉降值在8.94mm。 根据地质条件进行分析， 这是由于该区域的地质情况良好， 降水后压缩性较小， 支护结构刚度大， 减小了扰动作用，最终导致沉降数值不大。

4.4 基坑降水对隧道变形的影响

由于基坑开挖后， 土体坑底存在卸荷回弹的作用， 会对临近地铁的隧道造成不良影响， 进而出现变形现象。 对研究项目数据勘察发现， 该项目上下隧道位移变化情况基本相同， 但是下线隧道右侧位移变化情况相较于其他隧道变化明显， 究其原因是因为下线隧道右侧离基坑施工区域较近， 并且在降水压力、 土体扰动等原因的想象下， 有效应力、 卸荷作用对其影响明显。 除此之外， 根据隧道基坑水平和竖直移动数据发现， 隧道水平位移相较于竖直位移数据要稍显明显， 这是由于基坑在开挖过程中， 土体水平方向盈利减小， 连续墙位移加大， 当水平位移趋近于平衡时，土体达到主动土压力状态。

5 基于基坑开挖和降水对临近地铁隧道施工的建议

5.1 构建科学计算模型

在研究基坑开挖和降水对临近地铁隧道施工所产生的影响时， 需要借助计算机技术构建科学的计算模型， 尽可能通过真实的、 有效的数据对基坑开挖和降水对建筑物所产生的影响进行分析。 在构建计算模型时， 本文结合工程TRD工法， 主要选用MIDAS 有限元数据算法， 这种方法以力学为计算基础， 依托计算机软硬件系统， 同时考虑项目工程周围地质条件、 降水环境以及建设环境等因素的影响， 通过科学计算出基坑工程与隧道之间产生的影响力， 为制定相应的减缓对策提供数据支持。 为了精确计算基坑支护装置中的相关数据， 总结基坑开挖和降水后隧道所产生的沉降现象和变形现象规律， 计算机技术能够给予工程项目建设方案支持。

5.2 构建科学三维模型

在基坑建筑施工过程中， 施工人员为了保证施工进度和施工质量， 需要构建科学的三维模型， 将计算机数据与三维立体技术进行结合， 从而达到模拟施工现场的目的， 从而保证基坑施工数据的真实性和准确定。 在构建科学三维模型的过程中， 结合项目实地数据， 能够通过数据反馈， 对影响项目建设的真实原因进行剖析， 以此满足临近地铁速调施工的相关要求。在建立三维模型过程中， 需要以常见的土工实验数据为基础， 定时勘察基坑开挖和降水现象后隧道变形和称将数据， 以此计算整体承载能力， 以为保证施工质量奠定基础。

5.3 加强第三方监测工作

第三方监测工作质量是影响道路施工项目质量的关键， 所以需要加强第三方监测工作， 具体可以从以下几方面入手： 第一， 第三方监测人员需要结合工程项目情况、 工程要求对基坑开挖的地质情况进行监测， 通过取样， 观察土质颜色、 土质湿度、 土质密度判断土质性质及其变化情况， 确保土质情况分布满足项目工程建设要求； 第二， 在巡视过程中要重点观察土体是否有地下水渗层情况出现， 若有出现地下水反渗现象， 需要记录渗水颜色、 气味、 位置、 渗水量等， 并且需要观察渗水区域附近是否有土体塌方现象， 并对此进行详细记录； 第三， 第三方监测人员需要对基坑开挖区域附近的地面积水情况进行记录， 尤其需要记录积水位置、 积水量、 积水深度等， 检查排水系统是否完整， 为基坑支护方案设计做出依据。

6 结语

通过对太原市基坑开挖和降水数据勘察和隧道变形情况数据比对， 发现基坑开挖和降水等过程均会对紧邻地铁隧道产生位移影响， 并且由于降水和基坑开挖会出现地下水渗透现象， 随着地下水渗透的空间差异性， 基坑边侧流速大于中间， 同时对基坑变形和隧道变形所造成影响。 因此， 基于基坑开挖和降水对临近地铁隧道施工的影响， 为了减小变形现象， 施工人员在施工过程中深入分析施工区域土质情况、 气候环境， 采取科学的技术手段， 加大监测力度， 以此保证城市道路建筑工程施工质量。