临近既有地铁隧道的软土基坑工程安全风险分析

张雄健 周德春 周利伟 任辉 俞嘉彬

浙江华东测绘与工程安全技术有限公司 浙江 杭州 310014

1 前言

根据统计，我国城市的轨道交通正逐步进入建设与运营并重的发展阶段[1]。随着城市发展，在地铁保护范围内进行基坑开挖等情况越来越多。基坑施工会引起周边土体变形，从而对周边土体内的地铁设施产生影响，特别是在沿海软土地区，地层压缩性和灵敏度高，施工扰动更为显著。临近既有地铁设施受扰动影响轻则引起结构变形开裂，降低结构服役性能；重则直接影响地铁运营，导致运营事故。因此，临近既有地铁设施施工正成为城市建设安全的重要问题。

国家安全生产法、建设工程安全管理条例等文件均要求参建各方制定建立健全风险防范化解机制，确保安全生产。《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）针对轨道交通地下工程风险管理建立一套风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价与风险控制的体系流程。此外，许多学者和工程师也对临近地铁隧道设施影响因素及评估方法开展研究。魏纲等[2]采用理论分析法推导基坑开挖引起临近地铁隧道附加应力的计算公式。张立明[3]等基于基坑施工监测数据分析软土深基坑对临近地铁结构的影响具有明显的时空效应，基坑分期实施可有效控制临近地铁结构位移。马红峰[4]以某基坑临近南昌地铁4号线区间隧道为例，采用三维有限元软件模拟基坑开挖对隧道结构、周边土体等变形影响。本文以沿海城市某基坑临近既有地铁区间隧道为例，通过风险辨识、数值模拟分析基坑自身及临近既有隧道的风险，并根据分析结果制定风险预控措施。

2 工程概况

某项目基坑北侧距既有地铁成型盾构隧道外边线约26.7m，部分位于地铁保护区范围内。基坑尺寸约为249m×165m，挖深9.3m，采用分坑法分为三期开挖。邻近地铁隧道一侧为一期基坑，细分为三个小坑施工。远离隧道侧为二期基坑。一期基坑围护结构为Φ1000@1200钻孔灌注桩，桩长约34m；支撑体系为第一道钢筋砼支撑，第二道组合型钢支撑，桩外采用650mm厚TRD搅拌墙止水，墙趾深约24m。

影响范围内区间为盾构隧道，外径6.2 m，内径5.5m，环宽1.2m。管片为C50砼，采用错缝拼装，环块以弯螺栓连接。隧道顶埋深约12.45～16.8m，设计里程K17+839.6～K18+188.3，不涉及联络通道及泵站。

图1 平面位置关系图

图2 剖面位置关系图

场地勘察深度范围内涉及土层主要为第四系沉积地层，包括填土、砂质粉土、黏土、粉砂、圆砾等地层，地层物理力学参数见表1。其中基坑开挖主要涉及填土、粘质粉土、砂质粉土地层，基坑坑底处于2-4层砂质粉土中，TRD止水帷幕位于3层淤泥质黏土地层，钻孔灌注桩桩底位于5-1层粉质黏土层。既有地铁隧道位于3层淤泥质黏土。地下水主要为第四系孔隙潜水，赋存于前部粉土、粉砂中，富水性贫乏，属弱透水层。

表1 土层物理力学指标

3 工程风险辨识

风险辨识是工程建设管理的基础和前提，全面、系统地各类对完成风险辨识是工程建设管理的基础和前提。本项目的安全风险分析对象主要是拟建项目基坑本体及对周边环境的影响。风险主要分为两大块，一是拟建项目基坑的自身风险，二是其建设对周边环境的影响，尤其是对既有地铁设施的影响。基坑工程自身的稳定是保证工程安全的关键，影响工程基坑工程风险因素众多。本文根据工程建设的时序划分风险单元，工程风险主要发生在规划设计与施工阶段，规划设计阶段风险包括设计条件适用性风险、设计方案可靠性风险；施工阶段风险包括施工管理风险、施工作业风险、监测监控风险。

此外，在保证基坑稳定的基础上，基坑开挖对周边环境的变形控制是工程安全管理的另一个重要目标，而基坑开挖的时空效应是影响变形的重要因素。基坑空间效应包括开挖尺寸、基坑形状和开挖方式顺序三大类[5]。在施工过程中分层、分段开挖可以充分利用基坑支护的空间效应，控制基坑围护结构变形；吴才德等[6]研究临近隧道基坑开挖的空间效应改变影响，认为隧道变形临近基坑开挖面积的增加而非线性递增，采用分隔墙与分坑措施有利于控制临近隧道变形。基坑时间效应是由于软土地基中基坑开挖卸荷所致，土体在相对稳定的状态下随暴露时间的延长而不可避免地产生移动，特别是在坑底以下墙内被动区额墙底以下土体滑动面等剪应力较大的部位，都会因为坑底暴露时间过长而产生位移，进而引起周边地层变形。特别要注意基坑开挖至每道支撑设计深度后，如支撑安装滞后将明显增加围护结构变形和相应的地表沉降；开挖至坑底标高后，如不及时浇筑好垫层底边，使基坑长时间暴露，因软土的流变特性亦会增大墙体被动压力区的土体位移和墙外土体向坑内的位移。风险辨识结果见表2

表2 项目风险辨识统计表

4 数值模拟分析

本文采用PLAXIS 3D软件模拟计算。为确保分析结果不受边界约束的影响，模型的X方向（平行于轨道交通走向）取410m，Y方向（垂直于轨道交通走向）取330m，Z方向（厚度方向）取50m。

模型参数方面，岩土体单元采用小应变硬化土本构模型，可同时考虑剪切硬化与压缩硬化，采用摩尔库伦破坏准则，更适用于模拟基坑开挖的变形性状。结构单元采用弹性本构模型。

模拟工况根据各建设内容先后顺序进行，主要为：初始地应力（位移清零）、既有地铁隧道激活（位移清零）、基坑围护结构施工、各分坑第一层土开挖、第一道混凝土支撑施做、左右分坑土开挖及支撑架设、左右分坑结构回筑及拆撑、中间分坑土方开挖及支撑架设、中间分坑结构回筑及拆撑。

图3 有限元模型构建

根据数值计算，基坑左右分坑开挖，围护结构水平位移19.8mm，区间右线隧道水平位移为-1.9mm，竖向位移为-0.7mm，左线隧道水平位移-1.1mm，竖向位移为-0.4mm。中间分坑施工后，基坑围护结构水平位移为20.1mm，区间右线隧道结构水平位移为-2.1mm，竖向位移为-0.8mm，左线隧道水平位移-1.2mm，竖向位移为-1.2mm。由计算结果可知，基坑施工对既有地铁隧道的影响满足规范[7]控制标准的要求。具体计算结果见表2。

表2 计算结果汇总表

5 风险预控措施

考虑到施工过程中的风险因素，为确保项目基坑自身稳定以及既有地铁设施的受力和变形，保证地铁安全运行，从设计、施工以及项目管理等方面采取措施控制风险。

设计方面需明确基坑开挖前进行试验降水，期间密切关注近地铁侧水位变化，确保止水可靠性；明确基坑分坑分区措施，采取跳挖的施工方法，控制临近地铁一侧土方沿围护方向一次性开挖长度，减少对盾构隧道的影响。

施工方面，在施工前需复核地质条件、地铁设施和管线位置，避免因定位问题导致既有地铁隧道损伤。围护结构施工阶段需合理控制TRD等围护桩的施工参数，后面施工参数根据前期监测数据进行优化，以降低围护施工对既有地铁隧道的影响。土方开挖阶段需按照设计要求分层、分块开挖，关注止水帷幕接缝处施工质量和止水效果，发现渗漏及时采取相应措施；同时合理规划现场场地布置，合理规划材料对方和机械行驶路线，严禁从临近隧道上方进出和堆放材料，控制既有地铁隧道的上部荷载；开挖见底以后及时组织人力进行垫层和底板浇筑，减少基坑无支撑暴露时间。拆撑阶段，临近地铁侧支撑需采用静力切割，减少振动对地铁的影响。

项目管理方面，首先需建立信息化动态管控机制，制定地铁保护专项监测方案，加强监控量测，根据监测数据动态评估工程安全状态，及时调整施工方案；其次制定建设、设计、施工、监测、评估以及地铁管理部门等单位的联动机制，协调好各方力量保证工程安全；最后制定完善的应急预案，落实人力、物资与资金配置。

6 结论

本文以沿海城市某临近既有地铁隧道的软土基坑为例，按照风险辨识、定量模拟评估、风险预控管理路线对基坑自身以及临近的地铁隧道风险进行分析，并结合风险特点从设计、施工和项目管理三个方面提供了风险预控措施建议。基坑实施对既有隧道的影响大小。

（1）基坑临近开挖后导致地层卸荷变形，引起临近既有隧道结构产生变形。基坑工程风险贯穿设计与施工全过程，主要包括设计条件适合性、设计方案可靠性、施工作业风险、施工管理风险以及监测监控风险几个方面。

（2）根据数值分析结果，在规范施工的条件下基坑自身变形以及对临近既有隧道的影响均在规范控制范围内。其中基坑开挖对隧道结构变形影响主要集中于一期左、右分坑开挖期间发生，占累计变形的80%以上；一期中间分坑以及二期基坑开挖引起变形相对较小。

（3）为确保项目自身与临近既有地铁安全，现场实施期间应加强基坑降水、围护结构施工参数、土方开挖、工程荷载、无支撑暴露时间等因素的控制，建立信息化监控、多方联动和预警预案管理等措施。