深基坑項(xiàng)目軌道交通安全評(píng)估淺析

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［摘要］隨著地鐵運(yùn)營線路的不斷增加，涉及地鐵保護(hù)區(qū)的項(xiàng)目也越來越多，地鐵保護(hù)區(qū)的安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測作為保障地鐵運(yùn)營安全的2種手段越來越多地應(yīng)用到實(shí)際工程中。以地鐵壹號(hào)城深基坑施工臨近南寧軌道交通1號(hào)線為例，對(duì)項(xiàng)目開展的安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測情況進(jìn)行論述與分析，驗(yàn)證安全評(píng)估的數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測的符合性，也為類似工程安全評(píng)估與專項(xiàng)監(jiān)測提供經(jīng)驗(yàn)。

［關(guān)鍵詞］深基坑；既有軌道交通；安全評(píng)估；專項(xiàng)監(jiān)測

隨著城市軌道交通線網(wǎng)的不斷發(fā)展，深基坑臨近既有軌道交通的地鐵保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目屢見不鮮，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及法律法規(guī)規(guī)定施工安全風(fēng)險(xiǎn)超過一定等級(jí)的地鐵保護(hù)區(qū)施工項(xiàng)目需開展安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測，確保地鐵結(jié)構(gòu)的安全。地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的施工影響地鐵結(jié)構(gòu)的案例已有很多，基坑開挖影響隧道結(jié)構(gòu)變形是一個(gè)比較典型的案例，國內(nèi)許多學(xué)者先前已對(duì)此方面有一些研究。如，一些學(xué)者以地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)實(shí)際基坑項(xiàng)目為例，采用有限元分析法，通過各種數(shù)值模擬軟件進(jìn)行安全評(píng)估及隧道變形預(yù)測，分析影響隧道變形的各種影響因素，并對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律分析與總結(jié)，驗(yàn)證安全評(píng)估與監(jiān)測數(shù)據(jù)的吻合性，對(duì)深基坑工程臨近地鐵施工時(shí)的保護(hù)措施提出了建議。潘棟利用實(shí)測變形數(shù)據(jù)針對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)變形的預(yù)測模型和安全評(píng)估方法進(jìn)行了研究，得出了適合地鐵結(jié)構(gòu)變形預(yù)測的回歸分析優(yōu)化模型。趙洋等就深基坑開挖對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行研究，通過對(duì)基坑開挖的具體影響程度、級(jí)別及安全性進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的保護(hù)措施。作為安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測的實(shí)例分析，旨在驗(yàn)證安全評(píng)估的數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測的符合性，通過論述各環(huán)節(jié)的實(shí)際執(zhí)行情況，為類似項(xiàng)目的安全評(píng)估和監(jiān)測開展提供經(jīng)驗(yàn)。以地鐵壹號(hào)城深基坑項(xiàng)目臨近南寧軌道交通1號(hào)線地鐵保護(hù)區(qū)為例，對(duì)項(xiàng)目開展的安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測進(jìn)行論述和分析，驗(yàn)證安全評(píng)估的數(shù)值模擬與專項(xiàng)監(jiān)測的吻合性，也為類似工程安全評(píng)估與專項(xiàng)監(jiān)測提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1工程概況

地鐵壹號(hào)城項(xiàng)目場地位于南寧市高坡嶺路東側(cè)、佛子嶺路北側(cè)，由8棟高層住宅樓、商業(yè)和地下車庫組成。基坑周邊現(xiàn)況地面標(biāo)高約87.000~105.000m，基坑開挖深度約6.40~24.40m。基坑支護(hù)共分為10段，周長884m，其中，AB段至FG段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí),AB段、CD段采用雙排樁支護(hù)，BC段采用排樁支護(hù)方案，DE段和FG段采用排樁支護(hù)；GH段至KA段基坑支護(hù)安全等級(jí)為二級(jí)，采用掛網(wǎng)放坡支護(hù)；EF段為下沉式廣場，與佛子嶺站Ⅱ號(hào)出入口預(yù)留接口，不進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)。深基坑側(cè)壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離佛子嶺站Ⅱ號(hào)出入口結(jié)構(gòu)2.632m，距離3號(hào)風(fēng)亭結(jié)構(gòu)4.91m，距離佛子嶺站—火車東站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)14.157m，基坑與地鐵結(jié)構(gòu)臨近的范圍超過300m，地鐵附屬結(jié)構(gòu)基坑開挖深度超過10m，與地鐵結(jié)構(gòu)臨近的基坑主要包括AB段、BC段、CD段、DE段及FG段，基坑開挖深度約7.4~10.4m。基坑與既有軌道交通1號(hào)線盾構(gòu)隧道的平剖面位置關(guān)系如圖1所示。佛子嶺站—火車東站區(qū)間臨近基坑區(qū)域的盾構(gòu)隧道覆土埋深約6~13m。場地地層巖性自上而下為第四系人工素填土、第四系殘積成因的粘土、粉質(zhì)粘土、粉土及粉砂，下伏地層為古近系南湖組湖相沉積的泥巖、粉砂巖等。場地內(nèi)地下水主要為賦存和運(yùn)移于粉砂層中的孔隙水及局部強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層中的基巖裂隙水，局部地段素填土層中也分布有少量上層滯水。管片采用C50高強(qiáng)混凝土，外徑6000mm，內(nèi)徑5400mm，管片寬度1500mm，管片厚度300mm，錯(cuò)縫拼接而成。本項(xiàng)目隧道內(nèi)自動(dòng)化及人工監(jiān)測布點(diǎn)于2018年6月中旬完成，基坑靠近地鐵結(jié)構(gòu)的圍護(hù)樁于2018年6月開始施工，2018年8月初靠近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)的圍護(hù)樁全部施工完成，2018年10月初靠近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)的基坑開挖至基底，2018年11月靠近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)的墊層澆筑完成，隨后進(jìn)行底板及上部結(jié)構(gòu)的施工。本項(xiàng)目隧道結(jié)構(gòu)自動(dòng)化監(jiān)測于2019年5月中旬結(jié)束，此時(shí)壹號(hào)城項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)已施工至地上3層。

2安全評(píng)估

本項(xiàng)目具體評(píng)估內(nèi)容主要有地鐵壹號(hào)城深基坑施工引起的臨近佛子嶺站Ⅱ號(hào)出入口、3號(hào)風(fēng)亭、佛子嶺站—火車東站區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形及受力安全性影響及風(fēng)險(xiǎn)分析，地鐵壹號(hào)城深基坑施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制指標(biāo)、工程監(jiān)測方案、施工安全專項(xiàng)方案等建議。評(píng)估范圍為受地鐵壹號(hào)城深基坑影響的地鐵結(jié)構(gòu)外延50m內(nèi)的區(qū)域。本評(píng)估項(xiàng)目主要采用數(shù)值分析法，并輔之專家評(píng)議、工程經(jīng)驗(yàn)類比等定性分析方法。計(jì)算模擬區(qū)域以受影響地鐵結(jié)構(gòu)為中心向四周擴(kuò)展。考慮到施工過程中的空間效應(yīng)，三維計(jì)算分析地層–結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。為確保三維模型有足夠的計(jì)算精度并保證計(jì)算效率，模型尺寸為沿車站和隧道方向取381m，寬度方向取293m；垂直方向上從最終路面向下共40m。計(jì)算分析模型中，地層、雙排樁支護(hù)、冠梁、系梁等均采用實(shí)體單元模擬，車站結(jié)構(gòu)、II號(hào)出入口結(jié)構(gòu)、3號(hào)風(fēng)亭結(jié)構(gòu)、隧道管片等均采用板單元模擬，結(jié)構(gòu)柱采用梁單元模擬。三維模型共劃分206505個(gè)單元，115676個(gè)節(jié)點(diǎn)。地層計(jì)算采用摩爾庫倫模型，結(jié)構(gòu)的計(jì)算采用線彈性模型。模型四周邊界約束水平方向位移，豎直方向位移自由；底部xyz方向全約束，為固定邊界條件；頂端地面為自由邊界。模擬的初始條件為地鐵隧道施工完畢，并與地層達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，作為基坑開挖施工的初始條件。根據(jù)工程概況及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算分析分為以下2種工況，分別為地鐵隧道、車站及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施工完成后的初始平衡、壹號(hào)城基坑開挖施工。模擬基坑開挖到底之后的地鐵結(jié)構(gòu)水平方向的變形情況如圖3所示。根據(jù)所有計(jì)算分析結(jié)果，地鐵壹號(hào)城基坑施工完成后，佛子嶺站主體結(jié)構(gòu)最大水平位移1.44mm，最大豎向位移0.265mm；Ⅱ號(hào)出入口結(jié)構(gòu)最大水平位移2.36mm，最大豎向位移0.65mm；3號(hào)風(fēng)亭最大水平位移2.27mm，最大豎向位移0.51mm；佛子嶺站—火車東站區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大水平位移2.91mm，最大豎向位移0.80mm，滿足規(guī)范控制指標(biāo)要求。其他位移、應(yīng)力、強(qiáng)度、差異沉降等指標(biāo)計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范中規(guī)定的隧道與軌道結(jié)構(gòu)保護(hù)要求。

3專項(xiàng)監(jiān)測

結(jié)合安全評(píng)估計(jì)算結(jié)果及施工影響情況，監(jiān)測范圍為基坑對(duì)應(yīng)的隧道（車站）位置，再往兩端頭各外擴(kuò)30m，共計(jì)360m。左右線監(jiān)測布點(diǎn)間距為10m，每條線各布設(shè)36個(gè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面布設(shè)軌道結(jié)構(gòu)豎向位移自動(dòng)化、隧道結(jié)構(gòu)豎向位移自動(dòng)化、軌道結(jié)構(gòu)水平位移自動(dòng)化、隧道結(jié)構(gòu)水平位移自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)，隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂自動(dòng)化監(jiān)測點(diǎn)及軌道幾何形位人工監(jiān)測點(diǎn)。對(duì)影響范圍內(nèi)的出入口及風(fēng)亭在結(jié)構(gòu)拐角處及結(jié)構(gòu)變化處等重點(diǎn)部位布設(shè)建筑物人工監(jiān)測點(diǎn)。此次評(píng)估僅分析和計(jì)算基坑圍護(hù)樁施工及基坑開挖至基底之后的變形情況，未考慮結(jié)構(gòu)加載后的影響。結(jié)合施工情況及自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，將右線隧道結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與評(píng)估結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。靠近地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)的基坑開挖完成為10月初，10月下旬開始施工墊層，因此，選擇10月下旬的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與評(píng)估結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。采用實(shí)測的隧道自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成斷面監(jiān)測位移變化，如圖4、圖5所示。由測點(diǎn)變化斷面圖看出，在基坑圍護(hù)樁施工完成之后管片結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移變化均不大，每個(gè)監(jiān)測斷面的管片和軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢一致。基坑開挖完成后豎向位移的變化量在–1.46~+1.01mm，絕大部分監(jiān)測點(diǎn)變化量的絕對(duì)值處在1mm以內(nèi)。豎向位移自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與評(píng)估計(jì)算的隧道結(jié)構(gòu)最大變形為0.8mm基本吻合，整體的變化趨勢也類似，具有較高的擬合度。管片結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)斷面水平位移變化如圖6、圖7所示。由斷面測點(diǎn)水平位移變化看出，在基坑圍護(hù)樁施工完成之后管片結(jié)構(gòu)和軌道結(jié)構(gòu)的豎向位移變化均不大，各監(jiān)測斷面的管片和軌道監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨于一致。基坑開挖完成后水平位移的變化量在–0.48~+1.36mm，水平位移自動(dòng)化監(jiān)測與評(píng)估計(jì)算的最大變形為2.91mm，存在一定的差異，但是在后續(xù)的變化過程中，管片水平位移變化最大為+2.78mm，道床水平位移變化最大達(dá)到+3.18mm，變化趨勢也相類似，與評(píng)估計(jì)算結(jié)果基本吻合。

4討論

本項(xiàng)目涉及的施工工況主要有圍護(hù)樁施工及基坑土方開挖。圍護(hù)樁施工未涉及土體流失，加之距離較遠(yuǎn)，影響可忽略。基坑開挖施工涉及土體卸載的過程，在基坑開挖過程中，基坑坑底土體發(fā)生隆起，周圍土體出現(xiàn)下沉，并往基坑方向擠壓圍護(hù)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的水平位移。基坑底部的隆起是基坑在開挖過程中，垂直方向上土體的卸荷引起周圍地層的變化，繼而改變基坑底部土體部分原始應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)果。基坑底部隆起主要分為彈性隆起和塑性隆起，如圖8所示。在基坑開挖過程中，坑外土體不斷被擾動(dòng)，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而使周邊地層產(chǎn)生水平方向的位移變形，這就是圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的根本原因。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形形態(tài)主要分為3種，即懸臂式位移，拋物線型位移和組合型位移。（圖9）。因此，地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)受基坑開挖影響產(chǎn)生變形的原因是坑底土體的隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形的綜合結(jié)果。

5結(jié)束語

以地鐵保護(hù)區(qū)安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測實(shí)例為引導(dǎo)，通過變形機(jī)理分析，闡述安全評(píng)估與專項(xiàng)監(jiān)測的工作開展，將實(shí)測的自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)與安全評(píng)估計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，得出如下結(jié)論。（1）專項(xiàng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與安全評(píng)估的計(jì)算結(jié)果基本吻合，由于評(píng)估計(jì)算考慮的是簡化的工況，因此，其與實(shí)際施工及監(jiān)測的情況可能存在時(shí)空效應(yīng)的差異，但是不影響最終的結(jié)果。（2）安全評(píng)估和專項(xiàng)監(jiān)測作為地鐵運(yùn)營安全保障的2種重要手段均能有效應(yīng)用于實(shí)際工程中，對(duì)于預(yù)測和監(jiān)控地鐵結(jié)構(gòu)的變形能夠達(dá)到很好的效果。

作者:林靜 石杰紅 單位:南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司 中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 地鐵火災(zāi)與客流疏運(yùn)安全