地鐵深基坑施工風(fēng)險及其控制技術(shù)

于全良

（中交隧道局第五工程有限公司 天津 300000）

1 調(diào)查地鐵深基坑開挖的歷史數(shù)據(jù)

近20年以來，城市基坑開挖深度迅速由20世紀(jì)90年代初的10～15m增大至20～40m，例如上海地鐵四號線修復(fù)工程深基坑開挖深度接近41m，上海世博變電站基坑深度近34m，天津文化中心基坑最大開挖深度接近30m，天津周大福基坑最大開挖深度超過30m。

基坑規(guī)模也大幅增加，大型交通樞紐和地鐵的建設(shè)也大大增加了基坑的長度。例如，上海虹橋綜合交通樞紐工程包括航空、城際鐵路，高速鐵路、軌道交通、長途客運、城市公共交通等一個綜合客運站的換乘模式，基坑開挖面積達到50萬m2。天津禹家寶大型地下交通樞紐基坑占地13萬m2，基坑開挖深度為10～30m，形成平面和深度的交叉口，形成超大型深基坑。天津站地下工程總圖面積為19萬m2。三角形超深基坑的邊長約為500m、530m、220m，覆蓋面積約為5.5萬m2?；娱_挖深度為25～32.5m，最大開挖深度為33.5m。天津機場交通中心開挖區(qū)為24.5m，基坑長度770m，地鐵基坑長度可達250～350m。

2 地鐵深基坑周圍環(huán)境分析

地鐵深基坑主要位于城市中心，附近有建筑、道路、地下管線等結(jié)構(gòu)。因此，環(huán)境影響不應(yīng)低估。土體的大變形導(dǎo)致周圍建筑物、道路和地下管線不均勻沉降或破壞，影響其正常使用，具有較大的社會影響。因此，地鐵的深基坑設(shè)計和施工既困難又危險，需要嚴(yán)格控制變形。并且，開挖深度基本都位于地下水位以下，因此降水問題也成為了控制的重點。

2.1 地鐵深基坑施工風(fēng)險點

通過對深基坑施工方法的研究，對地鐵深基坑施工的風(fēng)險點進行逐步分析?？傮w來說，深基坑施工技術(shù)包括地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)施工、基坑邊坡開挖和深基坑開挖。在地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)的施工中，需注意連續(xù)墻變形破壞、槽壁坍塌、鋼筋籠變形破壞、墻體夾泥、墻體滲漏等問題。深基坑開挖時，由于地下水未得到有效控制而容易發(fā)生局部邊坡坍塌或滑坡、坑底部流沙、底部涌水等。以及深基坑開挖過程中，由于支撐不足地下連續(xù)墻的水平位移、支護結(jié)構(gòu)的接縫泄漏也時常發(fā)生。

2.2 地鐵基坑施工風(fēng)險特點

地鐵深基坑施工的深度、占地面積、周邊建筑物、道路以及地下構(gòu)筑物的周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，深基坑的施工風(fēng)險越來越高。地鐵深基坑開挖，有四個主要特點：

2.2 .1復(fù)雜性

下面從地鐵基坑工程水文地質(zhì)、機械設(shè)備、技術(shù)人員和技術(shù)方案、周邊環(huán)境等著手詳細分析：

（1）水文地質(zhì)條件

水文地質(zhì)條件數(shù)據(jù)是地下工程設(shè)計和施工最重要的依據(jù)。包括含水率、滲透率、土體流速及流動方向、降水的回灌點和水的補給源、水的沖刷力等。巖土合成材料在施工過程中的粘度和變形還有其他障礙，如建筑地基、管道設(shè)施等。

（2）機械設(shè)備、技術(shù)人員和技術(shù)方案

在施工中，施工人員、機械設(shè)備、人員操作技術(shù)水平對風(fēng)險影響較高。在施工過程中，需制定有效的應(yīng)對措施，如果沒有合理的規(guī)劃，草率地采取一定的方案，必然會給整個地鐵施工帶來很大的風(fēng)險。

（3）周邊環(huán)境

地鐵深基坑開挖工程一般在城市中心城區(qū)，周邊環(huán)境比較復(fù)雜。例如，地面建筑的人文價值，都會對深基坑開挖施工產(chǎn)生影響。周邊的管道與道路、相鄰的地下構(gòu)筑物、周邊的生態(tài)環(huán)境和社會群體等周邊環(huán)境都增加了地鐵建設(shè)的風(fēng)險。

2.2 .2風(fēng)險性

地鐵深基坑施工是一個地下工程，當(dāng)水文地質(zhì)條件復(fù)雜時，會給地質(zhì)勘察帶來困難，勘察數(shù)據(jù)偏差往往會影響設(shè)計做出錯誤的判斷。因此，勘察數(shù)據(jù)需詳實有效，以避免設(shè)計誤判帶來的風(fēng)險。深基坑開挖時，降水一般采用坑內(nèi)坑外同時進行的方法，以防止流沙、坑底涌水、滑坡等危險產(chǎn)生，選擇合適的支撐形式是保證邊坡穩(wěn)定的必要條件。風(fēng)險還與開挖時間、開挖深度密切相關(guān)，而且極易受到惡劣天氣的外界影響，越不利的條件就越容易發(fā)生各種施工事故。

2.2 .3時空效應(yīng)性

隨著科學(xué)研究在實踐中的逐步應(yīng)用，人們在設(shè)計和施工中將注意時空效應(yīng)。時空效應(yīng)主要表現(xiàn)在土體變形、土體的應(yīng)力釋放等方面。隨著時間的推移，時空效應(yīng)越來越顯著，因此，施工中盡量縮短工期，減小時空效應(yīng)帶來的風(fēng)險。

2.2.4 環(huán)境效應(yīng)性

地鐵基坑的施工將對周邊地區(qū)產(chǎn)生較大的影響。首先，在地鐵建設(shè)中，將會有大量的土方工程需要運輸，應(yīng)注意土方運輸?shù)臅r間安排，避免給城市交通帶來負(fù)面影響。其次，基坑施工降水會影響地下水位的變化，造成各種應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形和位移。所以，對地面建筑物、市政管線及鄰近隧道造成較大風(fēng)險。在嚴(yán)重的情況下，地面會下沉，道路會開裂。

3 地鐵深基坑施工的風(fēng)險控制技術(shù)

3.1 基坑風(fēng)險對策方針

針對地鐵隧道開挖的危險點提出了相應(yīng)的對策：

（1）開挖的原則是先支護后開挖，先脫水后開挖，結(jié)合當(dāng)?shù)丨h(huán)境監(jiān)測信息，不能超挖；

（2）一旦開挖到高度，混凝土墊層立即就位；

（3）為了防止邊坡穩(wěn)定性，采用1：3防止邊坡滑動；

（4）應(yīng)注意排水，在雨季使用排水時，不要積蓄大量的水。

3.2 深基坑防連續(xù)破壞設(shè)計

3.2 .1深基坑防連續(xù)破壞冗余度概念和定義

冗余是結(jié)構(gòu)體系抵抗連續(xù)倒塌能力的一個體現(xiàn)。足夠的冗余度可以限制結(jié)構(gòu)失效范圍，從而防止連續(xù)倒塌的發(fā)生。所以，將冗余理論引入基坑支護系統(tǒng)的設(shè)計中，可以提高基坑支護結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)破壞能力。冗余設(shè)計的目的是通過合理布置支撐系統(tǒng)，并采取必要的連接結(jié)構(gòu)措施，在不增加支撐系統(tǒng)成本或稍微增加成本的情況下，增加支撐系統(tǒng)的傳遞路徑，防止局部支撐結(jié)構(gòu)。構(gòu)件的削弱和破壞會使支撐系統(tǒng)發(fā)生顯著變形，甚至失效。根據(jù)實踐和理論研究，冗余度可分為以下幾類：

（1）基坑水平支護體系的變形冗余；

（2）基坑水平支撐體系的穩(wěn)定性冗余；

（3）基坑豎向支護結(jié)構(gòu)的變形冗余；

（4）基坑豎向支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性冗余；

（5）水平支撐垂直支撐結(jié)構(gòu)的冗余性。

3.2.2 深基坑防連續(xù)破壞冗余度設(shè)計方法

（1）增加傳動路徑：通過合理布置和設(shè)計支承結(jié)構(gòu)，增加支承系統(tǒng)的傳動路徑；

（2）間隔加固法：在支護樁（強）與支護體系之間設(shè)置一定距離的加固單元；

（3）保證節(jié)點強度：提高支撐結(jié)構(gòu)節(jié)點的強度，提高支撐系統(tǒng)的完整性和魯棒性；

（4）確保延展性：確保支撐結(jié)構(gòu)的接縫和構(gòu)件足夠延展；

（5）增強橫向連續(xù)性：通過設(shè)置橫向構(gòu)件，如連續(xù)腰梁和冠梁，使其具有足夠的強度，從而增加支撐系統(tǒng)在水平方向上的冗余度，這對于支撐結(jié)構(gòu)的平面形狀尤其重要；

（6）加強關(guān)鍵部件：加強關(guān)鍵部件的設(shè)計，使其具有較高的強度和延展性。

4 深基坑施工風(fēng)險探討結(jié)論及施工建議

（1）當(dāng)基坑鄰近既有變形時，機場和醫(yī)院需要嚴(yán)格的環(huán)境條件，基坑工程引起的變形應(yīng)控制在毫米水平。目前，基坑工程引起的環(huán)境變化，但采取的應(yīng)對措施已經(jīng)不能完全滿足工程實踐的需要。因此，有必要在已有的理論、方法和技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)適合于新的環(huán)境條件的基坑工程的設(shè)計、理論、技術(shù)方法、施工工藝及設(shè)備。

（2）巖土工程（包括基坑工程和地下工程）的穩(wěn)定性設(shè)計理論在國內(nèi)外學(xué)者的討論范圍依然是基于平面問題的假設(shè)開展和進行。基坑工程中的大量事故表明工程局部的破壞會演變成漸進破壞甚至連續(xù)破壞，造成嚴(yán)重的后果。因此，就需要開發(fā)防止基坑工程連續(xù)損傷的設(shè)計理論和方法。

（3）開展深基坑工程和地下工程的節(jié)能降耗設(shè)計與施工技術(shù)，是今后的一個有意義的研究方向。

（4）建議研究深埋深基坑工程和40m以上地下工程的設(shè)計理論、施工工藝及技術(shù)條件，為中國深層地下空間開發(fā)提供技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

近年來，中國地下工程與基坑工程的施工技術(shù)取得了顯著的進展，得到了優(yōu)秀的研究成果。由于空間和作者水平的限制，本文僅就軟土、高水位、富水、淤泥、地下工程與砂土層的基坑工程的當(dāng)前進展綜述，并進行分析，供同行參考，希望能夠給個位同仁一點啟發(fā)。