深基坑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道的影響研究

黃鵬

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430074）

地鐵是現(xiàn)代城市交通體系的重要構(gòu)成，其對城市整體物化的改進(jìn)有積極意義。在地鐵建成后，地鐵沿線的商業(yè)及住宅區(qū)水漲船高，一地難求。而在土地空間資源規(guī)劃的過程中，相關(guān)部門人員必須將地鐵隧道周邊的深基坑施工作為一項(xiàng)重要內(nèi)容，加強(qiáng)對該項(xiàng)工作的課題研究。基于此，本文從有限元法對數(shù)值模擬分析的角度，闡述基坑設(shè)計(jì)和支護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 有限元法對數(shù)值模擬分析的應(yīng)用

隨著城市化建設(shè)的逐漸加速，無論是高層建筑還是地下工程施工，都涉及大規(guī)?；庸こ痰拈_展，這類工程對周邊建筑物以及地鐵隧道存在潛在影響?？陀^來說，作為現(xiàn)代城市交通體系的重要構(gòu)成，地鐵對隧道的結(jié)構(gòu)要求極其嚴(yán)格。因此，在展開周邊區(qū)域的基坑施工時，相關(guān)施工單位務(wù)必要綜合考慮隧道的安全性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這對于施工設(shè)計(jì)以及施工管理人員無疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。從基坑開挖工作自身而言，其開挖面上卸荷會在一定程度上引起坑底土體的位移，從而在兩側(cè)壓力差的共同作用下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)向水平側(cè)位移，這意味著深基坑開挖過程中，周邊土層的移動是不可避免的。那么，科學(xué)預(yù)測坑底土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移就成為探究深基坑和施工對鄰近地鐵盾構(gòu)隧道影響的核心工作。在這種情況下，相關(guān)部門人員可以借助巖土工程專業(yè)有限元軟件對三維有限運(yùn)動展開分析，模擬基坑開挖的有限元數(shù)值，借助軟件分析推斷深基坑施工對地鐵隧道變形可能產(chǎn)生的影響，預(yù)測隧道的沉降和水平位移程度，從而為隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的保護(hù)制定恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，在保證地鐵正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上展開其他施工作業(yè)。

2 工程概況

2.1 基坑支護(hù)形式

某建筑工程采取板式支護(hù)作為主體支護(hù)形式，設(shè)置了內(nèi)支撐保護(hù)方案。與此同時，通過構(gòu)建地下連續(xù)墻對基坑周邊區(qū)域施加保護(hù)。結(jié)合工程設(shè)計(jì)而言，其基坑周邊的絕大多數(shù)區(qū)域計(jì)劃采用鉆孔藏注樁井結(jié)合外側(cè)三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行止水帷幕，整體復(fù)合“對撐+角撐邊桁架支撐體系”兩道水平支撐特點(diǎn)。

2.2 地下水處理

在深基坑施工中，處理地下水屬于一項(xiàng)重點(diǎn)工作。以本次工程施工為例，其地下含水量極其豐富，同時基坑下方粉砂層透水性良好。因此，施工人員計(jì)劃借助壘砌的地連墻進(jìn)行止水，同時選擇φ850三軸深攪樁作為止水帷幕，各處路段的止水可靠性有所保障。與此同時，出于對周邊生態(tài)環(huán)境的考慮，施工單位計(jì)劃在場地內(nèi)部采用全封閉的止水帷幕。但是，在這一地下水處理方案設(shè)計(jì)過程中，人員需要重點(diǎn)注意風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖與粉質(zhì)黏土層應(yīng)保持的距離，將距離控制在1m以上。

2.3 支護(hù)保護(hù)

在設(shè)計(jì)地鐵周邊工程的深基坑施工方案時，相關(guān)單位和人員務(wù)必要考慮到避免沉降對地鐵隧道的保護(hù)。在止水帷幕深度不足的情況下，基坑底部可能會存在管涌問題，一方面，會影響后續(xù)施工進(jìn)度；另一方面，會危及地鐵的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，在施工過程中，施工人員需要對地連墻進(jìn)入中風(fēng)劃分砂質(zhì)泥巖的深度、止水帷幕樁進(jìn)入粉質(zhì)黏土層的長度進(jìn)行合理控制，保障止水體系的封閉性與有效性。而如果在抗擊施工過程中，樁端變形，樁底土塑性流動，也會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。針對這一問題，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該適當(dāng)增加支護(hù)樁的樁徑、樁長，避免出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形問題，影響土方施工。

2.4 施工設(shè)計(jì)

在組織開展深基坑施工設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)人員必須從宏觀維度上對開發(fā)施工順序進(jìn)行合理安排。尤其在涉及大規(guī)模深基坑工程施工方案時，必須嚴(yán)格按照行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，采用分區(qū)、分層、分段、分塊的基本設(shè)計(jì)原則，開挖抽槽，形成中間支撐和端頭支撐，盡可能縮減無支撐區(qū)域的范圍，避免出現(xiàn)施工環(huán)節(jié)的遺漏，確保深基坑開挖符合規(guī)范要求。具體來說，在施工設(shè)計(jì)過程中，人員必須對以下幾項(xiàng)工況步驟進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)：（1）在開挖溝槽的過程中，施工人員需要依次對深攪樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、立柱樁、工程樁及降水井進(jìn)行施工。（2）在奉行分區(qū)、分層、分段、分塊的施工原則的過程中，當(dāng)將土方挖至第一層支撐底標(biāo)高的情況下，應(yīng)注意對樁頂圈梁和第一層鋼筋砼支撐進(jìn)行澆筑。將土方挖至第二層支撐底標(biāo)高時，對鋼筋砼圍檁和第二層鋼筋砼支撐進(jìn)行澆筑。將土方開挖至底板墊層底標(biāo)高時，澆筑砼墊層。值得注意的是，施工人員需要適時觀察等墊層的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在確定其達(dá)到行業(yè)所要求的標(biāo)準(zhǔn)后，才可對基坑內(nèi)的坑中坑土方展開作業(yè)。（3）在按施工流程分別對第二層鋼筋砼支撐、負(fù)一層樓板、負(fù)一層側(cè)墻進(jìn)行施工后，在保證施工強(qiáng)度的基礎(chǔ)上做好施工防水工程，并回填夯實(shí)基坑側(cè)壁土方。

3 計(jì)算模型及分析

3.1 計(jì)算模型

借助有限元軟件對幾何模型進(jìn)行三維分析，計(jì)算模型的長、寬和深度，但在這一過程中必須充分考慮基坑開挖的影響范圍。與此同時，在對土體進(jìn)行模擬時，需要采用實(shí)體單元，而在對地下連續(xù)墻、地鐵站、隧道襯砌進(jìn)行模擬時需要采用板單元，注意截面換算剛度。

3.2 分步施工

在建立模型以及后期的模型分析中，相關(guān)施工人員同樣需要分層分步開展。首先，在模型初始化階段，人員需要連續(xù)對地下連續(xù)墻、地鐵站，隧道襯砌等板單元進(jìn)行激活處理。隨后，分別開展地下連續(xù)墻施工、基坑初次分區(qū)域分層施工、基坑第二次分區(qū)域分層施工、基坑第三次分區(qū)域分層開挖施工，并設(shè)置第一道、第二道支撐。

3.3 結(jié)果分析

通過對建立的模型進(jìn)行分析，各施工階段隧道沉降的位移變化存在顯著差異。其中，施工階段正負(fù)最大向位移均達(dá)到最大數(shù)值。與此同時，在側(cè)向基坑支護(hù)開挖和基坑支護(hù)的過程中，存在隧道結(jié)構(gòu)的最大水平位移為和絕對沉降最大隆起，但均符合地鐵保護(hù)絕對沉降量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 深基坑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道的影響

4.1 支撐影響

地鐵臨近工程的深基坑施工對于基坑的跨度、支撐的穩(wěn)定性相對較高，結(jié)合現(xiàn)有的施工經(jīng)驗(yàn)來看，為達(dá)到這一施工要求，相關(guān)施工單位以及人員可以通過架設(shè)豎向立柱來確保其在平面外的穩(wěn)定，通過架設(shè)桿件截面或縮短桿件計(jì)算長度來確保其在平面內(nèi)的穩(wěn)定。

隨著現(xiàn)代施工技術(shù)的更新迭代速度逐漸加快，以型鋼組合支撐體系作為代表的新體系在地鐵周邊工程的盾構(gòu)施工中得到廣泛應(yīng)用，具備整體性、獨(dú)立性以及連接性特點(diǎn)，在一定程度上降低了桿件平面內(nèi)穩(wěn)定性以及臨界荷載，減弱了周邊土體約束力。整體來說，在地鐵盾構(gòu)施工的過程中，為達(dá)到抵抗土體自重壓力的目的，施工設(shè)計(jì)人員會設(shè)計(jì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)，同時設(shè)置型鋼組合支撐體系，用以加強(qiáng)整個體系側(cè)面的剛度。

4.2 圍護(hù)影響

深基坑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道的圍護(hù)體系的影響也是施工中務(wù)必重點(diǎn)考慮的問題。此時，施工人員需要嚴(yán)格按照已有的施工方案打造包括鉆孔灌注樁、SMW三軸止水樁在內(nèi)的圍護(hù)裝置后，借助儀器設(shè)備測量相鄰基坑的地鐵隧道周圍環(huán)境的水平移動情況，將實(shí)際測量結(jié)果和理論結(jié)果相對比，并給出檢測報告。在考察與分析了深層土體位移的曲線后，相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)幾個檢測位置的測量結(jié)果和預(yù)期結(jié)果相一致，實(shí)踐和理論基本吻合。而在深基坑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響層面。在傳統(tǒng)的施工模式下，鋼筋混凝土支撐憑借易成形、截面剛度大、受外力因素影響發(fā)生形變的可能性較低且應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，而受到了施工單位的青睞，被應(yīng)用于基坑施工中。而型鋼組合支撐的優(yōu)勢在于其從承受壓力的型鋼中架設(shè)了連系梁，使整個體系呈現(xiàn)出網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，平面內(nèi)外的穩(wěn)定性均得到加強(qiáng)，削弱了工程施工對于臨近地鐵盾構(gòu)隧道穩(wěn)定性的影響，符合施工要求。

5 結(jié)語

綜上所述，分析并應(yīng)對深基坑施工對臨近地鐵盾構(gòu)隧道的影響是現(xiàn)代工程深基坑施工中不容忽視的重要問題。因此，施工單位要借助有限元模型對相關(guān)數(shù)值展開計(jì)算分析，針對具體的施工方案推斷臨近地鐵隧道的下沉高度和平行移動的距離，關(guān)注支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及支護(hù)體系外的環(huán)境的變形等問題，根據(jù)具體情況制定有效的應(yīng)對舉措，避免出現(xiàn)建筑不均勻沉降問題，保障工程建設(shè)的合理性以及安全性。