考慮既有鐵路影響的深基坑支護(hù)設(shè)計及變形規(guī)律的分析

文/童烈陽

1 前言

在深基坑的支護(hù)設(shè)計過程中，倘若其設(shè)計與實際情況有所出入，那么在施工過程中就很有可能產(chǎn)生圍護(hù)結(jié)構(gòu)形變、地表沉降和坑底隆起變形。這些現(xiàn)象出現(xiàn)后若是不能及時解決，那么很有可能會對周遭鐵路的正常運營造成嚴(yán)重的負(fù)面影響，甚至使得鐵路出現(xiàn)裂痕和形變，最終威脅到出行人員的生命財產(chǎn)安全。因此，技術(shù)人員需要在深基坑支護(hù)設(shè)計的過程中，對設(shè)計方式與形變規(guī)律進(jìn)行深入探究[1]。

2 基坑工程概述

所謂的基坑工程指的是包括基坑降水、基坑支護(hù)和基坑開挖這三個流程的工程統(tǒng)稱。在基坑施工的過程中，原本的土地應(yīng)力平衡會隨著施工進(jìn)度的展開而發(fā)生較大的改變，一旦原有土層的應(yīng)力平衡出現(xiàn)變化，那么原基坑附近的鐵路建筑會因為土層應(yīng)力平衡的改變而受到影響，甚至發(fā)生形變；倘若形變超出了既定鐵路建筑承受的極限范圍，那么相關(guān)鐵路建筑就很可能發(fā)生傾斜、裂縫等不可挽回的損害，使得原本能夠承擔(dān)交通運輸功用的鐵路線路無法繼續(xù)使用。

3 規(guī)律研究必要性分析

在傳統(tǒng)的基坑工程建設(shè)過程中，施工人員往往只會注重基坑建設(shè)本身的穩(wěn)定性，而對于基坑工程建設(shè)過程中可能對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響并不能引起足夠的重視。但實際上在基坑工程建設(shè)過程中，很容易出現(xiàn)垮塌現(xiàn)象，或者由于基坑建設(shè)過程中的組成應(yīng)力平衡的改變而導(dǎo)致周邊有的鐵路線路出現(xiàn)大幅度變形狀況。一旦出現(xiàn)了危險事故或是造成了周邊既有鐵路線路的損害，那么基坑工程建設(shè)就需要暫時停止，這不僅會給施工單位造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會嚴(yán)重影響到人們的日常出行。譬如：在南方某一城市的地鐵站基坑修建過程中，由于基坑支護(hù)強(qiáng)度不夠科學(xué)合理，基坑工程建設(shè)出現(xiàn)了塌方現(xiàn)象，有一部分工作人員由于缺乏警惕和危險意識，在塌方現(xiàn)象出現(xiàn)前沒有及時撤離，最終被埋在了基坑底部，發(fā)生了十分嚴(yán)重的人員傷亡現(xiàn)象。因此，為了避免這些危險故障的出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)研究人員很有必要探究基坑工程建設(shè)過程中的支護(hù)形變規(guī)律，以此減少形變出現(xiàn)的可能性，最大限度降低基坑工程建設(shè)過程中可能出現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡概率[2]。

4 深基坑變形特征分析

為了科學(xué)合理地解決既有鐵路影響下深基坑支護(hù)設(shè)計形變問題，技術(shù)人員需要對深基坑形變的特征進(jìn)行深入研究與分析。

4.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

在基坑工程建設(shè)過程中，基坑內(nèi)部會隨施工過程逐步開挖，這樣一來圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部就變成了懸空狀態(tài)。在這種情況下，需要保障圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)所受應(yīng)力與外側(cè)所受應(yīng)力的平衡。但在實際操作過程中，大多數(shù)情況都無法維系圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)應(yīng)力的平衡，倘若圍護(hù)結(jié)構(gòu)外部應(yīng)力大于內(nèi)部應(yīng)力，那么外側(cè)的土體就很可能會逐步向內(nèi)側(cè)移動；在這一過程中，基坑底部的主體也會逐步向基坑內(nèi)部移動，最終導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形[3]。

4.2 地表沉降

地表沉降也是深基坑施工過程中較為常見的變形方式，這里說的地表沉降并不是基坑底部的地表發(fā)生沉降，而是基坑周邊的土體發(fā)生沉降。之所以會出現(xiàn)這種狀況，是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)應(yīng)力小于外側(cè)應(yīng)力，導(dǎo)致外側(cè)土體逐漸向內(nèi)部擠壓，最終使得基坑內(nèi)部發(fā)生形變。在這種情況下，基坑周邊的土體就會出現(xiàn)明顯的沉降現(xiàn)象，同時基坑底部的土體也會逐步隆起。根據(jù)實際情況不同，地表沉降的具體方式也會有所不同。倘若圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部的土層含水量不足，或是圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身埋在土層較深的地方，那么基坑周邊的地表一旦發(fā)生沉降狀況，就會呈現(xiàn)出凹槽型的沉降。但如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)埋在較淺的土層，或是圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部土層含水量較為豐富，那么基坑周邊地表所發(fā)生的沉降會呈現(xiàn)出三角形[4]。

4.3 坑底隆起變形

之所以會出現(xiàn)坑底隆起變形狀況，是由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力無法與外側(cè)應(yīng)力達(dá)到相應(yīng)平衡。在基坑工程建設(shè)初期，如果由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力小于外部應(yīng)力而導(dǎo)致基坑底部的土地出現(xiàn)隆起，那么此時隆起土體大約集中在中部靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的土體，并不會發(fā)生過度隆起，但隨著基坑工程建設(shè)逐步深入，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)壓力與外側(cè)壓力之間的差異進(jìn)一步加大，原本只在中部隆起的基坑底部會出現(xiàn)塑性隆起，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)也會隨著坑底隆起變形程度的逐步加深而發(fā)生明顯位移[5]。

5 主要改善措施分析

要想讓深基坑工程建設(shè)變得更加順利，使得既有鐵路基礎(chǔ)上基坑工程建設(shè)影響變小、觸發(fā)危險事故的概率得到控制，就需要采取具有可行性的措施進(jìn)一步完善深基坑工程建設(shè)。

5.1 詳細(xì)考察地質(zhì)水文條件

深基坑工程建設(shè)質(zhì)量與工程建設(shè)的目標(biāo)地所具備地質(zhì)情況以及水文情況有十分密切的聯(lián)系。倘若工程地質(zhì)情況與水文情況存在問題，那么即便相應(yīng)工作人員按照科學(xué)合理的規(guī)章制度流程進(jìn)行深基坑工程建設(shè)，也未必能夠取得良好的工程建設(shè)質(zhì)量，為此在進(jìn)行深基坑工程建設(shè)之前，相應(yīng)工作人員需要前往現(xiàn)場詳細(xì)勘察，對工程目標(biāo)選擇地所具備的地質(zhì)情況和水文情況進(jìn)行一個詳細(xì)的了解。在這一過程中，技術(shù)人員研究土層地質(zhì)的性質(zhì)特征，并根據(jù)土層特性改進(jìn)和討論維護(hù)方案制定計劃，進(jìn)一步確認(rèn)深基坑建設(shè)步驟，務(wù)必使得深基坑工程建設(shè)步驟與當(dāng)?shù)氐乃臈l件和自然環(huán)境相貼合，以此才能在確保施工安全的基礎(chǔ)上，穩(wěn)步提升施工質(zhì)量[6]。另外，技術(shù)人員還需要統(tǒng)計該地區(qū)地下水位的情況，對施工過程中可能出現(xiàn)的各類危險狀況進(jìn)行緊急預(yù)案，并且對整體的深基坑支護(hù)方案設(shè)計進(jìn)行可行性探討，制定出較為詳細(xì)的施工進(jìn)度安排表和風(fēng)險預(yù)案。這樣一來，即便在施工過程中出現(xiàn)了突發(fā)狀況，也能夠通過前期各類工作安排有條不紊地使用應(yīng)急措施，確保相應(yīng)基坑建設(shè)不會出現(xiàn)任何可能觸發(fā)嚴(yán)重影響的危險災(zāi)害。

5.2 確定基坑規(guī)模及土壓力值

在鐵路建設(shè)過程中，需要進(jìn)行各類不同規(guī)模、不同方案的基坑施工。為了使各類基坑建設(shè)都能夠得到較為良好的支護(hù)，相應(yīng)技術(shù)人員需要針對各級基坑的性質(zhì)和規(guī)模特征設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在各技術(shù)人員進(jìn)行圍護(hù)設(shè)計布置時，需要將圍護(hù)結(jié)構(gòu)中冠梁與腰梁部分連接，以此使每一個圍護(hù)結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定、更加協(xié)調(diào)。但在這一過程中，相關(guān)技術(shù)人員還需要考慮基坑本身的規(guī)模以及基坑工程建設(shè)的土壓力值。實際上，對土壓力值進(jìn)行考察是至關(guān)重要的，土壓力值不僅會對基坑工程建設(shè)過程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生重大影響，還會對基坑建設(shè)過程中是否出現(xiàn)形變現(xiàn)象產(chǎn)生十分重大的影響，因此技術(shù)人員應(yīng)精準(zhǔn)計算基坑建設(shè)過程中的土地壓力值，計算結(jié)果要盡量符合基坑建設(shè)過程的實際情況。

5.3 保障維護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度

在深基坑開挖的過程中，施工所產(chǎn)生的應(yīng)力變化狀況會在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中直接反映。理想狀況下，如果基坑工程周邊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)具有較大的剛度，那么其發(fā)生形變的概率就越??；如果圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的剛度過小，那么其發(fā)生形變概率也就越大。但需要注意的是，雖然剛度大小與形變發(fā)生概率之間存在密切關(guān)系，但這并不意味著技術(shù)人員就可以在圍護(hù)結(jié)構(gòu)制造過程中肆意增加構(gòu)件的剛度。實際上，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，如果采取適當(dāng)?shù)姆绞皆黾咏Y(jié)構(gòu)本身剛度，或是增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)所需使用材料強(qiáng)度，的確能夠有效降低形變發(fā)生的概率，但這并不意味著剛度越強(qiáng)越好。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度到達(dá)某一個臨界點，如果繼續(xù)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度，那么發(fā)生形變的概率又會繼續(xù)提升。換句話說，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度與發(fā)生形變概率的正相關(guān)關(guān)系存在一個極限值。對于技術(shù)研究人員而言，要想在圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度變化方面控制形變概率，那么就需要采取必要的措施和手段預(yù)估極限值，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度增加在極限范圍內(nèi)，從而有效控制形變發(fā)生概率。

5.4 加深圍護(hù)墻體的埋置深度

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)建設(shè)過程中，技術(shù)人員除了確定基坑建設(shè)過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度外，為了降低形變發(fā)生的概率，相應(yīng)技術(shù)人員還可以嘗試提高圍護(hù)墻體埋置深度。從理論上來看，埋置深度越深，墻體發(fā)生位移的概率就越小；埋置深度越淺，墻體發(fā)生位移的概率就越大。但這一影響因素也存在極限，當(dāng)埋置深度到達(dá)極限后，不僅無法控制形變概率，還會提高工程投入成本。因此，技術(shù)研究者需要合理控制埋置深度，進(jìn)而才能在合理控制成本的基礎(chǔ)上控制形變概率。

6 結(jié)語

總而言之，隨著我國交通工程建設(shè)的逐步發(fā)展，深基坑工程建設(shè)方式和質(zhì)量的提升顯得尤為重要。只有把握深基坑工程建設(shè)的規(guī)律，才能夠確保其對周遭環(huán)境影響降到最低，確保既有鐵路不會由于地層應(yīng)力的改變而發(fā)生形變、出現(xiàn)裂縫等質(zhì)量問題，避免原本的公共交通和運輸事業(yè)由于深基坑工程建設(shè)的不斷展開而受到負(fù)面影響，將施工單位的經(jīng)濟(jì)損失降到最低；同時，相關(guān)施工人員也不會由于深基坑工程建設(shè)中所產(chǎn)生塌方現(xiàn)象而出現(xiàn)人身安全事故。