復(fù)雜周邊環(huán)境下地鐵車站深基坑施工全過程風(fēng)險(xiǎn)分析

馬志強(qiáng)

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

0 引言

地鐵區(qū)間的施工主要在地下封閉空間進(jìn)行，一般對(duì)周邊影響較小，而地鐵車站規(guī)模相對(duì)較大，且往往處于人口密集和商業(yè)聚集區(qū)域，施工場(chǎng)地狹小，周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)施工方案的選擇以及施工過程的風(fēng)險(xiǎn)管理要求也相對(duì)較高?；庸こ淌前_挖、支護(hù)、降水等復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是車站建設(shè)過程中最易出現(xiàn)事故的分部工程，車站建設(shè)的工程事故大多來(lái)自與基坑施工階段，而基坑的開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形是影響基坑安全性的重要因素，因此越來(lái)越多的學(xué)者對(duì)基坑施工和使用過程中的受力、變形特征進(jìn)行研究。如馬贊［1］以南京五塘廣場(chǎng)站工程為例研究了車站深基坑的開挖技術(shù)，并提出相應(yīng)的保障措施；李強(qiáng)等［2］研究了蓋挖車站的深基坑的開挖方法；杜毅等［3］以長(zhǎng)沙地鐵 5 號(hào)線華雅站施工為背景，計(jì)算分析了基坑的穩(wěn)定性，優(yōu)化了開挖施工技術(shù)；張壯等［4］分析了土巖復(fù)合地層深基坑變形時(shí)空效應(yīng)及其變形模式；劉念武等［5］研究了厚軟黏土地區(qū)地鐵車站深基坑及其鄰近建筑物的變形特征。自 2005 年全國(guó)地鐵與地下工程技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理學(xué)術(shù)研討會(huì)在北京召開以來(lái)，大量的學(xué)者對(duì)地鐵風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、決策、評(píng)估及控制等的理論和實(shí)踐進(jìn)行了深入研究，如丁列云等［6］研究了復(fù)雜條件下的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別，錢七虎等［7，8］通過風(fēng)險(xiǎn)分析 TOPSIS 方法、海恩安全法則等的研究提出安全風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)貫穿整個(gè)工程周期。因此近年來(lái)，雖然地鐵工程大量增加，車站施工環(huán)境日益復(fù)雜，但工程事故并未呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，事故的傷亡數(shù)反而呈下降趨勢(shì)，可見這些研究成果的應(yīng)用取得了較為明顯的效果。

洛陽(yáng)地鐵 1 號(hào)線武漢路地鐵站（下文簡(jiǎn)稱“武漢路站”）為地下 3 層島式車站，位于城市交通要道上，地下管線多，周邊大量的居民住宅，且鄰近國(guó)家歷史保護(hù)建筑物，是典型的施工空間狹小、周邊環(huán)境復(fù)雜的車站?；拥脑O(shè)計(jì)和施工不僅關(guān)系到自身的安全，還關(guān)系到周邊建筑物的安全。本文通過對(duì)武漢路地鐵站深基坑設(shè)計(jì)方案和工程風(fēng)險(xiǎn)的研究，確保施工過程的安全，也為其他相似工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

武漢路站位于武漢路與景華路交叉口，車站周邊建筑密集，且多為住宅小區(qū)。車站東北象限為“澗西蘇氏建筑群二號(hào)街坊”，該建筑屬于國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)建筑。本站為地下 3 層島式站臺(tái)車站，車站主體結(jié)構(gòu)采用雙柱三跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)。站臺(tái)寬 13.0 m，車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬 21.9 m，全長(zhǎng) 160.9 m（見圖 1）。

圖1 武漢路站周邊環(huán)境平面圖

武漢路站位于洛河二級(jí)階地，車站土層從上至下依次為雜填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、粉土、粉質(zhì)黏土、卵石、泥巖。車站底板埋深 25～27.7 m，位于卵石層中。地下水位埋深 17.1～19.8 m，位于車站結(jié)構(gòu)中二板位置，在標(biāo)準(zhǔn)段基坑底以上約 10 m。車站地下降水深 11～13 m，基坑降水量大，降水對(duì)周邊環(huán)境影響較大。地下管線密集，管線種類復(fù)雜，包括高壓電線、燃?xì)?、污水、雨水、給水管等 26 條管線，且周邊空間狹小，沒有足夠的空間用于管線的臨時(shí)改遷。

2 基坑設(shè)計(jì)

2.1 車站選型

車站周邊管線密集，主要沿武漢路方向兩側(cè)布置，車站側(cè)墻外邊線與周邊建筑的最近距離 3 m，車站施工影響范圍內(nèi)管線不具備完全遷出坑外的條件，且縱向管線不具備懸吊保護(hù)條件。因此，常規(guī)的全明挖及半蓋挖順做工法均不適用于本工程，車站主體采用半幅頂板蓋挖半逆做法施工，西側(cè)半幅頂板作為管線改遷及主體結(jié)構(gòu)施工場(chǎng)地（見圖 2）。

圖2 基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下連續(xù)墻具有造價(jià)高，成槽相對(duì)困難，泥漿護(hù)壁要求高，施工工期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。但其具有剛度大，整體性好，變形控制效果好，對(duì)周邊建筑物及文物的保護(hù)效果較好的優(yōu)點(diǎn)。武漢路站基坑底分布有泥巖，采用地下連續(xù)墻作為落底式帷幕，止水效果好，配合坑內(nèi)降水，能保證降水效果，且能降低降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。因此綜合考慮，采用地下連續(xù)墻+坑內(nèi)降水的方案。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 1 000 mm 厚的地下連續(xù)墻 +4 道支撐，墻高 38.0 m，墻底進(jìn)入泥巖層≥1 m，為了保證支護(hù)系統(tǒng)的剛度和穩(wěn)定性，第一道橫支撐采用截面為700 mm×900 mm 的混凝土支撐，間距為 9 m，第二、四道鋼支撐采用φ609 mm×16 mm 鋼管，間距 3 m；第三道支撐采用φ800 mm×16 mm 鋼管，間距 3 m（見圖 2）。

2.3 逆做頂板設(shè)計(jì)

逆做頂板淺基坑深度約 4.5～5.5 m，逆做頂板靠基坑外側(cè)通過設(shè)置倒“L”形逆做頂板，利用既有地下連續(xù)墻作為逆做頂板基坑擋土結(jié)構(gòu)，避免基坑外側(cè)施做另外的擋土結(jié)構(gòu)；逆做頂板靠基坑內(nèi)側(cè)采用 1∶1 放坡開挖（見圖 3）。臨時(shí)頂板一方面作為施工過程中行人和機(jī)械的通道，另一方面作為管線改遷的場(chǎng)地。

圖3 逆做頂板示意圖

2.4 基坑開挖方案

本站土方開挖根據(jù)車站結(jié)構(gòu)施工需要，共分為 8 個(gè)施工段，施工段土方開挖還需分層進(jìn)行，武漢路站基坑標(biāo)準(zhǔn)段平均深度約為 25 m，整個(gè)基坑部分均分 11 層開挖。本站土方采用兩個(gè)工作面同時(shí)向中間開挖，基坑內(nèi)土方采用挖機(jī)倒運(yùn)，坡度控制在 1∶2。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)事件及風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別

風(fēng)險(xiǎn)事件和風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)分析成敗的關(guān)鍵，基于基坑的設(shè)計(jì)方案以及施工環(huán)境，結(jié)合以往地鐵站深基坑常出現(xiàn)的安全事故，將武漢路站深基坑的風(fēng)險(xiǎn)分解為周邊管線破壞風(fēng)險(xiǎn)、一般建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)、歷史建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)、地連墻槽壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)、蓋板臨時(shí)通道破壞風(fēng)險(xiǎn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲流風(fēng)險(xiǎn)、基坑滑移坍塌風(fēng)險(xiǎn)、管涌流砂風(fēng)險(xiǎn)、支撐失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)以及其他風(fēng)險(xiǎn)等十大風(fēng)險(xiǎn)事件。而每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件又有多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素造成。將基坑全生命周期分為地下連續(xù)墻施工、基坑開挖和車站主體結(jié)構(gòu)施工 3 個(gè)階段，則每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素有可能發(fā)生在不同的階段。共識(shí)別了主要影響基坑安全的 31 個(gè)因素，并進(jìn)一步分析每個(gè)因素發(fā)生的階段，限于篇幅，僅以歷史建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)為例說(shuō)明。由于歷史保護(hù)建筑為多層砌體結(jié)構(gòu)，其破壞可由施工振動(dòng)和降水造成的不均勻沉降造成（見圖 4）。施工造成的振動(dòng)，主要包括地連墻成槽開挖造成的振動(dòng)，基坑開挖造成的振動(dòng)，車站結(jié)構(gòu)施工過程中臨時(shí)通道和橫撐拆除造成的振動(dòng)，以及地下連續(xù)墻施工和基坑開挖過程中車輛運(yùn)輸和裝卸造成的振動(dòng)。降水不可避免造成周圍土體的不均勻沉降，從而造成周邊建筑物開裂、傾斜甚至坍塌等事故。

圖4 歷史建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)圖

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析方法選擇

層次分析法（AHP）是一種定性與定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)化、層次化的評(píng)價(jià)方法。其利用較少的定量信息快速深入地解決復(fù)雜的問題，易于被施工人員掌握，非常適用于工程風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重的評(píng)價(jià)。因此大量學(xué)者將層次分析法應(yīng)用到工程風(fēng)險(xiǎn)管理的研究中［9-12］。本文將層次分析法運(yùn)用到武漢路站深基坑全生命周期的風(fēng)險(xiǎn)分析中。

3.3 深基坑風(fēng)險(xiǎn)事件總體分析

所有風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重如表 1 所示，基坑滑移坍塌、歷史建筑物破壞的權(quán)重分別為 0.215、0.213，是所有風(fēng)險(xiǎn)事件中權(quán)重最大的兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，兩者的權(quán)重之和達(dá)到了 0.428，是施工過程中重點(diǎn)防范的風(fēng)險(xiǎn)事件。周邊管線破壞風(fēng)險(xiǎn)、地連墻槽壁坍塌風(fēng)險(xiǎn)和其他風(fēng)險(xiǎn)事件權(quán)重相對(duì)較低，權(quán)重之和僅為 0.148。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事件權(quán)重

由于歷史建筑物破壞和基坑滑移坍塌是所有風(fēng)險(xiǎn)事件中權(quán)重最高的兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，對(duì)這兩個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因素做進(jìn)一步分析。歷史建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)主要由施工振動(dòng)和降水造成的不均勻沉降，權(quán)重分別為 0.378 和 0.622，因此必須嚴(yán)格控制降水造成的不均勻沉降，從而達(dá)到保護(hù)歷史建筑物的目的?；踊铺L(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重如表 2 所示，橫撐的架設(shè)和拆除時(shí)機(jī)對(duì)基坑滑移坍塌影響最大，權(quán)重為 0.220；其次為橫撐強(qiáng)度、間距等不合理，權(quán)重為 0.170，由此可見橫撐是影響基坑滑移坍塌的主要因素，因此從橫撐的設(shè)計(jì)、架設(shè)及拆除都應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。由于地下連續(xù)墻承載力比較容易保證，其承載力不足產(chǎn)生的基坑滑移坍塌風(fēng)險(xiǎn)較小，權(quán)重相對(duì)較低，僅為 0.061。

表2 基坑滑移坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重排序

對(duì)武漢路站深基坑風(fēng)險(xiǎn)事件影響排名前 10 的風(fēng)險(xiǎn)因素如表 3 所示，這 10 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重之和達(dá)到了 0.699，是施工過程中重點(diǎn)控制的對(duì)象，降水引起不均勻沉降的權(quán)重達(dá)到了 0.187，對(duì)基坑的影響非常明顯。

表3 權(quán)重 1-10 的風(fēng)險(xiǎn)因素

3.4 各施工階段風(fēng)險(xiǎn)因素分析

基坑開挖階段風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重之和最大，權(quán)重達(dá)到了 0.475，是整個(gè)基坑工程中重點(diǎn)控制的階段；其次為車站主體結(jié)構(gòu)施工階段，權(quán)重為 0.348；地下連續(xù)墻施工階段的權(quán)重最小，僅為 0.177（見表 4）。

表4 各施工階段風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重

如表 5 所示，地下連續(xù)墻施工階段共有 11 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，其中接頭轉(zhuǎn)角質(zhì)量差、墻身存在裂縫、鉆進(jìn)速度過快或鉆頭碰撞槽壁以及施工振動(dòng)是地下連續(xù)墻施工階段最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，這 4 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重之和占該階段總權(quán)重的 71.8 %?；娱_挖階段共有 27 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，表 6 中僅顯示排名前十的風(fēng)險(xiǎn)因素，其他 17 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素合并成其他顯示，排名前三的風(fēng)險(xiǎn)因素為降水造成的沉降、土體滲透性強(qiáng)以及坑底水頭較高，這 3 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重之和占該階段總權(quán)重的 42.54 %。車站主體施工階段共有 15 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，表 7 中僅顯示權(quán)重排名前十的風(fēng)險(xiǎn)因素，其他 5 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素合并成其他顯示，降水造成的不均勻沉降的權(quán)重較大，占該階段總權(quán)重的 32.3 %，其次為臨時(shí)通道荷載超標(biāo)、橫撐架設(shè)和拆除時(shí)機(jī)不合理、臨時(shí)通道超載、以及監(jiān)測(cè)反饋不及時(shí)。

表5 地下連續(xù)墻施工階段各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

表6 基坑開挖階段各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

表7 車站主體解結(jié)構(gòu)施工階段各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)武漢路站所面臨的施工空間狹小、周邊環(huán)境復(fù)雜的實(shí)際情況，確定了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的類型和開挖方案，并對(duì)施工全過程所可能存在的風(fēng)險(xiǎn)事件及各風(fēng)險(xiǎn)事件的權(quán)重比進(jìn)行了研究，主要得出以下結(jié)論。

1）采用地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合半幅頂板蓋挖半逆做法施工，可以有效解決施工空間狹小和周邊環(huán)境復(fù)雜的難題。

2）歷史建筑物破壞風(fēng)險(xiǎn)主要由施工振動(dòng)和降水造成的不均勻沉降，權(quán)重分別為 0.378 和 0.622，因此必須嚴(yán)格控制施工振動(dòng)和降水造成的不均勻沉降，從而達(dá)到保護(hù)歷史建筑物的目的。

3）地下連續(xù)墻施工階段接頭轉(zhuǎn)角質(zhì)量差、墻身存在裂縫、鉆進(jìn)速度過快或鉆頭碰撞槽壁以及施工振動(dòng)是地下連續(xù)墻施工階段最主要的風(fēng)險(xiǎn)因素；基坑開挖階段降水造成的沉降、土體滲透性強(qiáng)以及坑底水頭較高是主要的風(fēng)險(xiǎn)因素；車站主體施工階段降水造成的不均勻沉降是主要的風(fēng)險(xiǎn)因素。Q