地鐵車站下穿既有道路基坑開挖對道路的影響分析

◎肖杜陽

隨著城市化的進一步發(fā)展，地面交通已經(jīng)無法滿足人們的出行需求，地下空間的開發(fā)方興未艾，城市軌道交通應(yīng)運而生，但隨著地鐵規(guī)模及地上建筑規(guī)模的擴大，地鐵工程的難度幾何倍增加。同時為方便市民出行，地鐵車站通常設(shè)在道路附近，隨開挖深度、開挖范圍擴大，基坑出現(xiàn)較大變形時對車站所下穿的道路變形影響尤為明顯。鑒于此，本文研究下穿道路地鐵車站基坑開挖對道路變形的影響，對確保施工區(qū)域道路的正常使用具有重要意義。

一、引言

近年來，隨著城市化進程不斷推進，為解決日益增長的交通壓力和擁堵，工程師們將目標(biāo)轉(zhuǎn)移到了地下，通過建設(shè)地鐵來滿足人們的出行需求。地鐵是一種綠色環(huán)保公共交通工具，具有客運量大、減少噪音、節(jié)省土地、污染更小等優(yōu)勢，其強大的交通運輸功能，極大地緩解了城市地面的交通壓力。因此，在公共交通運輸系統(tǒng)中，地鐵的建設(shè)與運營，已經(jīng)成為緩解城市交通擁堵的重要手段。

地鐵在解決交通擁堵、給老百姓帶來極大交通便利的同時展現(xiàn)了國家綜合實力的提升。然而，在地鐵建設(shè)過程中會遇到大量巖土工程問題，尤其是下穿建筑、道路、橋梁等，工程復(fù)雜性大大提高。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模及地上建筑規(guī)模的擴大，地鐵工程施工難度不斷增加。地鐵車站通常為便于百姓出行和換乘，大多建設(shè)在道路附近且存在車站下穿道路的情況，而地鐵建設(shè)尤其是車站的建設(shè)大部分需要進行基坑開挖，隨開挖深度、開挖范圍的擴大，勢必會對周圍構(gòu)筑物造成影響，在不利影響的綜合作用下造成道路變形，如果再加上復(fù)雜地質(zhì)、周圍復(fù)雜環(huán)境和不當(dāng)施工等其他因素將使不利影響進一步擴大，會出現(xiàn)基坑嚴(yán)重失穩(wěn)而造成導(dǎo)致道路坍塌的可能。鑒于此，本文研究下穿道路地鐵車站基坑開挖對道路變形的影響，對確保施工區(qū)域道路的正常使用具有重要意義。

二、地鐵車站基坑開挖對相鄰道路變形的影響

基坑開挖時的大范圍土體挖除，使周圍一定范圍內(nèi)的環(huán)境發(fā)生變化，引起地基沉降變形甚至道路破壞，影響道路正常使用。道路變形的最主要、最直接原因是基坑變形，較小的變形是容許的，但大范圍不合理基坑變形會對基坑穩(wěn)定、道路安全和周圍環(huán)境造成不可估量的后果。因此，掌握基坑變形相關(guān)理論是非常必要的，有助于控制基坑變形從而減少周圍土體變形，確保周圍道路的正常使用。

（一）圍護變形

土體挖除后，由于土壓力、水滲流等因素作用，圍護結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)變形，變形類型大致分為5類，如圖1。

圖1 圍護結(jié)構(gòu)變形曲線

圍護變形可分為圍護水平變形和豎向變形，隨著基坑開挖，圍護結(jié)構(gòu)受坑外土體土壓力逐漸增大而向坑內(nèi)水平移動，導(dǎo)致坑外土體出現(xiàn)地層損失，造成地表沉降、周圍土體塑性區(qū)增大，對周邊路面、管線、構(gòu)筑物等造成不利影響。

圖2 圍護水平變形曲線

墻體發(fā)生豎向位移的因素較多且容易忽略，但豎向位移過大會導(dǎo)致坑壁部分失穩(wěn)垮塌。開挖使基坑內(nèi)大量土體被挖除，圍護結(jié)構(gòu)偏向基坑一側(cè)與土接觸所產(chǎn)生的作用力消失，土體對圍護結(jié)構(gòu)的摩擦減小，可能出現(xiàn)豎向位移。土體開挖造成坑底應(yīng)力釋放，導(dǎo)致坑底隆起，圍護結(jié)構(gòu)被隆起土體向上抬起，出現(xiàn)豎向位移。在實際現(xiàn)場施工過程中，圍護的豎向位移主要是坑底隆起和豎向荷載單獨或共同作用下產(chǎn)生的，需要通過監(jiān)測來觀測和控制。

（二）管線遷改以及地面荷載

基坑施工對車站周圍的地下管線影響較大，常見的管線如水管、供氣管，一旦破壞會影響周圍土體穩(wěn)定，同時造成環(huán)境污染問題。因此，施工方應(yīng)時刻關(guān)注管線變形情況，對基坑開挖影響較大的管線進行遷改、加固。

影響地面沉降較大的荷載主要分為兩種：靜荷載（主要為周圍已有建筑的荷載和基坑周圍的堆載）和動荷載（包括道路行車荷載和施工機械作用）?；娱_挖前，土體已充分壓實和固結(jié)，能承受較大的地面荷載而不發(fā)生變形。但在施工過程中，土體開挖攪動使其平衡被打破，所以能承受的荷載大大降低，需要加以控制以免荷載過大造成地面沉降。

（三）其它因素

除以上因素外還有諸多因素會導(dǎo)致變形的出現(xiàn)。如基坑降水、坑底隆起、圍護支撐體系剛度、土體加固、支撐層數(shù)和架設(shè)時間等設(shè)計因素，人員素質(zhì)、施工方案、施工質(zhì)量等施工因素，降雨、地震、地下空洞等自然因素。

三、下穿道路的基坑開挖對道路變形的影響

當(dāng)基坑下穿道路時，對周圍土體產(chǎn)生較大攪動，對道路的影響是明顯的，需對施工過程中的變形進行嚴(yán)格控制。

（一）變形模式

基坑施工打破了道路下方土體力學(xué)平衡，土體重新恢復(fù)平衡必然引起周圍土體的移動、變形和破壞，使上方道路發(fā)生變形。主要表現(xiàn)為垂直方向（下沉、傾斜等）與水平方向（水平移動、拉伸和壓縮等）的移動和變形。移動和變形向道路的傳遞打破了道路和地基原有的平衡，不同程度平衡破壞和重建對地表沉降和道路變形影響不同。

（二）變形破壞類型

下穿道路基坑施工過程中土體挖除加上交通荷載的影響，出現(xiàn)土層不均勻沉降，導(dǎo)致路基路面不均勻變形。道路病害主要為路基路面受到剪切應(yīng)力作用，使路面發(fā)生過量變形的結(jié)構(gòu)性破壞和道路因變形無法正常使用的功能性破壞。同時，道路質(zhì)量、車流量、通車時間等均有可能導(dǎo)致病害發(fā)生。下穿道路基坑施工比基坑開挖對相鄰道路的不均勻沉降更明顯，對道路正常使用產(chǎn)生很大影響。

1.路面開裂。

下穿道路基坑開挖對道路下方土體擾動較大，產(chǎn)生地層變形，對上部既有道路產(chǎn)生影響，甚至造成路面破壞?；娱_挖造成既有道路路基不均勻沉降，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平向和豎向附加應(yīng)力或附加剪應(yīng)力，造成路面開裂。

2.路面沉陷或塌陷。

下穿道路基坑的施工工法不合理，或者支護不及時，可能出現(xiàn)較大圍護變形或圍巖失穩(wěn)等，造成道路下方土層失穩(wěn)破壞、地層中不良地質(zhì)體破壞、周圍管線破裂涌水等，進而發(fā)生路面沉陷、坑槽和塌陷等問題。

3.受交通荷載影響明顯。

道路車輛荷載直接作用于基坑周圍土體和基坑圍護結(jié)構(gòu)，基坑開挖和降水使土體平衡被打破，土體密實度降低，在車輛荷載作用下，土體壓縮程度遠高于無荷載作用時，越靠近基坑道路變形越明顯。同時，車輛荷載通過土體壓力間接作用于圍護，表現(xiàn)為坑外土體主動土壓力造成的圍護水平位移，直接作用于圍護結(jié)構(gòu)頂部造成的豎向位移，交通荷載對道路沉降的影響較明顯。

4.對上部結(jié)構(gòu)和立柱承載能力要求高。

地鐵車站通常修建在客流量大、交通繁忙的位置，因此，在下穿道路地鐵車站施工過程中不能長時間占道施工，需要分段蓋挖的方式進行施工，在蓋板施工完成后恢復(fù)路面交通通行，后期在蓋板下方繼續(xù)進行后續(xù)施工。后期開挖將蓋板下方土體挖除，主要依靠圍護、立柱和蓋板共同承受上部荷載，位于蓋板下方的立柱承擔(dān)了主要的荷載。如果施工過程中出現(xiàn)立柱或格構(gòu)柱傾斜、立柱下部土體承載力不足、蓋板和立柱連接不合格等情況，容易在后續(xù)施工過程中因道路荷載導(dǎo)致立柱沉降、立柱傾斜、蓋板沉降甚至損壞，造成上部道路損毀，影響正常通行和后續(xù)施工。因此，在下穿道路基坑蓋挖時，要提高上部結(jié)構(gòu)和立柱的承載力。

四、下穿道路地鐵車站基坑施工控制措施

道路變形中最主要的是沉降變形，因此著重控制下穿道路基坑開挖時的道路沉降?；幼冃问堑缆烦两底钪苯拥脑?，開挖過程中的基坑變形控制主要是自身變形和周圍環(huán)境控制。地質(zhì)勘察、初步設(shè)計、工藝選擇、數(shù)值模擬等為工程開工前對基坑變形的控制。由于工程環(huán)境的獨特性、自然環(huán)境和人文環(huán)境的復(fù)雜性以及施工過程中可能出現(xiàn)的突發(fā)事件等，需因地制宜的對施工方案進行優(yōu)化，并隨工程進度不斷調(diào)整，來獲得最佳施工效果，達到施工過程中變形控制的目的。

（一）施工控制要點

沉降控制需根據(jù)工程實際情況確定控制要點，有針對性的采取措施。通過實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和數(shù)值模擬分析的結(jié)果確定沉降控制要點，結(jié)合實際工程地質(zhì)、周圍環(huán)境、人為因素確定具體控制方案。

（二）加強變形監(jiān)測管理

由于環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計人員給出的設(shè)計方案往往建立在理想假定上。但施工是一個動態(tài)過程，存在很多不確定因素，設(shè)計方案不會完美契合現(xiàn)場施工。因此需對基坑進行監(jiān)測，通過監(jiān)測和巡查提供的數(shù)據(jù)了解工程狀況，以便及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足，確?；优c周邊環(huán)境安全。然而測點遮擋、測點破壞、測點布設(shè)位置錯誤等問題時有發(fā)生，導(dǎo)致最終監(jiān)測數(shù)據(jù)不符合實際，不能及時暴露問題，影響后續(xù)基坑變形控制。因此，需要在加強監(jiān)測管理的同時進行日常巡查。

（三）外部因素控制

外部因素通常包括氣候、交通荷載、管線變形等，可能在基坑開挖階段對基坑穩(wěn)定和周邊沉降造成一定的影響。氣候為不可控因素，因此控制對象為交通荷載和管線變形。

1.交通荷載控制。

地鐵施工一般施工工期較長，且位于客流量和車流量大的市區(qū)，交通荷載大，施工對基坑周圍道路影響較大。由于基坑開挖，基坑周圍土體穩(wěn)定性被打破，基坑結(jié)構(gòu)和周圍土體出現(xiàn)不同程度變形，過大的交通荷載易使道路出現(xiàn)過大沉降甚至破壞。施工圍擋會占用部分道路，供行人和車輛通行的車道數(shù)明顯減少，造成車輛集中到剩余車道，導(dǎo)致車輛荷載過大，對道路沉降造成影響?？蓪Ψ潜仨毥?jīng)過的車輛進行交通疏導(dǎo)，對必須經(jīng)過的車輛進行交通渠化的方法達到控制交通荷載的目的。

2.管線遷改。

基坑開挖施工易造成支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，導(dǎo)致周圍地層移動，臨近支護結(jié)構(gòu)的地面沉降將引起周圍建筑物及地下管線的不均勻沉降和側(cè)移，對車站兩側(cè)的地下管線影響較大，尤其是供水管和天然氣管，一旦破壞會造成嚴(yán)重的環(huán)境問題甚至安全事故。除了前期確定管線位置，避免開挖破壞外，也可采用混凝土管廊對遷改后的管線進行保護。鋼筋混凝土管廊是一種管線永久遷改措施，使管線與周圍土體和地下水隔離，土體受力不能直接作用在管線上，管線不會因受力變形過大而破壞，同時與地下水的隔離使管線受腐蝕損壞可能性大大減小。

（四）施工控制

1.圍護結(jié)構(gòu)變形控制。

在深基坑工程中，地連墻在逆作法及建筑密集的軟土地層深基坑中應(yīng)用較廣泛，鉆孔灌注樁適應(yīng)各種地層，鋼板樁、水泥土攪拌樁和人工挖孔樁一般出現(xiàn)在環(huán)境保護要求不高且開挖深度小的基坑。其中，鉆孔灌注樁對周圍產(chǎn)生的影響在深基坑中明顯優(yōu)于地連墻，鉆孔灌注樁的圓形平面利用土拱效應(yīng)較好地將土體徑向應(yīng)力傳遞給環(huán)向應(yīng)力。然而，在開挖階段鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水帷幕止水效果和施工速度不如地下連續(xù)墻。對位于市區(qū)的地鐵車站基坑來說，采用鉆孔灌注樁加止水帷幕的圍護結(jié)構(gòu)能在較好地控制環(huán)境污染的同時減小施工對周邊環(huán)境的影響。鉆孔灌注樁入巖且為鋼筋混凝土樁，在施工完成后具有較好的穩(wěn)定性，全部或部分圍護結(jié)構(gòu)可用于后期主體工程中，減少主體墻體的工程量，可在確?；臃€(wěn)定的前提下和主體梁、板相結(jié)合，能有效控制基坑變形，并且節(jié)約成本。

相比圍護結(jié)構(gòu)方案和型號等控制點，圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量是一個能直接影響基坑變形的因素。由于樁基施工的復(fù)雜性，施工過程中可能會出現(xiàn)不易觀察到的問題，因此，需要開展樁身質(zhì)量檢測來控制圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。

2.基坑降水和防水。

降水導(dǎo)致基坑周圍地下水水位降低、土中孔隙水壓力轉(zhuǎn)移、消散，打破土體原有力學(xué)平衡，有效應(yīng)力增加。水位降落漏斗范圍內(nèi)，水力梯度增加，以體積力形式作用在土體上的滲透力增大。二者共同作用，基坑周圍土體出現(xiàn)不均勻沉降。下穿道路區(qū)域圍護支撐體系采用鉆孔灌注樁加高壓旋噴樁止水，有效隔斷巖層裂隙水，阻斷基坑內(nèi)外地下水流通，減小因降水造成的坑外地表沉降；車站基坑深度范圍內(nèi)軟土主要為粉質(zhì)粘土，該土層透水性、富水性較弱。降水方法為基內(nèi)降水施工，坑外設(shè)水位觀測孔，隨時觀察坑外水位狀況。具體控制措施為：坑內(nèi)設(shè)疏干井并在基坑開挖前同期施工，基坑開挖過程中做好保護措施，避免被破壞影響后續(xù)降水。基坑封閉后進行抽水試驗，若發(fā)現(xiàn)未達到預(yù)期效果應(yīng)及時采取補救措施。降水深度不小于基坑底面下1m，開挖前3-4周進行降水，確?；娱_挖面無明水。開挖期間需定時測算抽水量及坑外地下水位，如發(fā)現(xiàn)坑外水位變化大于500mm/d應(yīng)停止降水，分析原因并及時進行回灌，避免降水過大造成較大的地面沉降。

基坑周圍水管漏水及地表水滲入導(dǎo)致基坑長期受浸泡，地基土強度降低易垮塌。場地巖土交界面、風(fēng)化巖層中泥巖夾層等受水浸泡易軟化、泥化，導(dǎo)致滲流出現(xiàn)，可能會引起坑外水位進一步下降，造成地面不均勻沉降。因此做好基坑防水工作，有助于控制沉降變形。

3.軸力控制。

圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形是地表沉降的重要因素，內(nèi)支撐作為圍護墻體的側(cè)向支承，及時架設(shè)和軸力補償起到了控制圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移的作用，在基坑穩(wěn)定和圍護變形控制方面具有重要作用。

五、結(jié)語

地鐵車站通常位于市區(qū)客流量大、交通繁忙的位置，基坑開挖對周圍環(huán)境的影響較大，當(dāng)車站下穿道路時基坑開挖勢必會對道路造成一定的影響。本文對下穿道路的地鐵車站基坑對周圍地表沉降的影響、變形監(jiān)測點和施工控制措施進行了研究，實際工程應(yīng)結(jié)合地勘和實地觀察，對基坑開挖的圍護結(jié)構(gòu)、降水、開挖等方案進行比選，分析實際選用施工方案的合理性。確定控制點后通過加強變形監(jiān)測管理、外部因素控制、施工控制等措施實現(xiàn)對道路變形的事中控制。