巖溶地區(qū)基坑工程及樁基礎(chǔ)施工對地鐵結(jié)構(gòu)影響的風(fēng)險分析

羅春華

廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣東 廣州 510000

引言

隨著廣州地鐵不斷發(fā)展，越來越多的地鐵線路建成并投入運營，既有地鐵結(jié)構(gòu)受鄰近外部項目施工的影響現(xiàn)象不斷增加，控制外部項目施工對地鐵隧道的影響成為越來越重要的工作。鑒于廣州已進行多個巖溶區(qū)域鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的外部工程設(shè)計與施工，且部分工程對地鐵結(jié)構(gòu)及運營造成較大影響，筆者通過收集、分析和總結(jié)類似工程案例，結(jié)合地鐵保護工作經(jīng)驗，針對實施的廣州設(shè)計之都聯(lián)合基坑項目進行風(fēng)險分析，并擬定相應(yīng)的管控措施[1]。

1 項目概況

廣州設(shè)計之都基礎(chǔ)設(shè)施綜合開發(fā)項目由30幅地塊以及地塊之間的公共空間組成。地下環(huán)路為單層結(jié)構(gòu)，地塊內(nèi)為2～4層地下室。以地下室大空間建設(shè)、聯(lián)合開發(fā)的原則，共享與私密結(jié)合使用的理念進行聯(lián)合基坑建設(shè)模式開發(fā)地下空間。聯(lián)合基坑長約460m、寬約370m，周長約1769m，基坑深度約10.5m，面積約170km2。該項目采用聯(lián)合基坑建設(shè)模式，即在用地外圍做統(tǒng)一基坑支護，統(tǒng)一開挖聯(lián)合基坑底，地下空間所有地塊和公共空間共用一個大基坑，各地塊根據(jù)建設(shè)面積分攤基坑投資的模式?；覨區(qū)采用0.8m厚地連墻+三道鋼筋砼桁架撐的支護形式，基坑深度約16.6m；基坑G區(qū)采用0.8m厚格柵式地連墻進行支護，基坑開挖深度約6.6m；H區(qū)基坑采用0.8m厚地連墻+三道鋼筋砼桁架撐的支護形式，基坑開挖深度約14m。

2 工程與地鐵結(jié)構(gòu)關(guān)系

2.1 基坑F區(qū)與地鐵關(guān)系

黃邊地鐵站Ⅳ號出入口及F6、F7號風(fēng)亭與F區(qū)基坑地連墻的最小水平凈距為10m，其中地連墻距離Ⅳ號出入口原土釘?shù)淖钚∷骄嚯x約為3m，基坑底標高約-1.60m，地鐵站底板標高約4.80m，基坑深地鐵車站約6.40m；區(qū)間隧道與基坑F區(qū)地連墻的最小水平凈距為18m。

2.2 基坑F區(qū)與地鐵關(guān)系

基坑G區(qū)地連墻結(jié)構(gòu)外邊線與區(qū)間隧道的最小水平凈距為14.1m，基坑底標高約7.90m，地鐵隧道底標高約為3.40～4.28m，基坑淺于地鐵隧道約3.62～4.50m。

2.3 基坑F區(qū)與地鐵關(guān)系

基坑H區(qū)地連墻結(jié)構(gòu)外邊線與區(qū)間隧道的最小水平凈距為20.6m，基坑底標高約-0.50m，地鐵隧道底標高約為2.90～3.40m，基坑深地鐵隧道約3.40～3.90m。

3 對地鐵影響的風(fēng)險評估

3.1 風(fēng)險預(yù)測與識別

3.1.1 環(huán)境風(fēng)險。

3.1.1.1 由于本次聯(lián)合基坑設(shè)計僅考慮開挖至-2F層，局部地塊基坑比聯(lián)合基坑深時，由地塊方獨立開挖支護，后續(xù)各地塊獨立建設(shè)過程中，涉及建設(shè)單位多，受各建設(shè)方企業(yè)管理、領(lǐng)導(dǎo)理念影響大。

3.1.1.2 該工程及地鐵結(jié)構(gòu)周邊地質(zhì)條件差，軟塑、可塑性粉質(zhì)黏土層較厚，砂層級配不良。

3.1.1.3 該區(qū)域為巖溶強烈發(fā)育場地、以無充填或充填少為主，受廣從斷裂帶影響，基巖張性裂隙發(fā)育，坑底溶洞可能與地鐵結(jié)構(gòu)下方溶洞通過巖層裂隙帶、破碎帶連通，與上面砂層相連通，地下水量豐富[2]。

3.1.1.4 受該工程基坑H區(qū)影響范圍內(nèi)對應(yīng)的地鐵左、右線隧道現(xiàn)狀累計最大沉降分別為-10.1mm、-7.38mm；受該工程基坑F區(qū)和G區(qū)對應(yīng)范圍內(nèi)的地鐵隧道基本表現(xiàn)為向上方隆起，其中左、右線隧道最大隆起分別為9.3mm、5.9mm。

3.1.1.5 地鐵隧道及車站結(jié)構(gòu)均采用明挖現(xiàn)澆施工，存在大量施工鋒和變形縫。

3.1.2 施工組織風(fēng)險。①各地塊獨立建設(shè)過程中，涉及建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位多，溝通協(xié)調(diào)難度大，聯(lián)合基坑與獨立基坑交接時間長。②施工單位可能存在不按圖施工、違規(guī)施工等行為。③基坑開挖過程中超挖，不及時架設(shè)支撐，不遵循分區(qū)、分塊、分層的原則。④基坑體量龐大，施工組織不當，不及時回筑地下室結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致坑底暴露時間長。⑤施工單位為節(jié)省成本，在坑底進行樁基礎(chǔ)施工。⑥基坑邊堆載、吊裝造成基坑支護超限。

3.1.3 施工工法、工藝及質(zhì)量風(fēng)險。①圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度不足、剛度小，支撐高度及角撐受力不合理。②連續(xù)墻質(zhì)量缺陷，基坑側(cè)壁滲漏水；大量抽排地下水。③連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁及支撐立柱施工過程中未采取相關(guān)防止塌孔措施，大量抽排地下水或巖溶水。④連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁及支撐立柱施工工法不當，采用沖孔、振動、爆破施工造成溶土洞坍塌。⑤坑底溶洞可能與地鐵結(jié)構(gòu)下方溶洞通過巖層裂隙、破碎帶連通，大量抽排巖溶水可能會導(dǎo)致地鐵下方溶洞坍塌。⑥坑底溶洞可能與上面砂層相連通，大量抽排巖溶水可能導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)周邊土層壓縮，造成地鐵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不均勻變形。⑦基坑施工過程中，地鐵結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置回灌井過度回灌地下水，造成地鐵結(jié)構(gòu)周邊軟塑黏土軟化、可塑黏土軟化崩塌。⑧砂層級配不良，基坑施工抽排地下水、回灌地下水均可能導(dǎo)致地鐵隧道周邊沙土流失[3]。

3.2 風(fēng)險定性評估

3.2.1 環(huán)境風(fēng)險。

3.2.1.1 后續(xù)各地塊獨立建設(shè)過程中，涉及建設(shè)單位多，受各建設(shè)方企業(yè)管理、領(lǐng)導(dǎo)理念影響大，靠近地鐵的基坑F、H區(qū)開挖深度控制難度大。由于地鐵保護專家評審會議一致認為，F(xiàn)、H區(qū)基坑若開挖三層地下室將會對地鐵結(jié)構(gòu)造成重大影響，但后續(xù)各地塊的業(yè)主均為參與地鐵保護審查及專家評審工作，獨立基坑施工前須繼續(xù)進行地鐵保護報審工作，溝通、協(xié)商及現(xiàn)場管控將會相當困難。

3.2.1.2 該工程及地鐵結(jié)構(gòu)周邊地質(zhì)條件差，軟塑、可塑性粉質(zhì)黏土層較厚，砂層級配不良，基坑支護、開挖、降水以及樁基礎(chǔ)施工等稍有不慎將會引起地鐵結(jié)構(gòu)周邊土層發(fā)生變化，從而導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)變形。

3.2.2 施工組織風(fēng)險。

3.2.2.1 各地塊獨立建設(shè)過程中，涉及建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位多，溝通協(xié)調(diào)難度大，聯(lián)合基坑與獨立基坑交接時間長；且基坑體量龐大，施工組織不當，不及時回筑地下室結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致坑底暴露時間長，致使圍護結(jié)構(gòu)變形持續(xù)發(fā)展，影響周邊地層應(yīng)力的原有平衡，造成地鐵結(jié)構(gòu)變形。

3.2.2.2 設(shè)計計算、驗算及相關(guān)專家評審均是在合理施工條件下評定為基本可行，但如果現(xiàn)場施工單位不按圖施工，基坑超挖、不及時架設(shè)支撐，不遵循分區(qū)、分塊、分層的原則等違規(guī)施工行為，將對周邊環(huán)境造成重大影響，嚴重地威脅地鐵結(jié)構(gòu)安全。

3.2.2.3 施工單位為節(jié)省成本，在坑底進行樁基礎(chǔ)施工，會導(dǎo)致坑底長期暴露，造成支護結(jié)構(gòu)變形超限，增加地鐵安全風(fēng)險。

3.2.2.4 基坑邊堆載、吊裝，將會造成基坑支護超限，并導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)的土層壓縮固結(jié)，容易導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)變形。

3.2.3 施工工法、工藝及質(zhì)量風(fēng)險。

3.2.3.1 圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度不足、剛度小，支撐高度及角撐受力不合理，將會造成基坑坑底隆起、圍護結(jié)構(gòu)踢腳、變形超限、周邊地層水土流失。

3.2.3.2 該區(qū)域為巖溶強烈發(fā)育場地、以無充填或充填少為主，受廣從斷裂帶影響，基巖張性裂隙發(fā)育，坑底溶洞可能與地鐵結(jié)構(gòu)下方溶洞通過巖層裂隙帶、破碎帶連通，連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁及支撐立柱施工過程中未采取相關(guān)防止塌孔措施，大量抽排地下水或巖溶水將會導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)下方溶洞壓縮或坍塌，地鐵結(jié)構(gòu)變形縫將會出現(xiàn)不均勻沉降。

3.2.3.3 坑底溶洞可能與地鐵結(jié)構(gòu)周邊級配不良的砂層相連通，連續(xù)墻質(zhì)量缺陷、基坑側(cè)壁滲漏水或施工過程中大量抽排地下水，使得坑內(nèi)外產(chǎn)生水力梯度，導(dǎo)致土中水分流動，然后帶走砂粒，且產(chǎn)生對土體的壓縮，也會對地鐵隧道的變形有一定程度的影響。

3.2.3.4 連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁及支撐立柱施工工法不當，采用沖孔、振動、爆破施工造成溶土洞坍塌，同時可能導(dǎo)致地鐵結(jié)構(gòu)周邊砂層液化。

3.2.3.5 基坑施工過程中，地鐵結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置回灌井過度回灌地下水，造成地鐵結(jié)構(gòu)周邊軟塑黏土軟化、可塑黏土軟化崩塌[4]。

3.3 風(fēng)險管控措施

針對以上風(fēng)險分析，結(jié)合多年的地鐵保護工作經(jīng)驗，提出以下管控措施，供后續(xù)地保工作參考。

3.3.1 針對各地塊獨立建設(shè)過程中，涉及建設(shè)、設(shè)計、施工、監(jiān)理單位多，溝通協(xié)調(diào)難度大的問題，地鐵保護工作人員應(yīng)提前介入，與鄰近地鐵地塊的建設(shè)單位溝通，督促提醒對方按《廣州市城市軌道交通管理條例》及地鐵集團復(fù)函、會議紀要等相關(guān)要求進行執(zhí)行。

3.3.2 嚴格控制鄰近地鐵側(cè)基坑F區(qū)和H區(qū)開挖深度，將F區(qū)和H區(qū)控制為二層地下室，避免基坑開挖過深對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)造成威脅。

3.3.3 要求設(shè)計單位核算基坑支護結(jié)構(gòu)布置體系，圍護結(jié)構(gòu)須有足夠的嵌固深度，確保連續(xù)墻、支撐有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性。

3.3.4 施工過程嚴格控制地下水位，嚴禁采取深層降水措施，確保地下水位下降幅度控制在1.0m以內(nèi)。施工前在地鐵側(cè)布置水位回灌井，但須采用無壓回灌，嚴格控制回灌速度，避免砂層中出現(xiàn)沙土流失現(xiàn)象及軟塑、可塑性粉質(zhì)黏土層遇水軟化、崩塌。

3.3.5 要求設(shè)計單位制定巖溶處理專項方案，現(xiàn)場施工須有針對性地采取相關(guān)措施，確保該項目及地鐵結(jié)構(gòu)安全。

3.3.6 鑒于該基坑體量龐大、實施時長為管控重點，須嚴控開挖及封底時間?；娱_挖應(yīng)遵循分區(qū)、分塊、分層、及時封閉的原則；嚴禁超挖，及時架設(shè)支撐；當挖至基坑底設(shè)計高程時，應(yīng)立即施做地下室結(jié)構(gòu)，避免因基坑長時間暴露增加地鐵安全風(fēng)險。

3.3.7 連續(xù)墻、基礎(chǔ)樁及支撐立柱禁止采用趕作業(yè)成孔、禁止抽排地下水；須采用泥漿護壁施工，并采取有針對性措施防止塌孔；工程樁應(yīng)從地面施工，減少基坑暴露時間。

3.3.8 要求施工單位制定完善的施工方案、地鐵保護專項方案及應(yīng)急預(yù)案，施工前須對現(xiàn)場管理人員及操作人員進行交底。

3.3.9 地下工程實施須遵循先監(jiān)測后施工的原則，加強對基坑及地鐵結(jié)構(gòu)變形及周邊地下水位監(jiān)測，重點監(jiān)測地鐵車站主體與附屬結(jié)構(gòu)、車站主體與隧道結(jié)構(gòu)及相關(guān)變形縫的差異沉降。

3.3.10 值得注意的是，數(shù)值分析過程中不考慮變形的時空效應(yīng)，然而地層變化具有時空效應(yīng)，外部項目對地鐵隧道的影響傳遞過程一般為：基坑－基坑周圍地層－地鐵隧道周圍土層（圍巖）－隧道管片－道床。而目前對地鐵隧道變形監(jiān)測對象是隧道管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和道床，以至于監(jiān)測數(shù)據(jù)對危險預(yù)測存在滯后性。因此，后續(xù)監(jiān)控管理工作不僅限于監(jiān)測數(shù)據(jù)關(guān)注，要把地保工作重點放在現(xiàn)場監(jiān)管[5]。

4 結(jié)束語

鑒于廣州已進行過多項巖溶地區(qū)地鐵車站及區(qū)間隧道的側(cè)方深基坑工程設(shè)計和施工，其中綠地金融中心、中國南方航空大廈、廣州無限極廣場等項目均位于該工程周邊，擁有類似的地質(zhì)條件，均對地鐵結(jié)構(gòu)造成不可挽回損傷。前事不忘、后事之師，地鐵保護工作人員應(yīng)整理過往案例、總結(jié)經(jīng)驗，嚴格監(jiān)督該工程施工過程，做好充分的溝通，盡量避免施工過程中出現(xiàn)上訴風(fēng)險源，執(zhí)行好風(fēng)險控制及規(guī)避措施。