基坑開挖對臨近地鐵軌道安全運營影響的分析

黃書葵

（深圳市赤灣商業(yè)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000）

近年來，城市地鐵交通快速發(fā)展，成為人們的主要交通方式之一。然而，在地鐵工程建設(shè)過程中，臨近地鐵軌道的基坑開挖工程成為一個重要的問題。基坑開挖活動可能對地鐵軌道的安全運營產(chǎn)生一定的影響，因此，需要進行全面的影響分析和評估，以確保地鐵的正常運行和乘客的安全。常見的技術(shù)方法主要有三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法、自動化變形監(jiān)測法、地下水位監(jiān)測等，幾種方法在功能、目的及應(yīng)用場景等方面都存在一定共性、異性，需要根據(jù)實際情況進行選擇，但是鮮有學(xué)者進行方法對比和綜合性應(yīng)用研究。因此，本文以實際工程為例，結(jié)合應(yīng)用三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法和自動化變形監(jiān)測法，討論2 種方法的區(qū)別和關(guān)聯(lián)性，并分析基坑開挖對臨近地鐵軌道安全運營的影響。通過構(gòu)建基坑開挖的數(shù)學(xué)模型，并實時監(jiān)測土體的變形和位移情況，可定量評估土體的應(yīng)力分布和變形情況，從而為地鐵工程的規(guī)劃和施工提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 工程概況

1.1 新建基坑及區(qū)間隧道概況

擬建工程為S 市某大型擬建建筑工程項目，項目與軌道交通設(shè)施間距在50 m 地鐵保護區(qū)之內(nèi)，基坑的開挖卸載、基坑支護結(jié)構(gòu)的變形均有可能對鄰近的軌道交通設(shè)施產(chǎn)生不利影響，因此需依據(jù)本項目的工程條件、基坑支護設(shè)計，分析評估該項目基坑工程施工對相鄰軌道交通設(shè)施的影響。基坑與地鐵的剖面如圖1所示。

圖1 新建基坑與地鐵隧道側(cè)剖面關(guān)系示意圖

1.2 巖土層的物理力學(xué)指標

根據(jù)勘察報告提供的巖土層基本物理力學(xué)性質(zhì)指標、原位試驗成果，結(jié)合相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，提出本項目場地內(nèi)主要巖土層的物理力學(xué)指標和計算分析采用的土工參數(shù)，具體如表1 所示。

表1 主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)表

1.3 方法分析與比較

本文主要從基坑開挖三維數(shù)字建模和地鐵隧道自動化變形監(jiān)測2 個方向進行研究分析，2 種方法的區(qū)別和聯(lián)系如下。

1.3.1 區(qū)別

在原理上，數(shù)字建模分析是基于數(shù)學(xué)模型的工程方法，通過輸入結(jié)構(gòu)或隧道的幾何形狀和材料參數(shù)等數(shù)據(jù)來建立數(shù)學(xué)模型進行應(yīng)力和變形分布情況分析；自動化監(jiān)測點位分析是基于實時數(shù)據(jù)采集和分析的技術(shù)手段，通過傳感器獲取隧道內(nèi)部和周圍環(huán)境的實時數(shù)據(jù)，對它進行監(jiān)測和分析。在目的和應(yīng)用上，數(shù)字建模應(yīng)力分析主要用于預(yù)測結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提供設(shè)計和施工方案，并進行安全評估；自動化監(jiān)測點位分析主要用于實時監(jiān)測隧道的變形、應(yīng)力、振動等情況，及時發(fā)現(xiàn)異常，并采取相應(yīng)的措施。

1.3.2 關(guān)聯(lián)性

在目標上，數(shù)字建模分析和自動化監(jiān)測點位分析旨在提高工程的安全性和可靠性，保障結(jié)構(gòu)和隧道的穩(wěn)定運行。此外2 種方法互相補充，數(shù)字建模應(yīng)力分析可以在設(shè)計和施工階段對結(jié)構(gòu)性能進行分析和優(yōu)化，為自動化監(jiān)測點位分析提供有力的數(shù)據(jù)支持。而自動化監(jiān)測點位分析可以實時監(jiān)測隧道的狀況，為數(shù)字建模應(yīng)力分析提供實際數(shù)據(jù)驗證和反饋。

2 三維數(shù)字建模分析

2.1 分析計算方法

擬建項目的基坑工程與地鐵結(jié)構(gòu)的布置特征具有典型的三維特征，綜合考慮地鐵結(jié)構(gòu)和基坑的結(jié)構(gòu)形式，參照已有文獻中的處理方法，本文采用三維分析方法。為真實準確地模擬基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)的影響，需要對既有地鐵結(jié)構(gòu)開挖施工及后期鄰近基坑的開挖過程進行全過程施工模擬。首先根據(jù)基坑工程范圍、尺寸與既有地鐵結(jié)構(gòu)平面關(guān)系，建立數(shù)值計算模型；對巖土體進行物理力學(xué)參數(shù)的賦值，分析巖土體中地應(yīng)力分布特點，模擬巖土體的初始地應(yīng)力場分布情況；對既有地鐵結(jié)構(gòu)的開挖施工過程進行模擬，確定后續(xù)基坑開挖前圍巖和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，以此作為基礎(chǔ)，再模擬擬建工程施工過程，研究施工過程中地鐵結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形情況，進而對既有地鐵結(jié)構(gòu)和運營安全進行評判[3]。

2.2 應(yīng)力分析

三維數(shù)字建模上，本文采用Midas/GTS 有限元計算軟件，該軟件具有先進的數(shù)值計算能力和圖形化界面，可以模擬復(fù)雜的土體和結(jié)構(gòu)行為，并進行穩(wěn)定性、變形、應(yīng)力等綜合分析。初始地應(yīng)力場的擬合采用側(cè)邊加載擬合法，即模型中所有材料均采用線彈性本構(gòu)模型，在模型右側(cè)及底部施加法向位移約束，在模型左側(cè)邊界上施加法向應(yīng)力，計算后模型的應(yīng)力達到平衡后即為模擬的初始應(yīng)力場。施加法向應(yīng)力等于左側(cè)邊界上各點的自重應(yīng)力乘以一個側(cè)壓力系數(shù)，一般淺層地層水平側(cè)壓力系數(shù)為0.4～0.8。擬合后得到的初始總地應(yīng)力場分布如圖2 所示[4].

圖2 場地X 向和豎向總應(yīng)力云圖

然后進行地鐵施工應(yīng)力場分析，通過應(yīng)力分布可間接反映出道路路基開挖施工前整體場地的應(yīng)力狀態(tài)，為結(jié)構(gòu)安全評價提供佐證。并進行后期用地整平及規(guī)劃支路回填施工工況應(yīng)力場，反映出整體場地的應(yīng)力狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)應(yīng)力分布規(guī)律，為結(jié)構(gòu)安全評價提供佐證。

2.3 位移分析

評價基坑施工對地鐵隧道的影響的主要指標為結(jié)構(gòu)的水平位移及豎向位移，也最能反映項目施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響程度。模型計算可以直觀讀取基坑結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)的位移值，從而定量評判地鐵結(jié)構(gòu)的安全性，最后計算得出基坑開挖造成S 市地鐵2 號線出入段線的最大水平變形為0. 28 mm 及豎向隆起為0.72 mm。

3 地鐵自動化變形監(jiān)測分析

自動化監(jiān)測實施是通過安全智能監(jiān)測與預(yù)警一體化云平臺，遠程向測量機器人發(fā)送測量指令完成一系列測量動作并得到數(shù)據(jù)。整個過程，測量機器人與通信工控系統(tǒng)用專用電纜連接，使它同時實現(xiàn)設(shè)備供電及測量數(shù)據(jù)及測量指令在預(yù)警平臺的接收發(fā)模式。

3.1 監(jiān)測點布設(shè)

對本段監(jiān)測區(qū)間左右線各設(shè)計46 個斷面，每個斷面各布設(shè)6 個三維變形監(jiān)測點，6 個點分別位于隧道底兩側(cè)（2 點）、隧道中腰線（2 點）、隧道頂部（1 點），監(jiān)測點采用以L 形小棱鏡為主的元器件，布點時用沖擊鉆打孔及對應(yīng)膨脹螺絲安裝固定。

3.2 儀器位置及通信控制系統(tǒng)安裝

隧道自動化監(jiān)測系統(tǒng)由測量機器人即帶驅(qū)動馬達（或者磁驅(qū)）的全站儀，供電系統(tǒng)，通信工控系統(tǒng)，變形監(jiān)測基準點（控制點）、公共點、變形監(jiān)測點，安全智能監(jiān)測與預(yù)警一體化云平臺（ 以下簡稱“WebMos 平臺”），監(jiān)測軟件云端服務(wù)器，共6 個部分構(gòu)成。布設(shè)自動化監(jiān)測設(shè)備時本隧道處于洞通未鋪軌狀態(tài)，隧道內(nèi)全站儀采用專用支架固定在隧道內(nèi)一側(cè)的側(cè)壁上，支架處于監(jiān)測點通視良好區(qū)域，全站儀支架附近安裝工控箱，工控箱內(nèi)包含供電電源、全站儀遠程控制系統(tǒng)組件及通信設(shè)備。支架附近用膨脹螺絲固定一個電箱，里面包含自動化通信模塊系統(tǒng)；在建隧道自動化監(jiān)測信號系統(tǒng)由光纖加無線發(fā)射裝置組成，光纖沿隧道側(cè)壁，將光纖一端接入控制箱，另一端光纖拉到盾構(gòu)井的出口保證有通信信號，在此處安裝一個無線信號引入裝置連接光纖端[5-6]。儀器位置及實施監(jiān)測示意圖如圖3 所示。

圖3 儀器位置及實施監(jiān)測示意圖

3.3 自動化監(jiān)測方法

自動化監(jiān)測實施時通過安全智能監(jiān)測與WebMos平臺，遠程向測量機器人發(fā)送測量指令完成一系列測量動作并得到數(shù)據(jù)。測量機器人、監(jiān)測點及通信工控系統(tǒng)安裝調(diào)試完畢后進入WebMos 平臺，找到對應(yīng)操作學(xué)習測量界面，測量機器人在人工測量基準點（控制點）定向的基礎(chǔ)上進行云端自動化的定向?qū)W習測量。定向完成后按WebMos 設(shè)定的測量程序進行監(jiān)測點逐個點位的學(xué)習測量，測量完成后保存所有測量數(shù)據(jù)并傳輸?shù)奖O(jiān)測軟件云端服務(wù)器上；然后WebMos 平臺通過定向后形成的方位角、平距、斜距自動對監(jiān)測點的數(shù)據(jù)進行計算與分析，給出各監(jiān)測點的三維坐標系（平面及高程）及點與基準點的角度距離關(guān)系，經(jīng)過多次測量平差形成監(jiān)測點點位初始值。最后通過設(shè)置WebMos 平臺在特定的時間啟動測量機器人進行無間斷的連續(xù)測量；通過與點位初始值的比對，形成并繪制點位變形時的曲線圖。每次測量時，遵循先控制點（基準點）后監(jiān)測點，按后方交會方法計算出儀器坐標和高程，然后再觀測變形監(jiān)測點。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

新建建筑工程基坑開挖對地鐵出入段產(chǎn)生的直接影響主要體現(xiàn)在橫向、縱向、高程3 個方面，間接的變化有經(jīng)向收斂、隧道橢圓度變化。通過一周的觀測和統(tǒng)計，得到高程位移累積變形值為2.1 mm，橫向位移累積變形值為1.5 mm，縱向位移累積變形值為1.2 mm；隧道道床沉降差累積變形值為-0.5 mm；道結(jié)構(gòu)橫向收斂值為-0.9 mm?？梢缘贸觯淼澜Y(jié)構(gòu)自動監(jiān)測變形值變化較小，未超報警值，仍處于安全可控狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文應(yīng)用2 種方法對臨近地鐵軌道安全運營影響進行分析，通過以上應(yīng)用可以看出，三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法主要適用于工程設(shè)計和施工階段，可以對結(jié)構(gòu)進行全面的應(yīng)力分析和評估；自動化變形監(jiān)測法適用于結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測和控制，主要用于工程的運行和維護階段。在方法復(fù)雜性方面，三維數(shù)字建模應(yīng)力分析法需要構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，并進行大量的計算和分析，對計算能力和數(shù)據(jù)處理能力有一定要求；自動化變形監(jiān)測法則相對簡單，通過傳感器實時采集數(shù)據(jù)并進行簡單的分析和處理，適用于實時監(jiān)測和控制，同行從業(yè)者可以根據(jù)工程目的和要求進行選擇。