寧波軟土地區(qū)深大基坑施工對(duì)既有地鐵隧道的保護(hù)研究

姜虎 金超 周永健

浙江華展研究設(shè)計(jì)院股份有限公司 浙江 寧波 315010

基坑開(kāi)挖是城市建設(shè)中常見(jiàn)的土木工程活動(dòng)，用于建造地下空間或進(jìn)行基礎(chǔ)工程施工。然而，基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)周?chē)h(huán)境和結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生一系列的影響，其中之一就是地表沉降。地表沉降是指由于土體壓縮、水分變化和重排等機(jī)制所導(dǎo)致的地表下降現(xiàn)象。對(duì)于軟土地區(qū)來(lái)說(shuō)，基坑開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響更加顯著。軟土地區(qū)的土體較為松散，其力學(xué)性質(zhì)和水分特性容易受到施工的影響，因此對(duì)于軟土地區(qū)的基坑開(kāi)挖施工，需要更加關(guān)注和研究其對(duì)周?chē)叵陆Y(jié)構(gòu)物、地鐵隧道等的保護(hù)。軟土地區(qū)深大基坑施工對(duì)地鐵隧道的保護(hù)問(wèn)題，涉及土體穩(wěn)定性、地表沉降、地下水位變化等方面的工程風(fēng)險(xiǎn)，需要采取一系列科學(xué)有效的措施來(lái)保障地鐵隧道的安全運(yùn)營(yíng)。本文將以某深基坑工程北側(cè)平行既有地鐵隧道為主要研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行深入的研究，以期為大家提供一定的參考。

1 基坑開(kāi)挖影響分析

在基坑施工中，我們通常會(huì)將地面的土壤移除。通過(guò)使用深度開(kāi)挖技術(shù)，我們可以讓基坑的地面重新恢復(fù)到原來(lái)的應(yīng)力水平，從而導(dǎo)致地下水位的回升和凸出。當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部土壤被挖開(kāi)時(shí)，產(chǎn)生的巨大的壓力差使得墻壁外的土壤也受到了相應(yīng)的壓力，這就導(dǎo)致了一種不可逆轉(zhuǎn)的水平位移。如果地鐵隧道正好位于基坑開(kāi)挖的影響范圍內(nèi)，開(kāi)挖卸載導(dǎo)致的擾動(dòng)將不可避免地引起土體中的隧道發(fā)生位移和變形[1]。地表沉降是基坑開(kāi)挖過(guò)程中常見(jiàn)的影響之一。下面將詳細(xì)介紹基坑開(kāi)挖引起的地表沉降機(jī)制，影響因素及其作用機(jī)制，以及地表沉降的監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法。

1.1 基坑開(kāi)挖引起的地表沉降機(jī)制

基坑開(kāi)挖導(dǎo)致地表沉降主要是由以下幾個(gè)機(jī)制引起的：

a) 土體壓縮：基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體被挖除或受到降低應(yīng)力的影響，使得土體中的孔隙水壓力下降，顆粒之間的接觸力增加，導(dǎo)致土體壓縮，進(jìn)而引起地表沉降。

b) 土體水分變化：基坑開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致地下水位下降或者排水引起孔隙水壓力的改變，這會(huì)導(dǎo)致土體中水分的重新分布，造成土體體積變化，進(jìn)而引起地表沉降。

c) 土體重排：基坑開(kāi)挖會(huì)改變土體的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，使得原本緊密排列的土粒重新排列，產(chǎn)生重新組織和調(diào)整的過(guò)程，進(jìn)而引起地表沉降。

1.2 影響因素及其作用機(jī)制

地表沉降的程度和范圍受到多種因素的影響，包括但不限于：

a) 基坑尺寸和深度：基坑的尺寸和深度越大，土體的受擾動(dòng)范圍越廣，地表沉降的影響也會(huì)更加顯著。

b) 土體性質(zhì)：不同類(lèi)型的土體具有不同的壓縮特性和水分遷移特性，如黏性土和砂土在受力和水分變化時(shí)表現(xiàn)出不同的行為。

c) 基坑支護(hù)方式：基坑支護(hù)方式的選擇和施工方法對(duì)地表沉降有重要影響。合理設(shè)計(jì)地支護(hù)結(jié)構(gòu)可以減小地表沉降的程度。

d) 周邊建筑物：周邊建筑物的剛度和穩(wěn)定性會(huì)影響基坑開(kāi)挖引起的地表沉降對(duì)其造成的影響。較為剛性的建筑物可能會(huì)受到更大的變形和損害。

2 工程概況

在本次施工項(xiàng)目中，該深基坑位于既有地鐵隧道的北側(cè)，以倒梯形布置，其東西寬123m，南北長(zhǎng)121m，總深度高達(dá)20.9m。在原本的地鐵隧道的北部，建造了一個(gè)深達(dá)5m的基坑，并在其周?chē)ㄔ炝艘粋€(gè)厚達(dá)800mm的地下連續(xù)墻。兩條已建成的隧道的中心距離大致相等，其中A隧道的地下深度大約在13m，而B(niǎo)隧道的地下深度則大約在11.5m。在基坑的北部，已經(jīng)建成的地鐵隧道是這個(gè)項(xiàng)目的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，必須引起我們的高度關(guān)注。當(dāng)進(jìn)行深基坑施工時(shí)，不僅要確保施工過(guò)程的安全，而且要確保已經(jīng)完工的隧道能夠正常使用。為了確保安全，在開(kāi)展深基坑工程之前，必須確立適當(dāng)?shù)膰o(hù)結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)完善的開(kāi)挖計(jì)劃，并實(shí)施有效的防護(hù)措施。表1中包含了主要地層參數(shù)。

表1 基坑主要底層參數(shù)

3 基坑開(kāi)挖工法對(duì)隧道影響分析

通常，為了確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定，我們建議采用符合規(guī)范的豎直彈性地基支撐技術(shù)。當(dāng)前，理正深基坑和同濟(jì)啟明星是兩款最受歡迎的設(shè)計(jì)軟件。利用這些軟件，我們能夠準(zhǔn)確地模擬出現(xiàn)場(chǎng)的開(kāi)挖狀態(tài)，從而更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在變形和支撐系統(tǒng)的內(nèi)在壓力[2]。在沒(méi)有外部防護(hù)措施的情況下，采用這種方法可以滿(mǎn)足日常建筑設(shè)計(jì)的要求。盡管采用本工程的方法可以有效地減少深基坑的風(fēng)險(xiǎn)，但由于其具有較高的重大風(fēng)險(xiǎn)源，因此仍需要進(jìn)一步加以考量。通過(guò)利用三維分析軟件，我們可以對(duì)深基坑的影響進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的模擬研究。

圖1 計(jì)算模型圖

由于現(xiàn)有的地鐵隧道的變形要求非常苛刻，因此我們使用Midas GTS三維有限元分析軟件，仔細(xì)探討了各種深基坑開(kāi)挖技術(shù)的影響，以便獲得更加精確的結(jié)論。在這項(xiàng)研究中，我們將重點(diǎn)關(guān)注兩種不同的開(kāi)挖技術(shù)：中央島式和盆式。使用中央島式開(kāi)挖技術(shù)，首先需要清理基坑周邊的土壤，并將其中央部分作為施工的重點(diǎn)。通過(guò)在中心島上建造橋梁，可以大大提高施工效率。盡管基坑周邊的土壤已經(jīng)開(kāi)始被挖掘，但這會(huì)延長(zhǎng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載的時(shí)間，從而使其變形量大幅提升，進(jìn)而給其承載能力帶來(lái)負(fù)面影響[3]。通過(guò)使用盆形開(kāi)挖技術(shù)，我們首先從基坑的中心進(jìn)行挖掘，并在周?chē)A(yù)留反壓斜坡。一旦中心區(qū)域的土壤被挖出來(lái)，我們就可以繼續(xù)向周?chē)鷶U(kuò)展。通過(guò)在基坑周?chē)┕し磯和疗?，可以有效提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并且可以有效減少它們承受外力時(shí)的變形，以此來(lái)確保它們的安全。

經(jīng)過(guò)多次工程實(shí)踐和有限元分析，我們發(fā)現(xiàn)，模型的準(zhǔn)確性可以達(dá)到基坑開(kāi)挖深度的3至6倍。這個(gè)工程的計(jì)算模型的大小是360m×360m×120m(長(zhǎng)x寬x高)。這個(gè)模型由三個(gè)不同的部分組成：實(shí)體部分用于模擬土體，面部分用于模擬隧道襯砌和基坑地連墻，而線彈性線部分則用于模擬錨索。這個(gè)模型是基于摩爾-庫(kù)侖定律來(lái)構(gòu)建的。

計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析:

（1）通過(guò)對(duì)比，我們可以看出隧道的豎直位移。通過(guò)分析圖2中的數(shù)據(jù)，我們可以評(píng)估不同開(kāi)挖方法對(duì)接近基坑的隧道的最大垂直位移的影響。當(dāng)隧道的挖掘深度增加時(shí)，它的豎直位置也會(huì)相應(yīng)地增大。與中心島式開(kāi)挖相比，盆式開(kāi)挖的豎向位移變化不大，最大只有-0.4mm，只占總體的30%。經(jīng)過(guò)盆式開(kāi)挖的施工，可以顯著改善與既有地鐵隧道相連的豎向位移，取得了良好的效果。

圖2 豎向位移對(duì)比圖

（2）比較豎直方向的位移變化。挖掘過(guò)程中，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，隧道可能會(huì)發(fā)生橫向移動(dòng)。根據(jù)圖表所示，當(dāng)開(kāi)挖深度增加時(shí)，隧道的水平位移也會(huì)顯著提高。使用島式開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行隧道建設(shè)，可以顯著提升水平位移，最大可達(dá)10mm，比盆式開(kāi)挖技術(shù)的效果提升了三倍以上。這意味著在控制隧道的橫向位移方面，盆式開(kāi)挖相對(duì)于島式開(kāi)挖表現(xiàn)更好。因此，在考慮緊鄰既有地鐵隧道的安全時(shí)，盆式開(kāi)挖是更合適的選擇。

（3）隧道襯砌應(yīng)力對(duì)比。根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，可以比較兩種開(kāi)挖方法引起的既有隧道的最大應(yīng)力值。表中顯示，盆式開(kāi)挖引起的隧道應(yīng)力較大。這意味著盆式開(kāi)挖對(duì)既有隧道的應(yīng)力影響更顯著。在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，需要特別注意盆式開(kāi)挖對(duì)既有隧道襯砌的應(yīng)力影響，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)保證隧道的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。

表2 兩種開(kāi)挖方法襯砌應(yīng)力最大值對(duì)比表

4 保護(hù)措施

經(jīng)過(guò)深入分析，我們發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖會(huì)對(duì)周?chē)牡罔F隧道產(chǎn)生重大影響，這種影響主要是通過(guò)外部土體的傳播而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，由于卸載作用，圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)偏移，進(jìn)而引起隧道周邊土壤的水平應(yīng)力，最終導(dǎo)致土壤變形。為了保證建筑的安全，我們必須仔細(xì)研究基坑開(kāi)挖可能帶來(lái)的影響，并制定出有效的預(yù)防和控制措施[4]。通過(guò)多次的類(lèi)似項(xiàng)目的實(shí)際操作，我們發(fā)現(xiàn)，采取有效的防護(hù)措施是必要的：首先，應(yīng)該制定一個(gè)合理的開(kāi)挖計(jì)劃，增強(qiáng)外部土壤的主要承載能力；其次，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)內(nèi)部土壤的支撐；最后，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控，以確保其安全性和可靠性。采取主動(dòng)土壓力技術(shù)加固坑外土體，可以大大增強(qiáng)其剛度，有效地阻止土體朝著基坑的水平移動(dòng)，從而有效地抑制隧道的水平位移。采取被動(dòng)土壓力區(qū)的加固措施，能夠顯著降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，進(jìn)而大幅度縮短隧道的長(zhǎng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況采取合理的支護(hù)措施和施工方法。同時(shí)，加強(qiáng)工程經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和案例研究，可以為未來(lái)類(lèi)似工程提供更有效地指導(dǎo)和參考?？傊?，通過(guò)全面理解地表沉降的機(jī)制和影響因素，以及合理應(yīng)用監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)方法，可以更好地管理和控制基坑開(kāi)挖對(duì)地表沉降的影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的城市建設(shè)和施工安全。