深基坑近接施工對(duì)既有運(yùn)營地鐵車站穩(wěn)定性的影響研究

鄭 元

南通軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司 江蘇 南通 226001

地鐵車站作為城市地下交通系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，承載著大量乘客和重要的社會(huì)功能。然而，深基坑施工對(duì)地鐵車站的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。深基坑施工過程中的土體變形、土壓力變化和地層穩(wěn)定性改變是主要因素。本研究旨在通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，深入研究深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的影響機(jī)理。綜合數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析地鐵車站結(jié)構(gòu)響應(yīng)，驗(yàn)證研究結(jié)果，揭示深基坑近接施工對(duì)地鐵車站的影響程度和可能風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，提出評(píng)估指標(biāo)、應(yīng)對(duì)措施和管理策略，以確保地鐵車站在深基坑施工中的安全運(yùn)營和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以期促進(jìn)城市地鐵系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，提高地鐵車站在深基坑施工過程中的安全性和可靠性，為乘客提供安全、高效的出行環(huán)境[1]。

1 深基坑施工對(duì)土壓力、地層穩(wěn)定性的影響機(jī)理

1.1 土壓力變化機(jī)理

深基坑施工中，挖掘過程會(huì)使土壤失重，引起土壤體積的減小。這個(gè)體積減小會(huì)引起孔隙水壓力的變化，從而改變土體內(nèi)部的有效應(yīng)力分布。這一機(jī)理是Terzaghi的有效應(yīng)力原理，這個(gè)原理解釋了土體受力和孔隙水之間的相互作用，對(duì)于預(yù)測(cè)土體在施工過程中的變形和穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義。有效應(yīng)力原理可表述為：σ' = σ - u，其中σ'代表有效應(yīng)力，σ'代表總應(yīng)力，u代表孔隙水壓力?；娱_挖會(huì)導(dǎo)致土壤體積變化，進(jìn)而改變孔隙水壓力和有效應(yīng)力。

1.2 地層穩(wěn)定性影響機(jī)理

基坑開挖會(huì)改變地下土層的應(yīng)力狀態(tài)，由于土體的強(qiáng)度受應(yīng)力狀態(tài)的影響，應(yīng)力狀態(tài)的改變可能導(dǎo)致土體發(fā)生失穩(wěn)。根據(jù)Mohr-Coulomb模型，土體的剪切強(qiáng)度主要取決于兩個(gè)因素：一是凝聚力，它是土體內(nèi)部的微觀摩擦和黏結(jié)力產(chǎn)生的；二是摩擦力，它是由土體內(nèi)部的顆粒間摩擦產(chǎn)生的。這個(gè)模型可以預(yù)測(cè)在哪些應(yīng)力條件下，土體可能會(huì)發(fā)生剪切破壞。Mohr-Coulomb模型是常用的描述土體強(qiáng)度特性的模型，其表達(dá)式為：τ = c + σ' tanφ，其中τ代表剪切應(yīng)力，c代表凝聚力，σ'代表正應(yīng)力，φ代表內(nèi)摩擦角。根據(jù)這個(gè)模型，可以計(jì)算在特定應(yīng)力條件下，土體是否會(huì)發(fā)生破壞。

2 地鐵車站結(jié)構(gòu)對(duì)外部環(huán)境變化的響應(yīng)理論

2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

地鐵車站結(jié)構(gòu)通常采用混凝土或鋼筋混凝土材料，這些材料在受力后會(huì)產(chǎn)生形變。根據(jù)彈性力學(xué)理論，材料的形變與其受到的應(yīng)力成正比，比例常數(shù)被稱為楊氏模量。這種關(guān)系可以幫助理解地鐵車站結(jié)構(gòu)在受到地下土體應(yīng)力改變后會(huì)發(fā)生多大的形變。對(duì)于線彈性材料，應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)胖g的關(guān)系為：σ = Eε，其中E代表?xiàng)钍夏Ａ俊?/p>

2.2 振動(dòng)響應(yīng)分析

基坑施工通常伴隨著振動(dòng)產(chǎn)生，這些振動(dòng)可能對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。振動(dòng)的影響可以通過動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析。對(duì)于單自由度系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以通過一個(gè)二階微分方程來描述，其中涉及到系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度三個(gè)重要參數(shù)，這些參數(shù)決定了系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)特性。一般可以采用單自由度振動(dòng)模型，其微分方程形式為：mx'' +cx' + k*x = F(t)，其中m代表質(zhì)量，c代表阻尼系數(shù)，k代表剛度，x代表位移，F(xiàn)(t)代表外力。

2.3 相關(guān)數(shù)學(xué)模型

2.3.1 土壓力和地層穩(wěn)定性模型

分析土壓力的變化，通常需要采用固結(jié)理論，如Terzaghi的一維固結(jié)理論。這個(gè)理論通過一個(gè)偏微分方程描述了土體在壓實(shí)過程中孔隙水壓力和土體變形之間的關(guān)系，是理解和預(yù)測(cè)土體固結(jié)行為的重要理論基礎(chǔ)。地層穩(wěn)定性的分析則需要采用土體穩(wěn)定性的計(jì)算方法，如Bishop法或Morgenstern-Price法，這些方法都是通過計(jì)算土體可能的滑動(dòng)面上的剪切力和正應(yīng)力，判斷土體的穩(wěn)定性。土壓力的變化可以通過Terzaghi的一維固結(jié)理論進(jìn)行模型分析。其主要方程為：?u/?t = Cv * ?2u/?z2，其中u代表孔隙水壓力，t代表時(shí)間，z代表深度，Cv代表固結(jié)系數(shù)。地層穩(wěn)定性可以通過Bishop法或Morgenstern-Price法進(jìn)行分析，這兩種方法都是求解土體滑動(dòng)面上的剪切應(yīng)力和正應(yīng)力，以評(píng)估土體的穩(wěn)定性。

2.3.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型

地鐵車站結(jié)構(gòu)的響應(yīng)分析通常采用有限元模型。有限元模型可以考慮土體和結(jié)構(gòu)之間的相互作用，用于預(yù)測(cè)地鐵車站結(jié)構(gòu)在特定土體應(yīng)力和外部荷載作用下的響應(yīng)行為。通過建立合適的有限元模型，可以模擬地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布和穩(wěn)定性等響應(yīng)。

綜合上述內(nèi)容，深基坑施工對(duì)土壓力、地層穩(wěn)定性的影響機(jī)理需要考慮土體壓力變化和地層穩(wěn)定性的變化。同時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)對(duì)外部環(huán)境變化的響應(yīng)可以通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和振動(dòng)響應(yīng)分析進(jìn)行研究。適用的數(shù)學(xué)模型包括土壓力和地層穩(wěn)定性模型以及結(jié)構(gòu)響應(yīng)模型，這些模型可以用于預(yù)測(cè)和評(píng)估深基坑施工對(duì)地鐵車站和土體的影響[2]。

3 數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 模型建立和參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)值模擬前，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確反映地鐵車站和深基坑系統(tǒng)的數(shù)值模型，并設(shè)置合適的參數(shù)。

3.1.1 地鐵車站模型建立

為了建立準(zhǔn)確的地鐵車站模型，需要考慮以下方面：①詳細(xì)描述地鐵車站的幾何形狀和結(jié)構(gòu)布局，包括站臺(tái)、站廳、軌道、扶梯以及其他相關(guān)構(gòu)件；②將地鐵車站劃分為適當(dāng)?shù)膯卧騾^(qū)域，以便進(jìn)行模擬和分析。例如，可以將車站劃分為上部結(jié)構(gòu)、地基和地下水等區(qū)域；③選擇合適的建模工具，如三維建模軟件或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，以便準(zhǔn)確地建立地鐵車站的幾何模型。

3.1.2 深基坑模型建立

深基坑模型的建立需要考慮以下因素：①根據(jù)深基坑的設(shè)計(jì)圖紙和施工方案，準(zhǔn)確描述深基坑的幾何形狀和尺寸，包括基坑的開挖深度、形狀以及支護(hù)結(jié)構(gòu)等；②將深基坑劃分為適當(dāng)?shù)膯卧騾^(qū)域，以便進(jìn)行模擬和分析。例如，可以將基坑劃分為開挖區(qū)域、支護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域和周邊土體區(qū)域；③選擇合適的建模工具，如三維建模軟件或計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，以便準(zhǔn)確地建立深基坑的幾何模型。

3.1.3 材料參數(shù)設(shè)置

為了準(zhǔn)確地模擬地鐵車站和深基坑系統(tǒng)的行為，需要設(shè)置適當(dāng)?shù)牟牧蠀?shù)，包括但不限于以下內(nèi)容：①地鐵車站材料參數(shù)：確定地鐵車站結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的材料特性，如混凝土、鋼材等的彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等；②地鐵車站土體參數(shù)：根據(jù)實(shí)際情況和土壤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置地鐵車站所在區(qū)域的土體參數(shù)，如土的彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等；③深基坑支護(hù)材料參數(shù)：根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的材料特性，設(shè)置支護(hù)材料的彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等；④深基坑土體參數(shù)：根據(jù)實(shí)際情況和土壤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)置深基坑周圍土體的參數(shù)，如土的彈性模量、泊松比、抗剪強(qiáng)度等。通過合理設(shè)置模型和參數(shù)，可以確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，從而更好地研究深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的影響[3]。

3.2 深基坑近接施工模擬

在模擬深基坑近接施工時(shí)，可以采用數(shù)值分析方法，如有限元方法，來模擬土體的變形和結(jié)構(gòu)的受力情況。①設(shè)定施工步驟和時(shí)間序列：根據(jù)實(shí)際施工方案，確定深基坑的開挖過程、支護(hù)安裝過程等施工步驟，并設(shè)置時(shí)間序列來模擬施工的逐步進(jìn)行。②地鐵車站土體模型建立：將地鐵車站所在的土體區(qū)域建立為有限元模型，考慮地鐵車站的土體-結(jié)構(gòu)相互作用。③深基坑施工模擬：根據(jù)施工步驟和時(shí)間序列，進(jìn)行深基坑的開挖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝模擬，包括土體的變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力等。④考慮施工階段的不同：對(duì)于不同的施工階段，可以采用不同的邊界條件和加載方式，以模擬實(shí)際施工的變化過程。

3.3 地鐵車站結(jié)構(gòu)響應(yīng)模擬

為了評(píng)估深基坑近接施工對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響，可以進(jìn)行地鐵車站結(jié)構(gòu)的響應(yīng)模擬，以分析其變形、應(yīng)力和穩(wěn)定性。①結(jié)構(gòu)模型建立：將地鐵車站結(jié)構(gòu)部分建立為有限元模型，考慮結(jié)構(gòu)的幾何形狀和材料特性。②邊界條件設(shè)置：根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置地鐵車站結(jié)構(gòu)模型的邊界條件，包括地鐵車站與土體的約束、荷載施加方式等。③施加載荷模擬：考慮地鐵車站運(yùn)營期間的動(dòng)態(tài)荷載，模擬列車通過、人流荷載等的作用。④結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析：通過數(shù)值模擬方法，計(jì)算地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力分布和穩(wěn)定性情況。⑤結(jié)果分析和評(píng)估：對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，評(píng)估深基坑近接施工對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，確定可能存在的問題和潛在風(fēng)險(xiǎn)。

4 深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的評(píng)估

4.1 結(jié)合數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估

為了全面評(píng)估深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的影響，應(yīng)綜合利用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，以驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，并得出更可靠的評(píng)估結(jié)論。數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比：將數(shù)值模擬得到的地鐵車站結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布等結(jié)果與實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。比較兩者之間的一致性和差異，分析差異的原因，并判斷數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。敏感性分析：通過對(duì)數(shù)值模擬模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，評(píng)估不同參數(shù)對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響程度。例如，調(diào)整土體的彈性模量、支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度等參數(shù)，觀察其對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性評(píng)估結(jié)果的影響[4]。

4.2 評(píng)估指標(biāo)和方法

在評(píng)估深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的影響時(shí)，可采用以下評(píng)估指標(biāo)和方法，以綜合評(píng)估地鐵車站的穩(wěn)定性和安全性。

結(jié)構(gòu)變形評(píng)估：通過數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，評(píng)估地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形情況。可以使用指標(biāo)如最大變形量、變形速率等來評(píng)估結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，可以根據(jù)變形的分布情況，判斷是否出現(xiàn)局部破壞或不均勻沉降等問題。

應(yīng)力分析：通過數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，評(píng)估地鐵車站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況?？梢允褂弥笜?biāo)如最大應(yīng)力、應(yīng)力集中程度等來評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性。同時(shí)，根據(jù)應(yīng)力的分布情況，判斷是否存在過大的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

穩(wěn)定性評(píng)估：綜合考慮結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布等因素，對(duì)地鐵車站的整體穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估?？梢允褂弥笜?biāo)如安全系數(shù)、穩(wěn)定性指數(shù)等來評(píng)估結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況，考慮地鐵車站的安全儲(chǔ)備能力和運(yùn)營要求，判斷結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是否滿足要求。

5 應(yīng)對(duì)措施和管理策略

5.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理

深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性可能帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。為了有效管理風(fēng)險(xiǎn)并采取適當(dāng)?shù)拇胧?，以下是一些專業(yè)具體的建議：

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：通過綜合分析數(shù)值模擬結(jié)果、實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。考慮施工過程中的不確定性和可能發(fā)生的不良事件，如土體塌陷、結(jié)構(gòu)破壞等，以及對(duì)車站運(yùn)營和乘客安全帶來的潛在威脅。

風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃：制定詳細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃，包括明確風(fēng)險(xiǎn)管理的目標(biāo)、策略和措施，確定風(fēng)險(xiǎn)管理的責(zé)任分工和時(shí)間計(jì)劃。建立風(fēng)險(xiǎn)管理團(tuán)隊(duì)，包括相關(guān)專業(yè)人員和利益相關(guān)方，確保有效的溝通和協(xié)調(diào)。

風(fēng)險(xiǎn)控制措施：根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，如優(yōu)化施工方法、加強(qiáng)地下水管理、合理調(diào)整施工時(shí)間等。同時(shí)，制定應(yīng)急預(yù)案和災(zāi)害管理措施，以應(yīng)對(duì)意外事件和緊急情況。

5.2 結(jié)構(gòu)加固和支護(hù)設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)地鐵車站結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抵抗深基坑近接施工的影響，可采取以下專業(yè)具體的結(jié)構(gòu)加固和支護(hù)設(shè)計(jì)措施：

支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：根據(jù)地質(zhì)條件、基坑尺寸和施工階段，設(shè)計(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如鋼支撐、土釘墻、混凝土攪拌樁等?？紤]支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，確保其能夠有效地抵抗土體的變形和承載荷載。

加固措施：根據(jù)地鐵車站結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，采取加固措施來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。例如，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，如增加梁柱鋼筋、加固節(jié)點(diǎn)、加厚墻體等。還可以考慮在地鐵車站周圍設(shè)置加固構(gòu)筑物，如加固板樁墻、加固鋼筋混凝土墻等。

監(jiān)測(cè)與調(diào)控：在施工和運(yùn)營期間，建立結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布、振動(dòng)等參數(shù)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化，及時(shí)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)和加固措施，以保持地鐵車站的穩(wěn)定性。

5.3 監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵車站的穩(wěn)定性和及時(shí)預(yù)警可能的風(fēng)險(xiǎn)，可采取以下專業(yè)具體的監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)措施：

監(jiān)測(cè)設(shè)備選擇：根據(jù)地鐵車站的特點(diǎn)和可能出現(xiàn)的問題，選擇合適的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括變形測(cè)量儀器、位移傳感器、壓力計(jì)、振動(dòng)傳感器等。確保監(jiān)測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性。

監(jiān)測(cè)方案制定：制定詳細(xì)的監(jiān)測(cè)方案，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置、監(jiān)測(cè)頻率、數(shù)據(jù)采集和傳輸方式等?？紤]到深基坑近接施工的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)、地基和周邊土體的監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)分析與預(yù)警：建立專業(yè)的數(shù)據(jù)分析和預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。設(shè)置閾值和預(yù)警準(zhǔn)則，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)警范圍，及時(shí)發(fā)出預(yù)警并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理、結(jié)構(gòu)加固和支護(hù)設(shè)計(jì)，以及監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)，可以全面提升地鐵車站的穩(wěn)定性和安全性，并及時(shí)應(yīng)對(duì)深基坑近接施工可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)[5]。

6 結(jié)語

本研究深入研究了深基坑近接施工對(duì)地鐵車站穩(wěn)定性的影響機(jī)理，并從數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的角度進(jìn)行了全面評(píng)估。研究結(jié)果表明，深基坑施工引起的土壓力變化和地層穩(wěn)定性改變對(duì)地鐵車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。結(jié)合數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)估，揭示了深基坑施工對(duì)地鐵車站的影響程度和潛在風(fēng)險(xiǎn)，并提出了相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)和管理策略?；谘芯拷Y(jié)果，強(qiáng)調(diào)了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理的重要性，包括加固地鐵車站結(jié)構(gòu)、合理控制土體變形和應(yīng)力變化、建立監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)等。這些措施可以最大程度地減小深基坑施工對(duì)地鐵車站的不利影響，確保地鐵車站的穩(wěn)定運(yùn)營和乘客的安全。進(jìn)一步的研究可以側(cè)重于深入理解深基坑施工對(duì)地鐵車站的影響機(jī)制，并優(yōu)化相關(guān)的管理策略，以滿足城市地鐵系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展需求。