深基坑開挖對(duì)鄰側(cè)地鐵隧道及車站的影響研究★

賈瑞晨 甄精蓮

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 概述

我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶動(dòng)了城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快。經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口快速集聚使大城市不得不由原始地表空間開發(fā)轉(zhuǎn)化為城市地下空間的開發(fā)。對(duì)于地下空間的開發(fā)過程中不可避免的會(huì)引起原始土層的變化，土層變化又會(huì)進(jìn)一步對(duì)周邊建筑物和公共設(shè)施產(chǎn)生影響。其中，地下空間的開發(fā)會(huì)對(duì)開發(fā)地域周邊地區(qū)的地鐵隧道和車站產(chǎn)生影響。

在目前的建設(shè)實(shí)踐中，基坑工程開挖過程中由于土層結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變以及施工難度大等特點(diǎn)，因此在地下空間開發(fā)的過程中對(duì)周邊設(shè)施的影響也具有不確定性，且對(duì)產(chǎn)生的影響控制方面難度較大。施工過程中對(duì)周邊地鐵隧道以及車站的影響程度的大小會(huì)受到多種因素的影響。首先，基坑挖掘的面積大小是產(chǎn)生影響大小的重要影響因素。如果基坑開挖的面積過大，對(duì)周邊地鐵設(shè)施和車站的影響也會(huì)加大，兩者呈現(xiàn)正比例相關(guān)。其次，基坑的挖掘方式也在一定程度上決定了對(duì)周邊環(huán)境的影響大小。如果基坑挖掘方式較為先進(jìn)，則可以有效控制對(duì)周邊地鐵隧道以及車站的影響。最后，基坑挖掘過程中采用的機(jī)械設(shè)備、基坑本身的原始結(jié)構(gòu)也會(huì)對(duì)影響的程度產(chǎn)生作用。目前，理論界和施工實(shí)踐過程中在工程開挖以前都會(huì)對(duì)工程對(duì)周邊環(huán)境的影響進(jìn)行分析和論證。但是從數(shù)據(jù)層面、理論層面進(jìn)行的分析又與實(shí)際施工情況有所差距，因此理論計(jì)算的數(shù)值在施工過程中會(huì)出現(xiàn)偏差，這種偏差需要保持在合理范圍內(nèi)，如果超出合理范圍，就會(huì)使工程施工對(duì)周邊的影響不可控，會(huì)危害基坑周邊地鐵隧道以及車站運(yùn)營的安全性和穩(wěn)定性。

2 深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道及車站影響實(shí)證分析

2.1 工程基本情況

該施工場(chǎng)所地理位置位于我國華北地區(qū)，地形為平原，土壤情況為粉砂和粉質(zhì)黏土。該地下工程開發(fā)深度為地下3層，挖掘深度15 m。該施工場(chǎng)地與地鐵運(yùn)行線路上的車站距離很近，基本處于相互連接的狀態(tài)。在地鐵車站狀況方面，車站同樣為地下3層的結(jié)構(gòu)，主體建筑材料為鋼筋混凝土，目前相鄰的地鐵線路已經(jīng)投入運(yùn)營，因此，在該地下空間開發(fā)工程中必須考慮對(duì)該地鐵線路以及沿線地鐵車站的影響。

2.2 深基坑開挖后地鐵隧道及車站的形變分析

2.2.1基坑地連墻形變

為了最大限度的避免該工程對(duì)周邊地鐵設(shè)施造成不利影響，因此產(chǎn)生了多種規(guī)避影響的施工方案，并最終選取了一種影響最小，可行性最高的方案進(jìn)行施工。在施工過程中，隨著挖掘深度的不斷增加，基坑地連墻受到的影響也逐漸顯現(xiàn)，具體表現(xiàn)為其形變不斷加大。隨著挖掘深度的繼續(xù)增加，直至挖掘工作進(jìn)行到坑底時(shí)，西側(cè)最大的形變水平位移數(shù)值為29.54 mm，東側(cè)最大的形變水平移動(dòng)距離為30.81 mm。用該種方案與其他兩種方案進(jìn)行對(duì)比，通過分析可以得出無論哪一種施工方案其兩側(cè)水平距離位移數(shù)值均為30 mm左右。因此，運(yùn)用該方案進(jìn)行挖掘施工是有理論依據(jù)并符合現(xiàn)實(shí)條件的。

2.2.2車站水平形變

在進(jìn)行理論測(cè)算過程中，工程人員為了使計(jì)算模型更加簡(jiǎn)化，將地鐵沿線車站外墻與其圍護(hù)設(shè)備進(jìn)行合并計(jì)算。實(shí)質(zhì)上就是將地鐵車站的圍墻實(shí)質(zhì)上看作周邊圍護(hù)設(shè)備的其中一部分。經(jīng)過測(cè)算分析，得出了隨著基坑開挖進(jìn)程和深度的變化對(duì)地鐵沿線車站外墻形變的影響情況。在基坑開挖深度到達(dá)地下5 m時(shí)，水平形變量保持在10 mm以內(nèi)。當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到10 m～15 m時(shí)，地鐵車站周邊的水平形變處于10 mm～14 mm之間。當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到15 m之后時(shí)，周邊外墻的形變量逐漸回落，最終保持在6 mm以內(nèi)。通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析可以得知，當(dāng)基坑挖掘工作處于前中期階段時(shí)，對(duì)周圍設(shè)備和建筑的影響逐漸加大，但是當(dāng)基坑挖掘工作推進(jìn)到中后期時(shí)，對(duì)周邊設(shè)備和建筑的影響程度又會(huì)逐漸回落。

2.2.3隧道變形分析

1)最大形變。

在研究地下空間開發(fā)對(duì)鄰近隧道線路的影響時(shí)，首先必須對(duì)隧道形變的最大形變量進(jìn)行觀察和分析。在地鐵設(shè)備建設(shè)和維護(hù)方面，國家出臺(tái)了相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)地鐵軌道安全形變進(jìn)行了相應(yīng)的要求。在該項(xiàng)目建設(shè)的過程中，對(duì)周邊地鐵線路的形變量都做到了有效控制，將其形變控制在了可控范圍內(nèi)。根據(jù)相關(guān)技術(shù)要求，地鐵線路的沉降形變要求為水平范圍內(nèi)3 mm～5 mm，沉降要求為3 mm～10 mm。通過對(duì)該工程技術(shù)方案的分析可以得知，該項(xiàng)目施工對(duì)地鐵隧道的水平形變影響為2.98 mm，沉降位移數(shù)值為3.1 mm，上述兩個(gè)技術(shù)數(shù)值都符合相關(guān)技術(shù)要求，且數(shù)值較低。

2)對(duì)稱及非對(duì)稱施工位移分析。

基于本工程中深基坑和地鐵隧道相對(duì)位置也產(chǎn)生了兩種深挖方式。本工程中，地鐵隧道將深基坑貫穿，將其分為了東西兩個(gè)部分。在施工的過程中，有兩種挖掘方式，其一是對(duì)稱挖掘方式；其二是非對(duì)稱挖掘方式。隨著地下空間挖掘工程的不斷推進(jìn)，對(duì)稱挖掘和非對(duì)稱挖掘兩種施工方式會(huì)產(chǎn)生不同的影響和效果。具體而言，在對(duì)稱挖掘的施工方式中，隨著挖掘進(jìn)程的不斷推進(jìn)，東西兩側(cè)的形變值從0.5 mm逐漸達(dá)到3.5 mm，其中工程西側(cè)地鐵線路的形變量略微大于施工范圍東側(cè)地鐵線路的形變值。在非對(duì)稱開挖的施工方案中，經(jīng)過計(jì)算可以得知，東西兩側(cè)形變量遠(yuǎn)大于對(duì)稱施工。非對(duì)稱施工的方案中兩側(cè)最大形變量可達(dá)7 mm。因此，通過上述分析，可以得知在地下空間開發(fā)中深基坑施工過程中采用對(duì)稱施工的方式對(duì)周邊地鐵線路的形變控制更為有利。

深基坑的挖掘工作會(huì)導(dǎo)致隧道兩側(cè)方位產(chǎn)生卸荷現(xiàn)象，但是縱向載荷情況不會(huì)發(fā)生變化，在縱深挖掘的過程中相臨近的地鐵隧道會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生水平方向向兩側(cè)拉伸，但是在縱向上卻產(chǎn)生壓縮現(xiàn)象。在挖掘的過程中，東側(cè)基坑在挖掘至設(shè)計(jì)最大深度時(shí)形變到達(dá)最大程度，但是地鐵隧道的西側(cè)開挖面積相較于東側(cè)而言較大，所以最終的形變表現(xiàn)為向西側(cè)的形變。

3 基于工程施工實(shí)踐得出的經(jīng)驗(yàn)與結(jié)論

1)在對(duì)稱開挖和非對(duì)稱開挖的選擇中，需要在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上做到科學(xué)合理，使形變量縮小至最低水準(zhǔn)。經(jīng)過上述工程建設(shè)實(shí)踐可以看出，如果可能采取對(duì)稱開挖的方式進(jìn)行施工則需要盡可能的采取對(duì)稱開挖的方式，如果采用非對(duì)稱開挖的方式則需要通過其他方式保證對(duì)周圍的影響控制在合理的范圍之內(nèi)。

2)在上述的工程建設(shè)的過程中，有多種建設(shè)方案，最終基于數(shù)值計(jì)算結(jié)果選取了最為合理的施工工程方案。通過對(duì)多種方案進(jìn)行幾個(gè)維度的對(duì)比，得出深基坑挖掘過程中采用不同的挖掘順序?qū)κ┕さ貐^(qū)周邊的地鐵隧道的縱向位移以及形變程度影響不大。

3)在選擇非對(duì)稱施工的工程建設(shè)過程中，施工區(qū)域周邊地鐵隧道位移和影響往往在一側(cè)的深基坑挖掘至最深時(shí)周邊地鐵設(shè)施的形變量達(dá)到最大程度。但是這種單側(cè)的形變會(huì)逐漸隨著深基坑另一側(cè)挖掘工作的推進(jìn)，另一側(cè)的形變程度會(huì)逐漸降低。因此，在選擇非對(duì)稱深基坑挖掘建設(shè)時(shí)，在挖掘其中一側(cè)時(shí)要加強(qiáng)對(duì)周邊設(shè)施形變和影響程度進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)，保證周邊設(shè)施的安全和穩(wěn)定性。