復雜周邊環境下地鐵車站深基坑施工全過程風險分析

馬志強

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

0 引言

地鐵區間的施工主要在地下封閉空間進行，一般對周邊影響較小，而地鐵車站規模相對較大，且往往處于人口密集和商業聚集區域，施工場地狹小，周邊環境復雜，對施工方案的選擇以及施工過程的風險管理要求也相對較高。基坑工程是包含開挖、支護、降水等復雜的系統工程，是車站建設過程中最易出現事故的分部工程，車站建設的工程事故大多來自與基坑施工階段，而基坑的開挖和圍護結構的受力和變形是影響基坑安全性的重要因素，因此越來越多的學者對基坑施工和使用過程中的受力、變形特征進行研究。如馬贊［1］以南京五塘廣場站工程為例研究了車站深基坑的開挖技術，并提出相應的保障措施；李強等［2］研究了蓋挖車站的深基坑的開挖方法；杜毅等［3］以長沙地鐵 5 號線華雅站施工為背景，計算分析了基坑的穩定性，優化了開挖施工技術；張壯等［4］分析了土巖復合地層深基坑變形時空效應及其變形模式；劉念武等［5］研究了厚軟黏土地區地鐵車站深基坑及其鄰近建筑物的變形特征。自 2005 年全國地鐵與地下工程技術風險管理學術研討會在北京召開以來，大量的學者對地鐵風險識別、決策、評估及控制等的理論和實踐進行了深入研究，如丁列云等［6］研究了復雜條件下的地鐵施工安全風險的識別，錢七虎等［7，8］通過風險分析 TOPSIS 方法、海恩安全法則等的研究提出安全風險管理應貫穿整個工程周期。因此近年來，雖然地鐵工程大量增加，車站施工環境日益復雜，但工程事故并未呈現增加的趨勢，事故的傷亡數反而呈下降趨勢，可見這些研究成果的應用取得了較為明顯的效果。

洛陽地鐵 1 號線武漢路地鐵站（下文簡稱“武漢路站”）為地下 3 層島式車站，位于城市交通要道上，地下管線多，周邊大量的居民住宅，且鄰近國家歷史保護建筑物，是典型的施工空間狹小、周邊環境復雜的車站。基坑的設計和施工不僅關系到自身的安全，還關系到周邊建筑物的安全。本文通過對武漢路地鐵站深基坑設計方案和工程風險的研究，確保施工過程的安全，也為其他相似工程的建設提供參考。

1 工程概況

武漢路站位于武漢路與景華路交叉口，車站周邊建筑密集，且多為住宅小區。車站東北象限為“澗西蘇氏建筑群二號街坊”，該建筑屬于國家重點文物保護建筑。本站為地下 3 層島式站臺車站，車站主體結構采用雙柱三跨鋼筋混凝土箱型框架結構。站臺寬 13.0 m，車站結構標準段寬 21.9 m，全長 160.9 m（見圖 1）。

圖1 武漢路站周邊環境平面圖

武漢路站位于洛河二級階地，車站土層從上至下依次為雜填土、黃土狀粉質黏土、黃土狀粉土、粉土、粉質黏土、卵石、泥巖。車站底板埋深 25～27.7 m，位于卵石層中。地下水位埋深 17.1～19.8 m，位于車站結構中二板位置，在標準段基坑底以上約 10 m。車站地下降水深 11～13 m，基坑降水量大，降水對周邊環境影響較大。地下管線密集，管線種類復雜，包括高壓電線、燃氣、污水、雨水、給水管等 26 條管線，且周邊空間狹小，沒有足夠的空間用于管線的臨時改遷。

2 基坑設計

2.1 車站選型

車站周邊管線密集，主要沿武漢路方向兩側布置，車站側墻外邊線與周邊建筑的最近距離 3 m，車站施工影響范圍內管線不具備完全遷出坑外的條件，且縱向管線不具備懸吊保護條件。因此，常規的全明挖及半蓋挖順做工法均不適用于本工程，車站主體采用半幅頂板蓋挖半逆做法施工，西側半幅頂板作為管線改遷及主體結構施工場地（見圖 2）。

圖2 基坑標準段圍護結構示意圖（單位：mm）

2.2 圍護結構設計

地下連續墻具有造價高，成槽相對困難，泥漿護壁要求高，施工工期長的缺點。但其具有剛度大，整體性好，變形控制效果好，對周邊建筑物及文物的保護效果較好的優點。武漢路站基坑底分布有泥巖，采用地下連續墻作為落底式帷幕，止水效果好，配合坑內降水，能保證降水效果，且能降低降水對周邊環境的影響。因此綜合考慮，采用地下連續墻+坑內降水的方案。圍護結構采用 1 000 mm 厚的地下連續墻 +4 道支撐，墻高 38.0 m，墻底進入泥巖層≥1 m，為了保證支護系統的剛度和穩定性，第一道橫支撐采用截面為700 mm×900 mm 的混凝土支撐，間距為 9 m，第二、四道鋼支撐采用φ609 mm×16 mm 鋼管，間距 3 m；第三道支撐采用φ800 mm×16 mm 鋼管，間距 3 m（見圖 2）。

2.3 逆做頂板設計

逆做頂板淺基坑深度約 4.5～5.5 m，逆做頂板靠基坑外側通過設置倒“L”形逆做頂板，利用既有地下連續墻作為逆做頂板基坑擋土結構，避免基坑外側施做另外的擋土結構；逆做頂板靠基坑內側采用 1∶1 放坡開挖（見圖 3）。臨時頂板一方面作為施工過程中行人和機械的通道，另一方面作為管線改遷的場地。

圖3 逆做頂板示意圖

2.4 基坑開挖方案

本站土方開挖根據車站結構施工需要，共分為 8 個施工段，施工段土方開挖還需分層進行，武漢路站基坑標準段平均深度約為 25 m，整個基坑部分均分 11 層開挖。本站土方采用兩個工作面同時向中間開挖，基坑內土方采用挖機倒運，坡度控制在 1∶2。

3 施工風險分析

3.1 風險事件及風險因素識別

風險事件和風險因素的識別是風險分析成敗的關鍵，基于基坑的設計方案以及施工環境，結合以往地鐵站深基坑常出現的安全事故，將武漢路站深基坑的風險分解為周邊管線破壞風險、一般建筑物破壞風險、歷史建筑物破壞風險、地連墻槽壁坍塌風險、蓋板臨時通道破壞風險、圍護結構滲流風險、基坑滑移坍塌風險、管涌流砂風險、支撐失穩風險以及其他風險等十大風險事件。而每一個風險事件又有多個風險因素造成。將基坑全生命周期分為地下連續墻施工、基坑開挖和車站主體結構施工 3 個階段，則每個風險因素有可能發生在不同的階段。共識別了主要影響基坑安全的 31 個因素，并進一步分析每個因素發生的階段，限于篇幅，僅以歷史建筑物破壞風險為例說明。由于歷史保護建筑為多層砌體結構，其破壞可由施工振動和降水造成的不均勻沉降造成（見圖 4）。施工造成的振動，主要包括地連墻成槽開挖造成的振動，基坑開挖造成的振動，車站結構施工過程中臨時通道和橫撐拆除造成的振動，以及地下連續墻施工和基坑開挖過程中車輛運輸和裝卸造成的振動。降水不可避免造成周圍土體的不均勻沉降，從而造成周邊建筑物開裂、傾斜甚至坍塌等事故。

圖4 歷史建筑物破壞風險結構圖

3.2 風險分析方法選擇

層次分析法（AHP）是一種定性與定量分析相結合的系統化、層次化的評價方法。其利用較少的定量信息快速深入地解決復雜的問題，易于被施工人員掌握，非常適用于工程風險因素權重的評價。因此大量學者將層次分析法應用到工程風險管理的研究中［9-12］。本文將層次分析法運用到武漢路站深基坑全生命周期的風險分析中。

3.3 深基坑風險事件總體分析

所有風險事件的權重如表 1 所示，基坑滑移坍塌、歷史建筑物破壞的權重分別為 0.215、0.213，是所有風險事件中權重最大的兩個風險事件，兩者的權重之和達到了 0.428，是施工過程中重點防范的風險事件。周邊管線破壞風險、地連墻槽壁坍塌風險和其他風險事件權重相對較低，權重之和僅為 0.148。

表1 風險事件權重

由于歷史建筑物破壞和基坑滑移坍塌是所有風險事件中權重最高的兩個風險事件，對這兩個風險事件的風險因素做進一步分析。歷史建筑物破壞風險主要由施工振動和降水造成的不均勻沉降，權重分別為 0.378 和 0.622，因此必須嚴格控制降水造成的不均勻沉降，從而達到保護歷史建筑物的目的。基坑滑移坍塌風險因素權重如表 2 所示，橫撐的架設和拆除時機對基坑滑移坍塌影響最大，權重為 0.220；其次為橫撐強度、間距等不合理，權重為 0.170，由此可見橫撐是影響基坑滑移坍塌的主要因素，因此從橫撐的設計、架設及拆除都應重點關注。由于地下連續墻承載力比較容易保證，其承載力不足產生的基坑滑移坍塌風險較小，權重相對較低，僅為 0.061。

表2 基坑滑移坍塌風險因素權重排序

對武漢路站深基坑風險事件影響排名前 10 的風險因素如表 3 所示，這 10 個風險因素的權重之和達到了 0.699，是施工過程中重點控制的對象，降水引起不均勻沉降的權重達到了 0.187，對基坑的影響非常明顯。

表3 權重 1-10 的風險因素

3.4 各施工階段風險因素分析

基坑開挖階段風險因素的權重之和最大，權重達到了 0.475，是整個基坑工程中重點控制的階段；其次為車站主體結構施工階段，權重為 0.348；地下連續墻施工階段的權重最小，僅為 0.177（見表 4）。

表4 各施工階段風險權重

如表 5 所示，地下連續墻施工階段共有 11 個風險因素，其中接頭轉角質量差、墻身存在裂縫、鉆進速度過快或鉆頭碰撞槽壁以及施工振動是地下連續墻施工階段最主要的風險因素，這 4 個風險因素的權重之和占該階段總權重的 71.8 %。基坑開挖階段共有 27 個風險因素，表 6 中僅顯示排名前十的風險因素，其他 17 個風險因素合并成其他顯示，排名前三的風險因素為降水造成的沉降、土體滲透性強以及坑底水頭較高，這 3 個風險因素的權重之和占該階段總權重的 42.54 %。車站主體施工階段共有 15 個風險因素，表 7 中僅顯示權重排名前十的風險因素，其他 5 個風險因素合并成其他顯示，降水造成的不均勻沉降的權重較大，占該階段總權重的 32.3 %，其次為臨時通道荷載超標、橫撐架設和拆除時機不合理、臨時通道超載、以及監測反饋不及時。

表5 地下連續墻施工階段各風險因素權重

表6 基坑開挖階段各風險因素權重

表7 車站主體解結構施工階段各風險因素權重

4 結語

針對武漢路站所面臨的施工空間狹小、周邊環境復雜的實際情況，確定了基坑圍護結構的類型和開挖方案，并對施工全過程所可能存在的風險事件及各風險事件的權重比進行了研究，主要得出以下結論。

1）采用地連墻圍護結構結合半幅頂板蓋挖半逆做法施工，可以有效解決施工空間狹小和周邊環境復雜的難題。

2）歷史建筑物破壞風險主要由施工振動和降水造成的不均勻沉降，權重分別為 0.378 和 0.622，因此必須嚴格控制施工振動和降水造成的不均勻沉降，從而達到保護歷史建筑物的目的。

3）地下連續墻施工階段接頭轉角質量差、墻身存在裂縫、鉆進速度過快或鉆頭碰撞槽壁以及施工振動是地下連續墻施工階段最主要的風險因素；基坑開挖階段降水造成的沉降、土體滲透性強以及坑底水頭較高是主要的風險因素；車站主體施工階段降水造成的不均勻沉降是主要的風險因素。Q