臨近既有地鐵隧道的軟土基坑工程安全風險分析

張雄健 周德春 周利偉 任輝 俞嘉彬

浙江華東測繪與工程安全技術有限公司 浙江 杭州 310014

1 前言

根據統計，我國城市的軌道交通正逐步進入建設與運營并重的發展階段[1]。隨著城市發展，在地鐵保護范圍內進行基坑開挖等情況越來越多。基坑施工會引起周邊土體變形，從而對周邊土體內的地鐵設施產生影響，特別是在沿海軟土地區，地層壓縮性和靈敏度高，施工擾動更為顯著。臨近既有地鐵設施受擾動影響輕則引起結構變形開裂，降低結構服役性能；重則直接影響地鐵運營，導致運營事故。因此，臨近既有地鐵設施施工正成為城市建設安全的重要問題。

國家安全生產法、建設工程安全管理條例等文件均要求參建各方制定建立健全風險防范化解機制，確保安全生產。《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》（GB50652-2011）針對軌道交通地下工程風險管理建立一套風險界定、風險辨識、風險估計、風險評價與風險控制的體系流程。此外，許多學者和工程師也對臨近地鐵隧道設施影響因素及評估方法開展研究。魏綱等[2]采用理論分析法推導基坑開挖引起臨近地鐵隧道附加應力的計算公式。張立明[3]等基于基坑施工監測數據分析軟土深基坑對臨近地鐵結構的影響具有明顯的時空效應，基坑分期實施可有效控制臨近地鐵結構位移。馬紅峰[4]以某基坑臨近南昌地鐵4號線區間隧道為例，采用三維有限元軟件模擬基坑開挖對隧道結構、周邊土體等變形影響。本文以沿海城市某基坑臨近既有地鐵區間隧道為例，通過風險辨識、數值模擬分析基坑自身及臨近既有隧道的風險，并根據分析結果制定風險預控措施。

2 工程概況

某項目基坑北側距既有地鐵成型盾構隧道外邊線約26.7m，部分位于地鐵保護區范圍內。基坑尺寸約為249m×165m，挖深9.3m，采用分坑法分為三期開挖。鄰近地鐵隧道一側為一期基坑，細分為三個小坑施工。遠離隧道側為二期基坑。一期基坑圍護結構為Φ1000@1200鉆孔灌注樁，樁長約34m；支撐體系為第一道鋼筋砼支撐，第二道組合型鋼支撐，樁外采用650mm厚TRD攪拌墻止水，墻趾深約24m。

影響范圍內區間為盾構隧道，外徑6.2 m，內徑5.5m，環寬1.2m。管片為C50砼，采用錯縫拼裝，環塊以彎螺栓連接。隧道頂埋深約12.45～16.8m，設計里程K17+839.6～K18+188.3，不涉及聯絡通道及泵站。

圖1 平面位置關系圖

圖2 剖面位置關系圖

場地勘察深度范圍內涉及土層主要為第四系沉積地層，包括填土、砂質粉土、黏土、粉砂、圓礫等地層，地層物理力學參數見表1。其中基坑開挖主要涉及填土、粘質粉土、砂質粉土地層，基坑坑底處于2-4層砂質粉土中，TRD止水帷幕位于3層淤泥質黏土地層，鉆孔灌注樁樁底位于5-1層粉質黏土層。既有地鐵隧道位于3層淤泥質黏土。地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于前部粉土、粉砂中，富水性貧乏，屬弱透水層。

表1 土層物理力學指標

3 工程風險辨識

風險辨識是工程建設管理的基礎和前提，全面、系統地各類對完成風險辨識是工程建設管理的基礎和前提。本項目的安全風險分析對象主要是擬建項目基坑本體及對周邊環境的影響。風險主要分為兩大塊，一是擬建項目基坑的自身風險，二是其建設對周邊環境的影響，尤其是對既有地鐵設施的影響。基坑工程自身的穩定是保證工程安全的關鍵，影響工程基坑工程風險因素眾多。本文根據工程建設的時序劃分風險單元，工程風險主要發生在規劃設計與施工階段，規劃設計階段風險包括設計條件適用性風險、設計方案可靠性風險；施工階段風險包括施工管理風險、施工作業風險、監測監控風險。

此外，在保證基坑穩定的基礎上，基坑開挖對周邊環境的變形控制是工程安全管理的另一個重要目標，而基坑開挖的時空效應是影響變形的重要因素。基坑空間效應包括開挖尺寸、基坑形狀和開挖方式順序三大類[5]。在施工過程中分層、分段開挖可以充分利用基坑支護的空間效應，控制基坑圍護結構變形；吳才德等[6]研究臨近隧道基坑開挖的空間效應改變影響，認為隧道變形臨近基坑開挖面積的增加而非線性遞增，采用分隔墻與分坑措施有利于控制臨近隧道變形。基坑時間效應是由于軟土地基中基坑開挖卸荷所致，土體在相對穩定的狀態下隨暴露時間的延長而不可避免地產生移動，特別是在坑底以下墻內被動區額墻底以下土體滑動面等剪應力較大的部位，都會因為坑底暴露時間過長而產生位移，進而引起周邊地層變形。特別要注意基坑開挖至每道支撐設計深度后，如支撐安裝滯后將明顯增加圍護結構變形和相應的地表沉降；開挖至坑底標高后，如不及時澆筑好墊層底邊，使基坑長時間暴露，因軟土的流變特性亦會增大墻體被動壓力區的土體位移和墻外土體向坑內的位移。風險辨識結果見表2

表2 項目風險辨識統計表

4 數值模擬分析

本文采用PLAXIS 3D軟件模擬計算。為確保分析結果不受邊界約束的影響，模型的X方向（平行于軌道交通走向）取410m，Y方向（垂直于軌道交通走向）取330m，Z方向（厚度方向）取50m。

模型參數方面，巖土體單元采用小應變硬化土本構模型，可同時考慮剪切硬化與壓縮硬化，采用摩爾庫倫破壞準則，更適用于模擬基坑開挖的變形性狀。結構單元采用彈性本構模型。

模擬工況根據各建設內容先后順序進行，主要為：初始地應力（位移清零）、既有地鐵隧道激活（位移清零）、基坑圍護結構施工、各分坑第一層土開挖、第一道混凝土支撐施做、左右分坑土開挖及支撐架設、左右分坑結構回筑及拆撐、中間分坑土方開挖及支撐架設、中間分坑結構回筑及拆撐。

圖3 有限元模型構建

根據數值計算，基坑左右分坑開挖，圍護結構水平位移19.8mm，區間右線隧道水平位移為-1.9mm，豎向位移為-0.7mm，左線隧道水平位移-1.1mm，豎向位移為-0.4mm。中間分坑施工后，基坑圍護結構水平位移為20.1mm，區間右線隧道結構水平位移為-2.1mm，豎向位移為-0.8mm，左線隧道水平位移-1.2mm，豎向位移為-1.2mm。由計算結果可知，基坑施工對既有地鐵隧道的影響滿足規范[7]控制標準的要求。具體計算結果見表2。

表2 計算結果匯總表

5 風險預控措施

考慮到施工過程中的風險因素，為確保項目基坑自身穩定以及既有地鐵設施的受力和變形，保證地鐵安全運行，從設計、施工以及項目管理等方面采取措施控制風險。

設計方面需明確基坑開挖前進行試驗降水，期間密切關注近地鐵側水位變化，確保止水可靠性；明確基坑分坑分區措施，采取跳挖的施工方法，控制臨近地鐵一側土方沿圍護方向一次性開挖長度，減少對盾構隧道的影響。

施工方面，在施工前需復核地質條件、地鐵設施和管線位置，避免因定位問題導致既有地鐵隧道損傷。圍護結構施工階段需合理控制TRD等圍護樁的施工參數，后面施工參數根據前期監測數據進行優化，以降低圍護施工對既有地鐵隧道的影響。土方開挖階段需按照設計要求分層、分塊開挖，關注止水帷幕接縫處施工質量和止水效果，發現滲漏及時采取相應措施；同時合理規劃現場場地布置，合理規劃材料對方和機械行駛路線，嚴禁從臨近隧道上方進出和堆放材料，控制既有地鐵隧道的上部荷載；開挖見底以后及時組織人力進行墊層和底板澆筑，減少基坑無支撐暴露時間。拆撐階段，臨近地鐵側支撐需采用靜力切割，減少振動對地鐵的影響。

項目管理方面，首先需建立信息化動態管控機制，制定地鐵保護專項監測方案，加強監控量測，根據監測數據動態評估工程安全狀態，及時調整施工方案；其次制定建設、設計、施工、監測、評估以及地鐵管理部門等單位的聯動機制，協調好各方力量保證工程安全；最后制定完善的應急預案，落實人力、物資與資金配置。

6 結論

本文以沿海城市某臨近既有地鐵隧道的軟土基坑為例，按照風險辨識、定量模擬評估、風險預控管理路線對基坑自身以及臨近的地鐵隧道風險進行分析，并結合風險特點從設計、施工和項目管理三個方面提供了風險預控措施建議。基坑實施對既有隧道的影響大小。

（1）基坑臨近開挖后導致地層卸荷變形，引起臨近既有隧道結構產生變形。基坑工程風險貫穿設計與施工全過程，主要包括設計條件適合性、設計方案可靠性、施工作業風險、施工管理風險以及監測監控風險幾個方面。

（2）根據數值分析結果，在規范施工的條件下基坑自身變形以及對臨近既有隧道的影響均在規范控制范圍內。其中基坑開挖對隧道結構變形影響主要集中于一期左、右分坑開挖期間發生，占累計變形的80%以上；一期中間分坑以及二期基坑開挖引起變形相對較小。

（3）為確保項目自身與臨近既有地鐵安全，現場實施期間應加強基坑降水、圍護結構施工參數、土方開挖、工程荷載、無支撐暴露時間等因素的控制，建立信息化監控、多方聯動和預警預案管理等措施。