深基坑項目軌道交通安全評估淺析
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［摘要］隨著地鐵運營線路的不斷增加，涉及地鐵保護區的項目也越來越多，地鐵保護區的安全評估和專項監測作為保障地鐵運營安全的2種手段越來越多地應用到實際工程中。以地鐵壹號城深基坑施工臨近南寧軌道交通1號線為例，對項目開展的安全評估和專項監測情況進行論述與分析，驗證安全評估的數值模擬與實際監測的符合性，也為類似工程安全評估與專項監測提供經驗。
［關鍵詞］深基坑；既有軌道交通；安全評估；專項監測
隨著城市軌道交通線網的不斷發展，深基坑臨近既有軌道交通的地鐵保護區施工項目屢見不鮮，相關標準及法律法規規定施工安全風險超過一定等級的地鐵保護區施工項目需開展安全評估和專項監測，確保地鐵結構的安全。地鐵保護區內的施工影響地鐵結構的案例已有很多，基坑開挖影響隧道結構變形是一個比較典型的案例，國內許多學者先前已對此方面有一些研究。如，一些學者以地鐵保護區內實際基坑項目為例，采用有限元分析法，通過各種數值模擬軟件進行安全評估及隧道變形預測，分析影響隧道變形的各種影響因素，并對監測數據進行規律分析與總結，驗證安全評估與監測數據的吻合性，對深基坑工程臨近地鐵施工時的保護措施提出了建議。潘棟利用實測變形數據針對地鐵結構變形的預測模型和安全評估方法進行了研究，得出了適合地鐵結構變形預測的回歸分析優化模型。趙洋等就深基坑開挖對既有地鐵結構安全的影響進行研究，通過對基坑開挖的具體影響程度、級別及安全性進行分析，并給出相應的保護措施。作為安全評估和專項監測的實例分析，旨在驗證安全評估的數值模擬與實際監測的符合性，通過論述各環節的實際執行情況，為類似項目的安全評估和監測開展提供經驗。以地鐵壹號城深基坑項目臨近南寧軌道交通1號線地鐵保護區為例，對項目開展的安全評估和專項監測進行論述和分析，驗證安全評估的數值模擬與專項監測的吻合性，也為類似工程安全評估與專項監測提供經驗借鑒。
1工程概況
地鐵壹號城項目場地位于南寧市高坡嶺路東側、佛子嶺路北側，由8棟高層住宅樓、商業和地下車庫組成。基坑周邊現況地面標高約87.000~105.000m，基坑開挖深度約6.40~24.40m。基坑支護共分為10段，周長884m，其中，AB段至FG段基坑支護結構安全等級為一級,AB段、CD段采用雙排樁支護，BC段采用排樁支護方案，DE段和FG段采用排樁支護；GH段至KA段基坑支護安全等級為二級，采用掛網放坡支護；EF段為下沉式廣場，與佛子嶺站Ⅱ號出入口預留接口，不進行支護設計。深基坑側壁圍護結構距離佛子嶺站Ⅱ號出入口結構2.632m，距離3號風亭結構4.91m，距離佛子嶺站—火車東站區間隧道結構14.157m，基坑與地鐵結構臨近的范圍超過300m，地鐵附屬結構基坑開挖深度超過10m，與地鐵結構臨近的基坑主要包括AB段、BC段、CD段、DE段及FG段，基坑開挖深度約7.4~10.4m。基坑與既有軌道交通1號線盾構隧道的平剖面位置關系如圖1所示。佛子嶺站—火車東站區間臨近基坑區域的盾構隧道覆土埋深約6~13m。場地地層巖性自上而下為第四系人工素填土、第四系殘積成因的粘土、粉質粘土、粉土及粉砂，下伏地層為古近系南湖組湖相沉積的泥巖、粉砂巖等。場地內地下水主要為賦存和運移于粉砂層中的孔隙水及局部強風化粉砂巖層中的基巖裂隙水，局部地段素填土層中也分布有少量上層滯水。管片采用C50高強混凝土，外徑6000mm，內徑5400mm，管片寬度1500mm，管片厚度300mm，錯縫拼接而成。本項目隧道內自動化及人工監測布點于2018年6月中旬完成，基坑靠近地鐵結構的圍護樁于2018年6月開始施工，2018年8月初靠近地鐵結構一側的圍護樁全部施工完成，2018年10月初靠近地鐵結構一側的基坑開挖至基底，2018年11月靠近地鐵結構一側的墊層澆筑完成，隨后進行底板及上部結構的施工。本項目隧道結構自動化監測于2019年5月中旬結束，此時壹號城項目主體結構已施工至地上3層。
2安全評估
本項目具體評估內容主要有地鐵壹號城深基坑施工引起的臨近佛子嶺站Ⅱ號出入口、3號風亭、佛子嶺站—火車東站區間盾構隧道結構變形及受力安全性影響及風險分析，地鐵壹號城深基坑施工引起的地鐵結構變形的控制指標、工程監測方案、施工安全專項方案等建議。評估范圍為受地鐵壹號城深基坑影響的地鐵結構外延50m內的區域。本評估項目主要采用數值分析法，并輔之專家評議、工程經驗類比等定性分析方法。計算模擬區域以受影響地鐵結構為中心向四周擴展。考慮到施工過程中的空間效應，三維計算分析地層–結構模型，如圖2所示。為確保三維模型有足夠的計算精度并保證計算效率，模型尺寸為沿車站和隧道方向取381m，寬度方向取293m；垂直方向上從最終路面向下共40m。計算分析模型中，地層、雙排樁支護、冠梁、系梁等均采用實體單元模擬，車站結構、II號出入口結構、3號風亭結構、隧道管片等均采用板單元模擬，結構柱采用梁單元模擬。三維模型共劃分206505個單元，115676個節點。地層計算采用摩爾庫倫模型，結構的計算采用線彈性模型。模型四周邊界約束水平方向位移，豎直方向位移自由；底部xyz方向全約束，為固定邊界條件；頂端地面為自由邊界。模擬的初始條件為地鐵隧道施工完畢，并與地層達到穩定平衡狀態，作為基坑開挖施工的初始條件。根據工程概況及相關經驗，計算分析分為以下2種工況，分別為地鐵隧道、車站及附屬結構設施工完成后的初始平衡、壹號城基坑開挖施工。模擬基坑開挖到底之后的地鐵結構水平方向的變形情況如圖3所示。根據所有計算分析結果，地鐵壹號城基坑施工完成后，佛子嶺站主體結構最大水平位移1.44mm，最大豎向位移0.265mm；Ⅱ號出入口結構最大水平位移2.36mm，最大豎向位移0.65mm；3號風亭最大水平位移2.27mm，最大豎向位移0.51mm；佛子嶺站—火車東站區間隧道結構最大水平位移2.91mm，最大豎向位移0.80mm，滿足規范控制指標要求。其他位移、應力、強度、差異沉降等指標計算結果均滿足規范中規定的隧道與軌道結構保護要求。
3專項監測
結合安全評估計算結果及施工影響情況，監測范圍為基坑對應的隧道（車站）位置，再往兩端頭各外擴30m，共計360m。左右線監測布點間距為10m，每條線各布設36個監測斷面，每個斷面布設軌道結構豎向位移自動化、隧道結構豎向位移自動化、軌道結構水平位移自動化、隧道結構水平位移自動化監測點，隧道結構凈空收斂自動化監測點及軌道幾何形位人工監測點。對影響范圍內的出入口及風亭在結構拐角處及結構變化處等重點部位布設建筑物人工監測點。此次評估僅分析和計算基坑圍護樁施工及基坑開挖至基底之后的變形情況，未考慮結構加載后的影響。結合施工情況及自動化監測數據情況，將右線隧道結構的自動化監測數據與評估結果進行對比分析。靠近地鐵結構一側的基坑開挖完成為10月初，10月下旬開始施工墊層，因此，選擇10月下旬的自動化監測數據與評估結果進行比對。采用實測的隧道自動化監測數據繪制成斷面監測位移變化，如圖4、圖5所示。由測點變化斷面圖看出，在基坑圍護樁施工完成之后管片結構和軌道結構的豎向位移變化均不大，每個監測斷面的管片和軌道監測數據變化趨勢一致。基坑開挖完成后豎向位移的變化量在–1.46~+1.01mm，絕大部分監測點變化量的絕對值處在1mm以內。豎向位移自動化監測數據與評估計算的隧道結構最大變形為0.8mm基本吻合，整體的變化趨勢也類似，具有較高的擬合度。管片結構和軌道結構斷面水平位移變化如圖6、圖7所示。由斷面測點水平位移變化看出，在基坑圍護樁施工完成之后管片結構和軌道結構的豎向位移變化均不大，各監測斷面的管片和軌道監測數據變化趨于一致。基坑開挖完成后水平位移的變化量在–0.48~+1.36mm，水平位移自動化監測與評估計算的最大變形為2.91mm，存在一定的差異，但是在后續的變化過程中，管片水平位移變化最大為+2.78mm，道床水平位移變化最大達到+3.18mm，變化趨勢也相類似，與評估計算結果基本吻合。
4討論
本項目涉及的施工工況主要有圍護樁施工及基坑土方開挖。圍護樁施工未涉及土體流失，加之距離較遠，影響可忽略。基坑開挖施工涉及土體卸載的過程，在基坑開挖過程中，基坑坑底土體發生隆起，周圍土體出現下沉，并往基坑方向擠壓圍護結構，導致圍護結構發生一定的水平位移。基坑底部的隆起是基坑在開挖過程中，垂直方向上土體的卸荷引起周圍地層的變化，繼而改變基坑底部土體部分原始應力狀態的結果。基坑底部隆起主要分為彈性隆起和塑性隆起，如圖8所示。在基坑開挖過程中，坑外土體不斷被擾動，土體的應力狀態發生變化，從而使周邊地層產生水平方向的位移變形，這就是圍護結構產生變形的根本原因。圍護結構變形形態主要分為3種，即懸臂式位移，拋物線型位移和組合型位移。（圖9）。因此，地鐵隧道區間結構受基坑開挖影響產生變形的原因是坑底土體的隆起和圍護結構位移變形的綜合結果。
5結束語
以地鐵保護區安全評估和專項監測實例為引導，通過變形機理分析，闡述安全評估與專項監測的工作開展，將實測的自動化監測數據與安全評估計算結果進行比對分析，得出如下結論。（1）專項監測的數據與安全評估的計算結果基本吻合，由于評估計算考慮的是簡化的工況，因此，其與實際施工及監測的情況可能存在時空效應的差異，但是不影響最終的結果。（2）安全評估和專項監測作為地鐵運營安全保障的2種重要手段均能有效應用于實際工程中，對于預測和監控地鐵結構的變形能夠達到很好的效果。
作者:林靜 石杰紅 單位:南寧軌道交通集團有限責任公司 中國安全生產科學研究院 地鐵火災與客流疏運安全