深基坑项目轨道交通安全评估浅析
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［摘要］随着地铁运营线路的不断增加，涉及地铁保护区的项目也越来越多，地铁保护区的安全评估和专项监测作为保障地铁运营安全的2种手段越来越多地应用到实际工程中。以地铁壹号城深基坑施工临近南宁轨道交通1号线为例，对项目开展的安全评估和专项监测情况进行论述与分析，验证安全评估的数值模拟与实际监测的符合性，也为类似工程安全评估与专项监测提供经验。
［关键词］深基坑；既有轨道交通；安全评估；专项监测
随着城市轨道交通线网的不断发展，深基坑临近既有轨道交通的地铁保护区施工项目屡见不鲜，相关标准及法律法规规定施工安全风险超过一定等级的地铁保护区施工项目需开展安全评估和专项监测，确保地铁结构的安全。地铁保护区内的施工影响地铁结构的案例已有很多，基坑开挖影响隧道结构变形是一个比较典型的案例，国内许多学者先前已对此方面有一些研究。如，一些学者以地铁保护区内实际基坑项目为例，采用有限元分析法，通过各种数值模拟软件进行安全评估及隧道变形预测，分析影响隧道变形的各种影响因素，并对监测数据进行规律分析与总结，验证安全评估与监测数据的吻合性，对深基坑工程临近地铁施工时的保护措施提出了建议。潘栋利用实测变形数据针对地铁结构变形的预测模型和安全评估方法进行了研究，得出了适合地铁结构变形预测的回归分析优化模型。赵洋等就深基坑开挖对既有地铁结构安全的影响进行研究，通过对基坑开挖的具体影响程度、级别及安全性进行分析，并给出相应的保护措施。作为安全评估和专项监测的实例分析，旨在验证安全评估的数值模拟与实际监测的符合性，通过论述各环节的实际执行情况，为类似项目的安全评估和监测开展提供经验。以地铁壹号城深基坑项目临近南宁轨道交通1号线地铁保护区为例，对项目开展的安全评估和专项监测进行论述和分析，验证安全评估的数值模拟与专项监测的吻合性，也为类似工程安全评估与专项监测提供经验借鉴。
1工程概况
地铁壹号城项目场地位于南宁市高坡岭路东侧、佛子岭路北侧，由8栋高层住宅楼、商业和地下车库组成。基坑周边现况地面标高约87.000~105.000m，基坑开挖深度约6.40~24.40m。基坑支护共分为10段，周长884m，其中，AB段至FG段基坑支护结构安全等级为一级,AB段、CD段采用双排桩支护，BC段采用排桩支护方案，DE段和FG段采用排桩支护；GH段至KA段基坑支护安全等级为二级，采用挂网放坡支护；EF段为下沉式广场，与佛子岭站Ⅱ号出入口预留接口，不进行支护设计。深基坑侧壁围护结构距离佛子岭站Ⅱ号出入口结构2.632m，距离3号风亭结构4.91m，距离佛子岭站—火车东站区间隧道结构14.157m，基坑与地铁结构临近的范围超过300m，地铁附属结构基坑开挖深度超过10m，与地铁结构临近的基坑主要包括AB段、BC段、CD段、DE段及FG段，基坑开挖深度约7.4~10.4m。基坑与既有轨道交通1号线盾构隧道的平剖面位置关系如图1所示。佛子岭站—火车东站区间临近基坑区域的盾构隧道覆土埋深约6~13m。场地地层岩性自上而下为第四系人工素填土、第四系残积成因的粘土、粉质粘土、粉土及粉砂，下伏地层为古近系南湖组湖相沉积的泥岩、粉砂岩等。场地内地下水主要为赋存和运移于粉砂层中的孔隙水及局部强风化粉砂岩层中的基岩裂隙水，局部地段素填土层中也分布有少量上层滞水。管片采用C50高强混凝土，外径6000mm，内径5400mm，管片宽度1500mm，管片厚度300mm，错缝拼接而成。本项目隧道内自动化及人工监测布点于2018年6月中旬完成，基坑靠近地铁结构的围护桩于2018年6月开始施工，2018年8月初靠近地铁结构一侧的围护桩全部施工完成，2018年10月初靠近地铁结构一侧的基坑开挖至基底，2018年11月靠近地铁结构一侧的垫层浇筑完成，随后进行底板及上部结构的施工。本项目隧道结构自动化监测于2019年5月中旬结束，此时壹号城项目主体结构已施工至地上3层。
2安全评估
本项目具体评估内容主要有地铁壹号城深基坑施工引起的临近佛子岭站Ⅱ号出入口、3号风亭、佛子岭站—火车东站区间盾构隧道结构变形及受力安全性影响及风险分析，地铁壹号城深基坑施工引起的地铁结构变形的控制指标、工程监测方案、施工安全专项方案等建议。评估范围为受地铁壹号城深基坑影响的地铁结构外延50m内的区域。本评估项目主要采用数值分析法，并辅之专家评议、工程经验类比等定性分析方法。计算模拟区域以受影响地铁结构为中心向四周扩展。考虑到施工过程中的空间效应，三维计算分析地层–结构模型，如图2所示。为确保三维模型有足够的计算精度并保证计算效率，模型尺寸为沿车站和隧道方向取381m，宽度方向取293m；垂直方向上从最终路面向下共40m。计算分析模型中，地层、双排桩支护、冠梁、系梁等均采用实体单元模拟，车站结构、II号出入口结构、3号风亭结构、隧道管片等均采用板单元模拟，结构柱采用梁单元模拟。三维模型共划分206505个单元，115676个节点。地层计算采用摩尔库伦模型，结构的计算采用线弹性模型。模型四周边界约束水平方向位移，竖直方向位移自由；底部xyz方向全约束，为固定边界条件；顶端地面为自由边界。模拟的初始条件为地铁隧道施工完毕，并与地层达到稳定平衡状态，作为基坑开挖施工的初始条件。根据工程概况及相关经验，计算分析分为以下2种工况，分别为地铁隧道、车站及附属结构设施工完成后的初始平衡、壹号城基坑开挖施工。模拟基坑开挖到底之后的地铁结构水平方向的变形情况如图3所示。根据所有计算分析结果，地铁壹号城基坑施工完成后，佛子岭站主体结构最大水平位移1.44mm，最大竖向位移0.265mm；Ⅱ号出入口结构最大水平位移2.36mm，最大竖向位移0.65mm；3号风亭最大水平位移2.27mm，最大竖向位移0.51mm；佛子岭站—火车东站区间隧道结构最大水平位移2.91mm，最大竖向位移0.80mm，满足规范控制指标要求。其他位移、应力、强度、差异沉降等指标计算结果均满足规范中规定的隧道与轨道结构保护要求。
3专项监测
结合安全评估计算结果及施工影响情况，监测范围为基坑对应的隧道（车站）位置，再往两端头各外扩30m，共计360m。左右线监测布点间距为10m，每条线各布设36个监测断面，每个断面布设轨道结构竖向位移自动化、隧道结构竖向位移自动化、轨道结构水平位移自动化、隧道结构水平位移自动化监测点，隧道结构净空收敛自动化监测点及轨道几何形位人工监测点。对影响范围内的出入口及风亭在结构拐角处及结构变化处等重点部位布设建筑物人工监测点。此次评估仅分析和计算基坑围护桩施工及基坑开挖至基底之后的变形情况，未考虑结构加载后的影响。结合施工情况及自动化监测数据情况，将右线隧道结构的自动化监测数据与评估结果进行对比分析。靠近地铁结构一侧的基坑开挖完成为10月初，10月下旬开始施工垫层，因此，选择10月下旬的自动化监测数据与评估结果进行比对。采用实测的隧道自动化监测数据绘制成断面监测位移变化，如图4、图5所示。由测点变化断面图看出，在基坑围护桩施工完成之后管片结构和轨道结构的竖向位移变化均不大，每个监测断面的管片和轨道监测数据变化趋势一致。基坑开挖完成后竖向位移的变化量在–1.46~+1.01mm，绝大部分监测点变化量的绝对值处在1mm以内。竖向位移自动化监测数据与评估计算的隧道结构最大变形为0.8mm基本吻合，整体的变化趋势也类似，具有较高的拟合度。管片结构和轨道结构断面水平位移变化如图6、图7所示。由断面测点水平位移变化看出，在基坑围护桩施工完成之后管片结构和轨道结构的竖向位移变化均不大，各监测断面的管片和轨道监测数据变化趋于一致。基坑开挖完成后水平位移的变化量在–0.48~+1.36mm，水平位移自动化监测与评估计算的最大变形为2.91mm，存在一定的差异，但是在后续的变化过程中，管片水平位移变化最大为+2.78mm，道床水平位移变化最大达到+3.18mm，变化趋势也相类似，与评估计算结果基本吻合。
4讨论
本项目涉及的施工工况主要有围护桩施工及基坑土方开挖。围护桩施工未涉及土体流失，加之距离较远，影响可忽略。基坑开挖施工涉及土体卸载的过程，在基坑开挖过程中，基坑坑底土体发生隆起，周围土体出现下沉，并往基坑方向挤压围护结构，导致围护结构发生一定的水平位移。基坑底部的隆起是基坑在开挖过程中，垂直方向上土体的卸荷引起周围地层的变化，继而改变基坑底部土体部分原始应力状态的结果。基坑底部隆起主要分为弹性隆起和塑性隆起，如图8所示。在基坑开挖过程中，坑外土体不断被扰动，土体的应力状态发生变化，从而使周边地层产生水平方向的位移变形，这就是围护结构产生变形的根本原因。围护结构变形形态主要分为3种，即悬臂式位移，抛物线型位移和组合型位移。（图9）。因此，地铁隧道区间结构受基坑开挖影响产生变形的原因是坑底土体的隆起和围护结构位移变形的综合结果。
5结束语
以地铁保护区安全评估和专项监测实例为引导，通过变形机理分析，阐述安全评估与专项监测的工作开展，将实测的自动化监测数据与安全评估计算结果进行比对分析，得出如下结论。（1）专项监测的数据与安全评估的计算结果基本吻合，由于评估计算考虑的是简化的工况，因此，其与实际施工及监测的情况可能存在时空效应的差异，但是不影响最终的结果。（2）安全评估和专项监测作为地铁运营安全保障的2种重要手段均能有效应用于实际工程中，对于预测和监控地铁结构的变形能够达到很好的效果。
作者:林静 石杰红 单位:南宁轨道交通集团有限责任公司 中国安全生产科学研究院 地铁火灾与客流疏运安全