軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道正上方基坑微擾動(dòng)卸荷控制技術(shù)

謝小林

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

隨著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的增加，出現(xiàn)了越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)地鐵隧道正上方的基坑工程。該類基坑工程具有坑底距地鐵隧道近、工程風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。特別是在像上海這樣的飽和軟土地區(qū)，其淺部土層具有孔隙比及壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高、呈軟塑或流塑狀等特點(diǎn)，土體受擾動(dòng)后固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)[1]。在這樣的土層中進(jìn)行工程活動(dòng)，一旦土體受到擾動(dòng)，極易產(chǎn)生較大的變形。因此，軟土地區(qū)的此類基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)被進(jìn)一步放大，如若控制不當(dāng)，很有可能導(dǎo)致下臥地鐵隧道的變形滲漏甚至停運(yùn)檢修，從而造成極大的社會(huì)影響。

本文將結(jié)合上海中心城區(qū)軌交2號(hào)線運(yùn)營(yíng)區(qū)間隧道正上方的一個(gè)基坑工程，介紹基于飽和軟土特性的基坑微擾動(dòng)卸荷控制技術(shù)。

1 工程概況

背景工程位于上海市中心城區(qū)的核心地段，四周緊鄰市政道路和房屋，場(chǎng)地內(nèi)擬建1層和4層的休閑商業(yè)廣場(chǎng)?；用娣e約4 300 m2，開挖深度3.95～4.55 m，采用SMW工法樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

1.1 本工程與軌交2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道的關(guān)系

本工程場(chǎng)地內(nèi)有軌交2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道從場(chǎng)地東西方向穿越，位于基坑下方的區(qū)間隧道長(zhǎng)度約為100 m（圖1）。區(qū)間隧道直徑為6.2 m，管壁厚度350 mm，隧道頂埋深約9.0 m，本工程基坑底部距離運(yùn)營(yíng)隧道凈距為4.05～4.65 m（圖2）。

圖1 工程總平面

圖2 本工程基坑與地鐵區(qū)間隧道關(guān)系剖面

由于地鐵是城市的重要生命線，擔(dān)負(fù)著城市客運(yùn)交通的重任，其重要性不言而喻，因此其保護(hù)要求也非常嚴(yán)苛。具體的變形控制標(biāo)準(zhǔn)如下：地鐵結(jié)構(gòu)的最終絕對(duì)沉降量、隆起及水平位移量＜10 mm，施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形＜0.5 mm/d，且不得影響其安全正常使用；兩軌道橫向高差＜4 mm，軌道偏差和高低差最大尺度值＜4 mm（每10 m）；隧道變形曲線的曲率半徑≥15 000 m，相對(duì)彎曲≤1/2 500。

1.2 工程地質(zhì)條件

本基坑工程所涉及的主要土層自上而下為：①填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④1淤泥質(zhì)黏土、⑤1a黏土、⑤1b粉質(zhì)黏土、⑤3粉質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土。

本基坑開挖深度為3.95～4.55 m，坑底位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層；區(qū)間隧道頂埋深約9.0 m，直徑6.2 m，因此隧道完全位于④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層內(nèi)。可以看到，坑底和區(qū)間隧道所在的③層和④層土均為淤泥質(zhì)土，且厚度達(dá)14 m。這些土層的特點(diǎn)是高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度，具有較明顯的觸變及流變特性，受擾動(dòng)后土體強(qiáng)度極易降低，因此對(duì)于基坑和區(qū)間隧道的變形控制極為不利。

1.3 工程重、難點(diǎn)分析

本基坑下臥段地鐵運(yùn)營(yíng)區(qū)間隧道長(zhǎng)達(dá)100 m，且基坑底與隧道凈距僅4.05～4.65 m。同時(shí)，基坑底及隧道位于淤泥質(zhì)土土層內(nèi)，基坑大面積卸荷后極易產(chǎn)生較大變形。因此，如何有效控制基坑開挖卸荷引起的下臥地鐵隧道隆沉變形以及隧道縱向變形曲率、相對(duì)彎曲和隧道橫斷面真圓度，使開挖卸荷引起的地鐵變形控制在允許范圍內(nèi)是本工程的重中之重，也給本基坑的設(shè)計(jì)和實(shí)施帶來(lái)了極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

2 基坑微擾動(dòng)卸荷控制措施

結(jié)合本工程的項(xiàng)目特點(diǎn)和地質(zhì)條件，為滿足地鐵區(qū)間隧道的保護(hù)要求，在本基坑的設(shè)計(jì)和實(shí)施中采取了地鐵隧道正上方基坑微擾動(dòng)卸荷綜合控制措施，其中的核心有：門式加固、限時(shí)分塊土方開挖以及底板施工技術(shù)。

2.1 門式加固

通過靜止側(cè)壓力系數(shù)K0試驗(yàn)儀（TK-ST K0）對(duì)上海軟土（第④、⑥、⑦、⑧層土）進(jìn)行了K0卸荷試驗(yàn)[2]，對(duì)其卸荷回彈特性及影響深度范圍進(jìn)行了研究。結(jié)果顯示：基坑卸荷引起的坑內(nèi)土體回彈存在強(qiáng)回彈區(qū)；應(yīng)用側(cè)向應(yīng)力松弛法和E0-R法得出，強(qiáng)回彈區(qū)范圍為開挖面以下0.25～0.45H（H為基坑開挖深度），回彈區(qū)深度為開挖面以下2.0～2.5H。同時(shí)，有限元計(jì)算分析也印證了以上的結(jié)論（圖3）。

圖3 土體卸載坑內(nèi)回彈變形

基于上述研究結(jié)果，基坑設(shè)計(jì)時(shí)沿隧道兩側(cè)設(shè)置φ850 mm三軸攪拌樁門式加固（圖4），上側(cè)“門楣”加固體深度至坑底以下3.55 m，約為0.9H（H為基坑開挖深度），覆蓋強(qiáng)回彈區(qū)范圍，加固體底部距隧道頂1.1 m；兩側(cè)“門框”加固體水平向距隧道2 m，豎向覆蓋③層和④層淤泥質(zhì)土范圍，深度至坑底以下13.05 m，約為2.9H，覆蓋回彈區(qū)范圍。通過加固以改善土體特性，提高其抗力。同時(shí)，加固體與抗隆沉工程樁結(jié)合為一體，以進(jìn)一步提升整體剛度及抗變形能力，從而有效減少在基坑開挖卸荷以及結(jié)構(gòu)回筑再加載過程中對(duì)下臥隧道的影響。

圖4 門式加固剖面布置

2.2 限時(shí)分塊土方開挖及底板施工技術(shù)

上海等軟土地區(qū)的基坑開挖變形具有明顯的“時(shí)空效應(yīng)”規(guī)律，即基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍地層變形具有時(shí)間、空間的特點(diǎn)。對(duì)于下方有地鐵隧道的基坑來(lái)說(shuō)，一次性開挖面積越大，開挖越深，從開挖到完成底板及壓載的時(shí)間越長(zhǎng)，則基坑下方隧道的向上隆起變形量就越大。如果將基坑劃分為小塊，每一塊依次開挖施工，則每一塊施工所產(chǎn)生的隧道隆起變形量均較小，并且可避免互相之間的變形累計(jì)疊加，起到“化整為零”的效果。經(jīng)有限元計(jì)算分析（圖5、圖6），本基坑如整體一次性開挖所導(dǎo)致的隧道隆起將達(dá)36.8 mm，而在分塊開挖的情況下，隧道的隆起變形為7.8 mm，僅為整體一次性開挖情況下的1/5左右。

因此，為有效控制變形，保護(hù)地鐵運(yùn)營(yíng)隧道，本工程中要求結(jié)合“時(shí)空效應(yīng)”原理限時(shí)分塊進(jìn)行土方開挖卸荷及結(jié)構(gòu)底板施工。

“限時(shí)”主要體現(xiàn)在每一塊土體從開挖卸荷到底板施工再加載這一過程應(yīng)在晚間地鐵停運(yùn)期間完成，即控制在6 h以內(nèi)。晚間限時(shí)施工，既可減小土體和隧道的變形，又避開了地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)段，進(jìn)一步減小了工程風(fēng)險(xiǎn)。

“分塊”要求每一塊土體開挖面積控制在100 m2左右，整個(gè)基坑細(xì)分為42個(gè)分塊依次施工（圖7）。分塊施工既是“時(shí)空效應(yīng)”原理的體現(xiàn)，同時(shí)又是滿足“限時(shí)”要求的需要。

圖5 一次性開挖與分塊開挖對(duì)比

圖6 分塊開挖情況下有限元計(jì)算結(jié)果

圖7 基坑分塊開挖平面布置

為達(dá)到限時(shí)和分塊的高要求，在本基坑的設(shè)計(jì)和施工中采取了一些必要的技術(shù)措施：

1）提高坑內(nèi)土體加固要求并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量管控，以滿足土體垂直開挖要求，在減少土方開挖卸荷量的同時(shí)節(jié)省挖土?xí)r間。

2）常規(guī)墊層施工無(wú)法滿足6 h時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求，因此改用厚10 cm的EPS板和厚2 cm九夾模板作墊層使用（圖8）。

圖8 EPS板及木底模鋪設(shè)

3）每一塊底板的鋼筋籠在開挖前事先在場(chǎng)地內(nèi)綁扎施工完畢，待墊層鋪設(shè)完畢后整體吊放至坑內(nèi)，節(jié)省底板施工時(shí)間。

4）底板外防水施工由于無(wú)法滿足6 h要求，因此取消底板外防水，改用每分塊放置膨脹止水條＋底板內(nèi)防水的形式。

5）要求提前做好樁基驗(yàn)收準(zhǔn)備、混凝土泵車預(yù)先就位、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急預(yù)案和應(yīng)急物資充分配備等，以確保限時(shí)分塊土方開挖及底板施工的順利完成。

3 地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在采取上述地鐵隧道正上方基坑微擾動(dòng)卸荷綜合控制措施的基礎(chǔ)上，輔以信息化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控等技術(shù)，確保了本項(xiàng)目的順利、安全實(shí)施。

本工程基坑在實(shí)施順序上可分為3個(gè)階段：6月20日之前為樁基圍護(hù)施工階段；6月20日—10月19日為下行線區(qū)間隧道正上方土體開挖施工階段；10月19日—12月11日為上行線區(qū)間隧道正上方土體開挖施工階段。

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，上、下行線區(qū)間隧道的最終隆起變形量分別為9 mm和12.2 mm，隧道直徑收斂累計(jì)最大值為7 mm，處于安全可控的狀態(tài)。其中，在本基坑土方正式開挖之前（6月20日之前），地鐵隧道已累計(jì)達(dá)一定量的變形（主要發(fā)生在樁基圍護(hù)施工階段），上、下行線區(qū)間隧道隆起變形分別為5.8 mm和7.2 mm；在土方開挖及底板施工階段（6月20日—12月11日），上、下行線區(qū)間隧道隆起變形量相對(duì)較小，分別為3.2 mm和5 mm?？梢钥吹?，門式加固、限時(shí)分塊土方開挖及底板施工等措施有效地控制了隧道正上方基坑卸荷所造成的土體回彈，減小了地鐵區(qū)間隧道的變形量。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)營(yíng)地鐵隧道正上方的基坑工程具有極大的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，特別是在上海等飽和軟土地區(qū)，工程活動(dòng)一旦對(duì)土層造成擾動(dòng)，極易產(chǎn)生較大的變形。因此該類基坑工程若控制不當(dāng)，將導(dǎo)致下臥地鐵隧道的變形滲漏甚至停運(yùn)檢修。

本文結(jié)合上海地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道正上方的基坑工程實(shí)例，采用基坑微擾動(dòng)卸荷控制技術(shù)，包括門式加固、限時(shí)分塊土方開挖及底板施工，并輔助信息化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控等，確保了本基坑工程的順利實(shí)施，并將下臥地鐵隧道變形控制在較小的范圍，保障了地鐵的安全運(yùn)營(yíng)?？梢钥吹?，本文所介紹的軟土地區(qū)地鐵隧道正上方基坑微擾動(dòng)卸荷控制技術(shù)對(duì)下臥隧道的變形控制和保護(hù)具有很好的效果，可為同類工程提供一定的借鑒。