淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工的微擾動控制技術

趙鶴泉 楊 科

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

城市飛速發(fā)展與城市核心區(qū)用地愈發(fā)緊張的矛盾促生了核心區(qū)地下空間極高的利用率，而隨著大型城市地下軌道交通系統(tǒng)建設的日趨成熟，城市核心區(qū)內(nèi)地下軌道交通線路密集，基于地下軌道交通系統(tǒng)的公共安全屬性與其區(qū)間隧道柔性結構的特點，隧道正上方的基坑施工具有極大的風險，特別是運營中的地鐵，一旦基坑施工過程中發(fā)生較大的擾動，地鐵隧道可能發(fā)生變形、滲漏，這將造成重大的安全隱患，導致地鐵停運檢修。在地下空間大范圍開發(fā)的同時，如何對已建成地鐵隧道進行有效保護，成為近年來基坑圍護設計與施工研究的重點。近年來，國內(nèi)學者對此問題進行了一定的研究。溫鎖林[1]提出了運營地鐵隧道上方基坑施工基于時空效應和充分利用隧道抗彎剛度的“彈鋼琴”開挖方法；余曉琳[2]建立了某明挖隧道基坑位于運營地鐵隧道正上方的三維空間模型，對實際施工工況進行了模擬，動態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對下方既有地鐵隧道的影響；鄭剛等[3]以既有隧道箱體上方下沉隧道基坑工程為背景，結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，采用Abaqus軟件對基坑的實際施工過程進行動態(tài)模擬，論證了隧道加固措施的有效性；黃兆緯等[4]、謝小林[5]研究了隧道上方基坑開挖的卸荷控制技術措施。但上述研究中地鐵隧道上方基坑均為長條形隧道基坑，對于地鐵隧道上方為長寬比較小的建筑工程基坑開挖控制技術還少有研究與實踐。

本文將結合上海徐家匯核心區(qū)的9號線地鐵區(qū)間隧道正上方的建筑工程基坑施工，研究淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工的微擾動關鍵技術與現(xiàn)場實際應用。

1 工程概況

徐家匯中心項目位于上海市徐家匯核心商業(yè)區(qū)，南鄰虹橋路，西鄰宜山北路，北側為名仕苑住宅樓，東鄰恭城路。項目由2幢辦公塔樓及商業(yè)裙房組成，地上建筑面積53萬 m2，地下建筑面積25萬 m2，總建筑面積78萬 m2。該項目的基坑分區(qū)較多，共22個分區(qū)，主基坑為地下6層，鄰近地鐵的小坑為地下2—4層，北側的隧道正上方基坑為地下1層（圖1）。

圖1 基坑分區(qū)示意

1.1 地鐵隧道正上方基坑概況

整個項目的基坑東側與地鐵11號線車站共墻，基坑北區(qū)位于地鐵9號線隧道正上方，9號線、11號線均為運營中的軌道交通（圖2）。隧道正上方的基坑面積約7 000 m2，基坑范圍下的區(qū)間隧道長度約190 m，隨著隧道從東向西出站下潛，基坑開挖深度由淺及深，從3.25 m逐步加深至6.20 m，基坑底部距離地鐵隧道約5 m。目前，該基坑在上海地區(qū)屬同類型中面積最大、難度最大。

圖2 地鐵隧道正上方基坑位置示意

1.2 地質概況

該基坑范圍的土層分布為：①1雜填土、②褐黃-灰黃色粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土、④灰色淤泥質黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質黏土、⑤3-1灰色粉質黏土夾黏質粉土、⑤3-2灰色粉質黏土、⑤4灰綠色粉質黏土，土層具體物理力學性質及土層深度見表1。

表1 土層物理力學性質及土層深度

徐家匯中心項目的隧道正上方基坑開挖深度為3.25～6.20 m；在基坑范圍下地鐵區(qū)間隧道的頂埋深度為8～11 m，隧道直徑6.2 m，底埋深度為14～17 m。而該區(qū)域③層、④層土的深度范圍4～16 m，正好是基坑底和地鐵隧道的對應深度。淤泥質土有三高兩低的特點：高含水量、高壓縮性、高流變性、低強度、低滲透性。淤泥質土對基坑施工過程中的變形控制相當不利。

1.3 地鐵隧道變形控制標準

地鐵隧道結構的重要性毋庸贅述，其區(qū)間隧道變形的具體控制標準為：道床沉降的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±0.5 mm/d，或其累計值達到±5.0 mm；隧道結構水平位移的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±0.5 mm/d，或其累計值達到±5.0 mm；隧道管徑收斂的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±1.0 mm/d，或其累計值達到±5.0 mm。

在地鐵隧道安全保護區(qū)范圍內(nèi)的非正上方基坑施工期間，監(jiān)測頻率為每天1次；而隧道正上方基坑在開挖施工期間，監(jiān)測頻率為從基坑開挖開始為1次/h，直至結構底板澆筑完成。

2 隧道正上方基坑施工的微擾動關鍵技術分析

為確保地鐵隧道結構安全，隧道正上方基坑施工必須做到“微擾動”，盡可能減小在基坑施工過程中對隧道周邊土體的擾動，主要分為3項關鍵準備技術及3項關鍵控制技術。關鍵準備技術：相鄰基坑的施工工況流程；跨隧道重型道路設置；試驗塊“首件制”及施工操作手冊。關鍵控制技術：坑內(nèi)門式加固；基坑底板分塊；夜間限時施工。

2.1 關鍵準備技術

2.1.1 相鄰基坑施工工況流程

為避免基坑變形疊加影響，并遵循由遠及近、由深至淺的“時空效應”原理，隧道正上方基坑開挖施工前必須完成周邊基坑的地下結構。因此，首先要確定隧道正上方基坑及其相鄰基坑的開挖流程。

徐家匯中心項目的隧道正上方基坑編號為4-15區(qū)，開挖之前的主要基坑流程為：地下6層主坑（4-1區(qū)、4-2區(qū)）開挖→主坑回筑出零→主坑對應地下3層小坑（4-5區(qū)、4-6區(qū)、4-7區(qū)）開挖→小坑回筑出零→對應區(qū)域的隧道正上方基坑（4-15a區(qū)、4-15b區(qū)、4-15c區(qū)）開挖。

2.1.2 跨隧道重型道路設置

基坑施工會對地鐵隧道造成擾動，在基坑施工期間跨越隧道行駛的重型荷載施工車輛同樣會對地鐵隧道造成不小的擾動。因此，必須根據(jù)場地情況設置跨隧道重型道路，避免土方車、混凝土橄欖車等重型車輛對隧道正上方的土體反復擠壓造成對隧道結構的擾動。

徐家匯中心項目設置了2條跨越隧道的重型道路，道路為鋼筋混凝土梁板式結構，并利用結構工程樁內(nèi)插格構柱兼作重型道路的立柱樁（圖3）。

圖3 跨隧道重型道路

2.1.3 試驗塊的“首件制”及施工操作手冊

地鐵隧道正上方的基坑施工并非較為常見的施工作業(yè)內(nèi)容，由于必須在有限的時間內(nèi)完成復雜的多道工序，而且，若無法按時按要求完成會造成極大的風險隱患。因此在整個隧道正上方基坑施工前，必須選定試驗塊作為首件工程。執(zhí)行“首件制”的目的是：確定工序安排及精準時間控制；確保施工人員熟悉作業(yè)內(nèi)容及時間要求；發(fā)現(xiàn)擬訂方案不足之處，改進調(diào)整施工組織。

在確定底板分塊方案后，試驗塊選擇在距離隧道最遠端的邊段。該試驗塊底板墊層底標高為－5.12 m，開挖面積67.5 m2，土方量約550 m3，于22：30開始土方開挖，總耗時約8 h，未能在原定的6 h內(nèi)完成分塊底板，因此在后續(xù)正式施工前還需要進一步優(yōu)化工序搭接。

施工操作手冊的目的同樣是為了確保在有限的時間內(nèi)完成復雜的多道工序。因此，手冊內(nèi)容包括各個工序的要求及時間限制，相關管理人員、各工序施工負責人的聯(lián)系方式。

2.2 關鍵控制技術

2.2.1 坑內(nèi)門式加固

基于上海軟土的K0卸荷試驗研究以及上海大中里項目門式加固的應用與研究，整個基坑坑內(nèi)采用三軸攪拌樁滿堂加固對基坑開挖施工的變形控制有顯著成效。其中，圖4、圖5中藍色區(qū)域為隧道兩側加固，加固深度為22 m，紅色區(qū)域為隧道頂加固，加固深度根據(jù)隧道頂標高調(diào)整，加固范圍為地表至隧道頂上方1.5 m，由此形成門式加固，在基坑開挖期間，加固體與工程樁共同作用，可以有效控制因土體開挖卸載后造成的擾動變形。

圖5 坑內(nèi)門式加固剖面示意

坑內(nèi)門式加固對基坑開挖的卸載擾動控制有效，但在進行三軸攪拌樁加固施工期間，同樣會對周邊土體造成擾動。為此，設置了3組攪拌樁試驗樁分別對周邊3、7、11 m位置的土體進行了測斜監(jiān)測。

從完成的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，3組監(jiān)測數(shù)據(jù)中距離攪拌樁3 m位置的土體測斜孔位移在各個階段均最大，7 m處次之，11 m處最??；從施工階段比較，成樁完成階段的土體測斜位移相對較大，成樁完成后經(jīng)過6、24 h會逐漸復原，累計位移逐漸減小。

結合施工情況分析，土體的位移變化規(guī)律與理論一致，在三軸攪拌樁施工過程中，鉆進時向土體內(nèi)加注高壓空氣和高壓水泥漿，勢必會產(chǎn)生擠土效應，其變形的大小與加注的壓力大小及注漿量的多少密不可分，且成正比關系。隨著提鉆，樁孔中的壓力會有所消散，隨著時間推移土體位移會逐漸恢復。

因此，在坑內(nèi)門式加固施工過程中，需要嚴格控制鉆進下沉速度及提升速度，經(jīng)多次對比測試，下沉速度需控制在0.3 m/min，提升速度需控制在0.5 m/min。

2.2.2 基坑底板分塊

基坑土方開挖卸荷勢必會造成基坑底的土體向上隆起變形，因此從土方開挖卸荷到底板完成加載的間隔時間越長，基坑底的土體以及隧道擾動越大，反之若時間越短，則對隧道的擾動就能相對減小。

本基坑面積7 000 m2，若一次性開挖，完全無法做到微擾動變形控制，將基坑劃分成小塊，每次在限時內(nèi)開挖并完成底板可以做到微擾動變形。

經(jīng)過對設計圖紙的深化研究設計，底板的分塊方式主要考慮以下4點：隧道正上跨及邊跨結構；沿隧道方向的標準塊及轉向調(diào)整塊；基坑深度變化處的錯臺塊；鋼筋籠的形式。

根據(jù)以上幾點進行深化，徐家匯中心隧道正上方基坑底板初步分為166塊。隧道兩側的底板共50塊，隧道頂?shù)牡装骞?15塊；其中標準塊96塊，轉向塊5塊，錯臺塊11塊，啟止塊4塊（圖6）。

圖6 基坑分塊平面示意

標準塊鋼筋籠的大小約為18 m×3 m，先澆筑塊與后吊裝塊的鋼筋采用綁扎連接，搭接長度1.2 m，長邊方向的搭接區(qū)域鋼筋由于吊裝需要，采取現(xiàn)場綁扎，部分最上皮加強筋采取現(xiàn)場綁扎。

鋼筋籠設置8個吊點，吊點加強鋼筋采用直徑為32 mm的HRB400鋼筋。縱向桁架筋間距為1.5 m，橫向桁架筋間距為1.5 m（800 mm厚底板）、1.2 m（1 m厚底板），吊點加強筋與框架筋采用雙面焊，整體質量約8.2 t，采用50 t履帶吊進行吊裝（圖7）。

2.2.3 夜間限時施工

地鐵9號線徐家匯站的首末班時間為05：54和23：26，因此根據(jù)地鐵要求，每周需經(jīng)審批要點進行分塊基坑施工，每周施工不超過3次，每次施工時間為地鐵停運后的5 h內(nèi)。因此，如何在5 h內(nèi)完成“加固土的開挖約250 m3、混凝土灌注樁截樁2根、墊層約50 m2、鋼筋籠及附加筋等約10 t、快易收口模板約25 m，鋼柱錨腳及機電預埋、底板混凝土60 m3”是限時施工完成的關鍵。

通過前期對每一步的工藝分析、工序搭接及時間調(diào)整，逐步優(yōu)化并壓縮施工時間，具體實施措施如下：

1）隧道頂部加固土的強度較高，如果直接采用普通挖機開挖速度較慢，通過提前打濕松土，可以有效縮短開挖時間，但深度不宜過深，大約1.5 m。

2）工程樁截樁同樣是耗時較多的工序，前期通過人工截樁和機械截樁這2種方案進行比較，機械截樁雖然速度較快，但對工作面空間要求比較高，且夜間施工噪聲難以控制；人工截樁速度較慢，但對工作面要求相對較低。通過調(diào)整，下一施工塊的工程樁在前塊開挖放坡時已經(jīng)露出一半的截樁工作面，將工序時間調(diào)整為白天，可以有效縮短晚上的施工時間。

3）墊層調(diào)整采用的是木模板加上10 cm厚EPS板，EPS板的100 kPa荷載平均蠕變壓縮曲線斜率8 mm/h。同時取消墊層上的底板外防水層，調(diào)整為結構內(nèi)防水，在結構全部完成后再進行防水施工。

4）鋼筋現(xiàn)場綁扎時間過長，通過鋼筋籠預制并吊裝可以大幅縮短施工時間，但部分阻礙吊裝的搭接鋼筋和附加鋼筋仍然需要現(xiàn)場綁扎。同理，快易收口模板在鋼筋籠上進行先期安裝，只需要在吊裝完成后進行局部補缺修整。

5）鋼柱錨腳等要求定位精確且工序時間長的工藝分時間段進行施工，夜間施工僅進行粗定位及螺桿施工，白天再進行精確定位及錨腳施工。同時，混凝土澆筑也根據(jù)錨腳及部分預埋進行水平分縫處理，待全部完成后再局部二次補缺，既滿足了限時底板完成的要求，又滿足了精度及質量要求（圖8）。

圖8 底板分時間段分塊

6）提前做好各項準備工作，包括工序驗收準備、測量定位、材料機械、施工人員、預案及應急物資等，確保限時施工順利完成。

3 結語

徐家匯中心項目隧道正上方的基坑屬同類型中非長條形基坑，其面積近8 000 m2，施工難度遠超一般條形基坑，歷時一百多個夜晚最終平安順利完成，區(qū)間隧道的變形量遠小于預計。

本文基于徐家匯中心項目，結合城市核心區(qū)的9號線地鐵區(qū)間隧道正上方的基坑施工實例，采用了3項關鍵準備技術及3項關鍵控制技術，包括坑內(nèi)門式加固、基坑底板分塊、夜間限時施工，確保了地鐵隧道結構的安全，真正做到“微擾動”基坑施工。本文所介紹的淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工的微擾動控制技術可為同類工程提供一定借鑒。