軟土地區(qū)低凈空上跨運(yùn)營地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的基坑開挖施工技術(shù)研究

劉 雷，張崗平，徐啟良，劉家俊

（浙江華東工程建設(shè)管理有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市人口的增加，城市地鐵的建設(shè)蓬勃發(fā)展，各大型城市既有地鐵線路均高達(dá)數(shù)百公里，地鐵網(wǎng)絡(luò)日益密集。在既有運(yùn)行地鐵附近或者上方修建建筑物已成為越來越多城市不可避免的問題，由于建筑物基坑開挖導(dǎo)致土體卸荷必然會引起對周邊地層的擾動(dòng)，致使地鐵區(qū)間隧道隆起變形，嚴(yán)重威脅地鐵隧道安全。為確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全，對地鐵隧道的變形要求極為嚴(yán)格，其容許變形量與隧道的直徑、管片結(jié)構(gòu)及連接方式等密切相關(guān)。而投入運(yùn)行中的地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移可能產(chǎn)生軌道偏差從而影響線路平順性，嚴(yán)重時(shí)將影響列車的運(yùn)行安全，隧道容許變形量往往要求更嚴(yán)格。因此，既有運(yùn)行地鐵隧道上方建筑物施工技術(shù)的合理性、可行性以及對地鐵隧道變形的控制措施是此類工程的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。

本文針對杭州市文一西路提升改造工程項(xiàng)目施工的特點(diǎn)，通過對上跨已經(jīng)運(yùn)行的地鐵五號線創(chuàng)景路-葛巷站盾構(gòu)區(qū)間上方的快速路隧道基坑開挖方案研究，結(jié)合相關(guān)地基加固、基坑圍護(hù)措施并采用二維計(jì)算軟件進(jìn)行基坑開挖模擬分析，提出適合軟土區(qū)域類似項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)、合理、安全的技術(shù)方案。

1 工程概況

文一西路提升改造工程明挖隧道沿文一西路東西向布置，途經(jīng)創(chuàng)景路路口需正交上跨杭州地鐵五號線創(chuàng)景路站～葛巷站盾構(gòu)區(qū)間隧道，區(qū)間隧道沿創(chuàng)景路成南北向布置，目前已正常投入運(yùn)營。上跨隧道基坑樁號為k3+184.2～k3+229.4，基坑長43.7 m，寬29.3 m，深9.3 m～10.0 m，基坑底部距離地鐵區(qū)間隧道頂部最小凈間距為4.9 m，隧道結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區(qū)間隧道相對關(guān)系見圖1、圖2。

圖1 文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區(qū)間隧道相對關(guān)系平面圖圖

文一西路項(xiàng)目隧道基坑范圍場地為湖沼積平原區(qū)，地貌類型單一，土層為典型的杭州地區(qū)軟弱土層。上跨基坑處地質(zhì)情況由上至下為：①1雜填土、③淤泥質(zhì)粘土、④2粉質(zhì)粘土與粉土互層、⑤淤泥質(zhì)粘土、⑥1粉質(zhì)粘土、⑥2粉質(zhì)粘土、⑧4圓礫、⑩22強(qiáng)風(fēng)化角礫巖、⑩23中風(fēng)化角礫巖，各層土的物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1。其中上跨基坑主要位于：①1雜填土、③淤泥質(zhì)粘土、④2粉質(zhì)粘土與粉土互層土中。本場地承壓水主要分布于⑧4層圓礫中，由圖2可知上跨基坑位于承壓水位以上。

表1 土層物理力學(xué)性能表

圖2 文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區(qū)間隧道相對關(guān)系立面圖

2 關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 地基加固及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

上跨基坑位于5 號線隧道正上方，基坑長43.7 m，寬29.3 m，深9.3 m～10.0 m，采用鉆孔灌注樁/雙排樁+內(nèi)支撐的支護(hù)體系，隧道兩側(cè)采用鉆孔灌注樁，隧道上方采用雙排樁。鉆孔灌注樁樁徑Φ1000 mm，間距1200 mm；雙排樁樁徑Φ1000 mm，間距1200 mm，兩排樁間距3200 mm。位于隧道上方雙排樁樁底距離隧道頂1.5 m，位于兩隧道之間區(qū)域雙排樁樁長25 m，其余圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔灌注樁樁長均為25 m。基坑豎向共設(shè)兩道混凝土支撐，支撐尺寸800 mm×1000 mm；基坑底采用MJS滿堂強(qiáng)加固，水泥摻量40%，φ2200@1800，加固深度至隧道底以下3 m（隧道頂 1m，兩側(cè)1.5 m～2 m范圍內(nèi)不加固）；雙排樁區(qū)域采用MJS強(qiáng)加固，加固深度從地面至隧道上方1 m；基坑以上第二道支撐以下土采用MJS滿堂弱加固，水泥摻量20%?；拥自O(shè)置3 排φ1100抗浮樁，間距3 m，樁長25 m，樁底進(jìn)入8-4圓礫層，樁基距離隧道最小凈距約3.0 m。

圖3 上跨基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)平面圖

圖4 上跨基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)縱斷面圖

2.2 基坑開挖施工技術(shù)方案

2.2.1 總體原則

本次施工以“分層、分塊、分段、對稱、平衡、限時(shí)”為總體原則進(jìn)行基坑開挖施工，基坑面積約1300 m2，分兩次開挖到底：第一次開挖至第二道混凝土支撐底部，分成5 小塊開挖，基坑挖至支撐標(biāo)高后，6 小時(shí)內(nèi)完成鋼支撐架設(shè)，36 小時(shí)內(nèi)完成砼支撐澆筑；第二次開挖至基坑底部，分成20 小塊進(jìn)行對稱跳倉開挖，每塊開挖后立即澆筑底板進(jìn)行封閉，并于抗拔樁相連，每塊底板達(dá)到強(qiáng)度后采用配重塊增加堆載，確保土地均勻、均速卸荷，保持地鐵盾構(gòu)區(qū)間穩(wěn)定。

2.2.2 第一次土方開挖

（1）基坑分層分塊開挖，每層開挖深度不超過3 m，第二道混凝土支撐底部距地面約5.1 m，這部分土方分兩層進(jìn)行開挖，第一層開挖深度3 m，第二層開挖深度2.1 m。整體開挖順序?yàn)椋孩?①第一層、Ⅰ-②第一層、Ⅱ-①第一層、Ⅱ-②第一層、Ⅰ-①第二層、Ⅰ-②第二層、Ⅱ-①第二層、Ⅱ-②第二層、Ⅲ開挖。

（2）第二道支撐底部以上土方分兩層進(jìn)行開挖，Ⅰ、Ⅱ開挖時(shí)，采用一臺PC200 挖機(jī)站在地面從北往南進(jìn)行土方開挖，第一層開挖深度3 m，開挖出的土方直接裝車外運(yùn)；第一層開挖完成后，挖機(jī)進(jìn)入坑內(nèi)進(jìn)行第二層土方開挖，開挖深度2.1 m，開挖的土方轉(zhuǎn)運(yùn)至基坑邊，由站位于地面基坑邊的另一臺PC200 挖機(jī)裝車外運(yùn)。

（3）土方分層開挖時(shí)，先開挖的Ⅰ、Ⅱ處土方與后開挖的Ⅲ處土方按照1∶1進(jìn)行放坡。土方開挖時(shí)，支撐下的土方進(jìn)行掏挖。

（4）Ⅲ處土方開挖時(shí)，先采用PC200 挖機(jī)從北往南開挖第一層土（3 m），開挖一段距離后，另一臺PC200 挖機(jī)進(jìn)入基坑內(nèi)，開挖剩余2.1 m深度土方，與第一臺挖機(jī)形成臺階開挖，開挖出的土體由站位于地面的挖機(jī)裝車外運(yùn)。開挖示意圖見圖5。

圖5 第一次土方開挖平面示意圖

2.2.3 第二次土方開挖

（1）第二道砼支撐施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始進(jìn)行基底以上土方開挖。該層土方按照Ⅰ-①…Ⅰ-④、Ⅱ-①…Ⅱ-④、Ⅲ-①…Ⅲ-④、Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④的順序分塊進(jìn)行土方開挖。

（2）第二道支撐底至基底以上土方分層分塊進(jìn)行開挖，每層開挖深度不大于3 m，該層土方深度約4.1 m，分兩層進(jìn)行開挖，第一層開挖深度2 m，第二層開挖深度2.1 m。

（3）因該層土體部分施工了MJS工法樁，土體已經(jīng)進(jìn)行了提前加固，穩(wěn)定性較高，因此該層土體開挖時(shí)各區(qū)塊之間按照1∶0.3進(jìn)行放坡，土方開挖時(shí)由站位于基坑內(nèi)的PC200挖機(jī)將單個(gè)區(qū)塊內(nèi)的土體分層開挖到基坑底，并將開挖出的土體轉(zhuǎn)移至基坑邊，由站位于地面基坑邊的另一臺PC200挖機(jī)裝車外運(yùn)。對于Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④位置的土體，直接采用長臂挖機(jī)或液壓抓斗進(jìn)行該處區(qū)塊土方開挖外運(yùn)。

（4）每個(gè)區(qū)塊開挖到底，分塊施工墊層和底板，底板與抗拔樁相連，底板達(dá)到強(qiáng)度后，在底板上設(shè)置多塊預(yù)制混凝土塊進(jìn)行反壓，單塊預(yù)制混凝土塊尺寸1.5 m×1.5 m×1 m，單塊重量5.625 t，確保壓載不小于50 kPa后，再開挖下個(gè)區(qū)塊。開挖示意圖見圖6。

圖6 第二次土方開挖平面示意圖

3 數(shù)值模擬

3.1 地鐵區(qū)間隧道容許變形量

目前關(guān)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)容許變形量研究較少，國內(nèi)不同城市結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕ㄔO(shè)工程經(jīng)驗(yàn)給出了不同的標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目位于杭州市余杭區(qū)，因此本次分析主要以浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》為準(zhǔn)，從《規(guī)程》中可以看出，區(qū)間隧道的保護(hù)范圍分2 個(gè)等級分別為控制保護(hù)區(qū)和特別保護(hù)區(qū)。本工程隧道上跨5 號線隧道，開挖部分位于隧道正上方，因此本工程位于杭州地鐵5 號線區(qū)間的特別保護(hù)區(qū)范圍，軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)等級為A級。

本工程上跨的地鐵創(chuàng)景路站～葛巷站區(qū)間盾構(gòu)隧道已運(yùn)營，根據(jù)浙江省《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)錯(cuò)縫隧道，當(dāng)水平位移、豎向位移、徑向收斂等累計(jì)變形均小于30 mm，但某一項(xiàng)指標(biāo)超過20 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)安全狀況可劃分為Ⅱ類，盾構(gòu)隧道累計(jì)豎向位移控制值為10 mm，沉降控制值5 mm，水平位移5 mm，相對收斂5 mm。

3.2 數(shù)值模擬及分析

目前，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)飛速發(fā)展，許多地下工程理論得以數(shù)值實(shí)現(xiàn)。本次二維數(shù)值模擬采用Plaxis2 D巖土有限元模擬軟件，計(jì)算主要是對區(qū)間盾構(gòu)隧道進(jìn)行二維數(shù)值模擬，并對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)隧道的位移進(jìn)行驗(yàn)算。工況劃分表見表1。

表2 二維模型分析工況表

由于模型分析步數(shù)較多，在此僅表述控制性的“工況 7、9、11、13”工況下模型水平、豎向位移云圖，見圖7。

圖7 各工況水平、豎向位移圖

表3 各工況變形統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

4 結(jié)論

由palxis有限元軟件模擬分析結(jié)果可知，文一西路隧道施工對杭州地鐵5號線創(chuàng)景路站～葛巷站區(qū)間盾構(gòu)隧道產(chǎn)生了一定影響，盾構(gòu)隧道出現(xiàn)了一定量的水平位移、豎向位移以及收斂變形。隨著隧道上跨基坑土方開挖，上方卸載，盾構(gòu)隧道隆起增大，收斂量增大。隨著開挖深度的加深，變形趨勢加劇，隧道水平變形峰值受開挖分區(qū)與隧道位置關(guān)系出現(xiàn)一定波動(dòng)。底板堆載對控制豎向變形具有一定效果。隨著主體結(jié)構(gòu)施工及覆土回填，隧道變形再次變小。總體結(jié)果顯示隧道變形水平位移、豎向位移以及收斂值均在控制值范圍內(nèi)，隧道結(jié)構(gòu)安全可控。本次開挖施工方法科學(xué)可行。

本次研究結(jié)果，解決了軟土地區(qū)低凈空上跨運(yùn)營地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道的基坑開挖關(guān)鍵施工技術(shù)，可為軟土地圖同類型工程設(shè)計(jì)和施工提供有力參考和借鑒價(jià)值。