雷亞峰， 何修義

(中鐵一局集團有限公司廣州分公司， 廣東 廣州 511492)

0 引言

隨著城市交通設(shè)施的不斷完善，利用城市有限空間構(gòu)建立體交通體系，成為解決城市交通擁堵問題的有效路途[1-3]。近年來，由于我國城市地鐵建設(shè)進程不斷推進，新建交通工程上跨、共線地鐵區(qū)間的公路隧道不斷出現(xiàn)。由于既有運營地鐵盾構(gòu)區(qū)間變形會產(chǎn)生滲漏水、管片裂損、軌道變形等不利影響，嚴(yán)重威脅到地鐵正常運營安全，因此，對上方基坑開挖施工過程中引起的盾構(gòu)區(qū)間變形上浮控制要求極為嚴(yán)格[4-7]。地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制已經(jīng)是共線段隧道施工的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是工程的重難點所在，關(guān)系到施工是否能夠順利進行。

近年來，國內(nèi)已有不少既有隧道上方基坑開挖施工的典型案例[8-18]，見表1。雖然國內(nèi)外已有不少與地鐵交叉、局部共線的先例，但是桂廟路快速化改造工程隧道與下方既有地鐵盾構(gòu)區(qū)間共線長達(dá)3 km，且距離地鐵區(qū)間僅僅6 m，對施工要求更高，同時施工難度更大。

表1 既有地鐵上方基坑施工典型案例

本文以深圳市桂廟路快速化改造工程為背景，在分析地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮的原因及主要影響因素的基礎(chǔ)上，對明挖隧道施工期間下方共線地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制技術(shù)進行探討。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳市桂廟路快速化改造工程主路采用明挖法在原線路處修建雙洞矩形隧道，其與下臥地鐵11號線平面共線，如圖1所示。該工程全程3 km雙向閉合框架空間位置位于地鐵的雙向隧道盾構(gòu)區(qū)間正上方，如圖2和圖3所示。在桂廟路工程修建完成后，自上而下空間位置關(guān)系分別是恢復(fù)后的原路面、新建桂廟路隧道、既有地鐵線路。桂廟路工程結(jié)構(gòu)頂部距離地表5 m，結(jié)構(gòu)底板距離地鐵盾構(gòu)區(qū)間外輪廓6～12 m。全線采用明挖施工，基坑全幅開挖段標(biāo)準(zhǔn)段寬度為38.2 m，標(biāo)準(zhǔn)深度達(dá)17.2 m。場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，位于近期填海區(qū)域，地層穩(wěn)定性差。

Fig.2 Schematic diagram of typical cross-section of Guimiao Road and Metro Line 11 (unit: m)

圖3 桂廟路與地鐵11號線空間位置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of spatial position of Guimiao Road and Metro Line 11

隧道基坑支護結(jié)構(gòu)采用φ100@120鉆孔樁，樁間內(nèi)外設(shè)φ600高壓旋噴樁。為了保證桂廟路施工期間地鐵隧道區(qū)間正常運營，要求地鐵變形上浮嚴(yán)格控制在10 mm以內(nèi)。受多種不利因素影響，施工技術(shù)難度很大。

1.2 工程地質(zhì)條件

1.2.1 開挖地質(zhì)

本線路施工開挖深度范圍內(nèi)主要有黏性土混大量礫砂(含碎石等硬雜質(zhì)約25%)和粗砂(含淤泥)地層，透水性強，滲透系數(shù)為10 cm/s。區(qū)域水位較高，位于底板以上，在高水位條件下，基坑易引起流砂、管涌，容易導(dǎo)致基坑失穩(wěn)。

1.2.2 周邊環(huán)境

本工程位于深圳市南山區(qū)桂廟路由南新路至南海立交之間，呈東西走向，南新路至南山大道段、南山大道至南海立交段現(xiàn)狀均為雙向 8車道，車流量較大，交通繁忙，周邊地下管線較密集。

1.3 施工過程中地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮情況

為確保工程施工中既有地鐵的安全運營，采用自動化監(jiān)控量測，沿區(qū)間隧道每間隔10 m布置1個斷面，每個斷面布置上下左右4個監(jiān)測點位，對施工過程中的區(qū)間隧道變形進行長期監(jiān)測。

桂廟路快速化改造工程在里程K2+847處基坑開挖施工期間，下方地鐵盾構(gòu)區(qū)間出現(xiàn)嚴(yán)重的上浮，此處距離基底僅約6.2 m，地層為礫質(zhì)黏土層和全風(fēng)化層。開挖面土體開挖分3層進行，在開挖完成第2層土體后，受停工影響工作面擱置半個月未進行施工。2017年11月2日復(fù)工后，重新開始第3層土方開挖，11月6日基坑開挖見底，11月7日地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮量出現(xiàn)突變，上浮量突破10 mm紅色預(yù)警值?，F(xiàn)場立即采取措施并停止開挖后，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在14.1 mm左右，較之前有輕微上??；此后，一直處于停工狀態(tài)，在2018年復(fù)工開挖之后，此范圍出現(xiàn)更為嚴(yán)重的上浮，至2018年4月8日累計上浮量突破20 mm。K2+847處地鐵盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測點位上浮變化如圖4所示，其對應(yīng)工況如圖5所示。

圖4 K2+847處地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化示意圖

Fig.4 Schematic diagram of floating variation of monitoring points of shield section at K2+847

圖5 K2+847處地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化對應(yīng)工況

Fig.5 Working conditions corresponding to floating variations of shield section at K2+847

隨著地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮量不斷增大，洞內(nèi)盾構(gòu)管片出現(xiàn)滲漏水，累計多達(dá)50多處；運營接觸網(wǎng)導(dǎo)高值發(fā)生變化，導(dǎo)高網(wǎng)經(jīng)過幾次調(diào)整已經(jīng)接近容許極限；盾構(gòu)管片出現(xiàn)掉角現(xiàn)象。這些情況已嚴(yán)重影響到地鐵正常運營，致使區(qū)間運行地鐵車速降至60 km/h。受此影響，桂廟路快速化改造工程多次被迫停工，工程一度無法推進。

2 地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮原因及影響因素

2.1 上浮原因分析

2.1.1 卸載后土體回彈變形

基坑內(nèi)土體開挖過程中引起地鐵上浮的機制主要是： 由于基坑底部土體具有彈性變形特征，在基底上方大量土體挖除卸載后，土體豎向壓力減小，基坑內(nèi)原位土體應(yīng)力平衡受到破壞，處于不平衡狀態(tài)，進而產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，基坑底部到盾構(gòu)管片之間土體出現(xiàn)彈性上浮變形，引起盾構(gòu)管片上浮。

2.1.2 下臥層土體對盾構(gòu)管片浮力、壓力的影響

基坑內(nèi)及周邊土體變形具有連續(xù)協(xié)調(diào)性，盾構(gòu)區(qū)間下臥層地質(zhì)隨著基坑開挖及水位變化，對盾構(gòu)管片的浮力、壓力也隨之變化，引起盾構(gòu)區(qū)間上浮。

2.1.3 時間因素影響

基坑內(nèi)土方沿基坑方向分臺階、縱向放坡開挖，卸載范圍較大，且卸載暴露時間較長?；娱_挖過程中，從前2層土開挖到第3層土開挖及結(jié)構(gòu)施工，期間擱置時間超過半個月，施工不連續(xù)，造成基坑下盾構(gòu)區(qū)間持續(xù)上浮得不到控制。

2.1.4 地層預(yù)加固效果不佳

盾構(gòu)隧道處于深厚礫質(zhì)黏性土中，屬于不利地質(zhì)條件，基坑開挖之前對地層進行旋噴樁加固，受施工工藝和地質(zhì)條件限制，旋噴樁加固后注漿區(qū)域不連續(xù)，難以達(dá)到預(yù)期效果。

2.2 上浮的主要影響因素

2.2.1 開挖工況的影響

通過對地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮監(jiān)測數(shù)據(jù)與對應(yīng)工況、時間分析，發(fā)現(xiàn)隧道上浮變形與基坑土方開挖有明顯的對應(yīng)關(guān)系，如圖6和圖7所示。隨著土體的逐層(共3層)開挖，累計上浮量不斷增大，其中坑底最后一層開挖時隧道上浮變形發(fā)展最快，并達(dá)到累計最大值?？梢?，挖除土體卸載對上浮影響效果顯著。

基坑開挖引起地鐵盾構(gòu)區(qū)間累計上浮量與開挖位置距離關(guān)系曲線呈正態(tài)分布，開挖位置的累計上浮量最大，上浮量隨著與開挖位置的距離增加不斷減小，在距離開挖位置50 m以外的范圍，卸土對地鐵上浮幾乎沒有影響。地鐵上浮過程主要集中于基坑內(nèi)土方開挖過程，其中第3層土方開挖時上浮最為顯著。地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮是一個持續(xù)的過程，與基坑開挖卸土?xí)r間有很大關(guān)系，加快施工進度有助于減小累計上浮量, 總結(jié)為1個字——“快”。

圖6 K2+784處地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化示意圖

圖7 K2+857處地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化對應(yīng)工況

Fig.7 Working conditions corresponding to metro shield tunnel floating at K2+857

2.2.2 地質(zhì)條件的影響

建立場地土體、地鐵隧道、周圍防護樁和箱體結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，對礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化粗粒花崗巖、強風(fēng)化粗?；◢弾r3種地質(zhì)條件下，基坑開挖過程的最大上浮量進行模擬，采用FLAC3D 軟件進行計算。基坑開挖僅對有限范圍產(chǎn)生較明顯的影響，在3倍跨度處的應(yīng)力變化一般在10%以下；同時，考慮圍護樁在兩側(cè)的穩(wěn)固作用，計算模型左右邊界取距離地鐵盾構(gòu)區(qū)間2倍洞徑，下邊界取地鐵盾構(gòu)區(qū)間下6 m范圍，上邊界取至地表，由此確定模型尺寸為60 m(長)×40 m(寬)×40 m(高)。

K2+857位置地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化如圖8所示。選取位置基坑底部距離盾構(gòu)區(qū)間6 m，基坑深度為15.4 m，地鐵區(qū)間上方覆土厚度為21.4 m，開挖至基坑底部時，達(dá)到施工最大卸載量，卸載率為0.72(假設(shè)開挖至隧道外輪廓為1)。根據(jù)3種地質(zhì)情況下卸載率和上浮關(guān)系分析，當(dāng)達(dá)到最大卸載率時，相應(yīng)的上浮量：礫質(zhì)黏性土為13.6 mm，全風(fēng)化粗粒花崗巖為10.2 mm，強風(fēng)化粗?；◢弾r為8.4 mm。

隧道到基坑軸線距離為12 m(誤差±5%)，基坑寬度為40 m(誤差±5%)。

圖8 K2+857位置地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮變化示意圖

Fig. 8 Schematic diagram of metro shield tunnel floating at K2+857

由此可見，地質(zhì)條件對地鐵上浮有一定的影響，但不是主要原因，對地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮影響最大的因素是卸載率，卸載率和上浮量幾乎成線性正比關(guān)系。此分析結(jié)果與上節(jié)分析結(jié)果一致，即土方挖除卸載是引起地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮的根本因素。

2.2.3 結(jié)構(gòu)施工的影響

對開挖基坑繪制立體模型進行分析，對比結(jié)構(gòu)及上方覆土施工前后的上浮量，如圖9和圖10所示。由于基坑開挖深度達(dá)17 m左右，開挖過程中土體卸載量巨大，底板澆筑對隧道上浮控制主要靠自重壓力，而鋼筋底板厚度僅1.3 m，其自重相對較小，底板的澆筑對上浮的控制效果有限。而當(dāng)?shù)装迳喜拷Y(jié)構(gòu)施工完畢并及時覆土后，該處的最大上浮量顯著下降，可見結(jié)構(gòu)施工及拱頂土方回填對隧道上浮控制有明顯作用。因此，施工過程中結(jié)構(gòu)盡快閉合形成流水作業(yè)并及時覆土，對地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制非常有利。

此外，由圖10可知基坑開挖過程中，累計最大上浮量發(fā)生于開挖坡腳位置，此處在結(jié)構(gòu)及覆土施工完成后，上浮量略有下降，無明顯回落，可見結(jié)構(gòu)及覆土施工對正下方地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮回落有顯著效果，而對周邊位置影響較小。雖然結(jié)構(gòu)底板施工對地鐵上浮控制作用較小，但是結(jié)構(gòu)框架閉合并及時進行覆土施工，會使上浮量顯著下降，因此，在底板施工完成后，必須緊跟進行側(cè)墻和頂板后續(xù)工序施工, 總結(jié)為1個字——“緊”。

圖9 結(jié)構(gòu)閉合及覆土完成前地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮示意圖

Fig.9 Schematic diagram of metro shield tunnel floating before structural closure and completion of soil cover

圖10 結(jié)構(gòu)閉合及覆土完成后地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮示意圖

Fig.10 Schematic diagram of metro shield tunnel floating after structural closure and completion of soil cover

2.2.4 開挖范圍的影響

底板分段施工如圖11所示，不同分段對應(yīng)地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮量如圖12所示。在K2+797～+847段50 m范圍底板施工期間(未進行其他結(jié)構(gòu)施工)，基坑暴露長度為20 m時，累計最大上浮量為4 mm；繼續(xù)向前施工至K2+827處，基坑暴露長度為30 m時，累計最大上浮量為8 mm；繼續(xù)向前施工至K2+847處，基坑暴露長度為50 m時，累計最大上浮量達(dá)到14.1 mm(此處后續(xù)出現(xiàn)繼續(xù)上浮，累計最大上浮量超過20 mm)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，在施工工序安排方面，底板施工長度和地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮關(guān)系密切，縮短施工分段非常必要，及時進行結(jié)構(gòu)封閉并覆土回填是控制上浮的有效方法。基坑開挖見底后，基坑底部在未進行側(cè)墻和頂板結(jié)構(gòu)施工前，暴露的范圍越長，后續(xù)累計上浮量越大，因此，縮小施工分段，減少基坑暴露長度對地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制非常有效, 總結(jié)為1個字——“小”。

(a) 基底暴露20 m

(b) 基底暴露30 m

(c) 基底暴露50 m

圖12 不同底板分段長度對應(yīng)地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮量

Fig.12 Different floor lengths corresponding to metro shield tunnel floating amount

3 地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制技術(shù)及應(yīng)用

3.1 預(yù)先控制技術(shù)

3.1.1 三重高壓旋噴樁加固

如圖13所示，采用三重高壓旋噴樁對基坑底部至盾構(gòu)區(qū)間之間土體進行滿堂加固，加固一側(cè)以圍護樁作為加固邊界，另一側(cè)以地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)外側(cè)8 m位置作為邊界。為了保護地鐵盾構(gòu)區(qū)間安全，旋噴樁加固至距盾構(gòu)管片外輪廓3 m位置處。旋噴樁直徑為60 cm，間距為1.5 m×1.5 m，在隧道側(cè)面進行門式加固，增大土體的強度，防止土體液化，提高基坑的穩(wěn)定性，最大限度降低坑底土體回彈，從而減少盾構(gòu)區(qū)間的上浮變形。該措施具有易施工、成本低、施工時間短等優(yōu)點，對地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制有一定作用，但是對于基坑與下方地鐵盾構(gòu)區(qū)間共線范圍較大、存在較大上浮風(fēng)險的情況，其加固效果受地質(zhì)條件限制，難以控制上浮量達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)范圍。

3.1.2 三軸攪拌樁加固

采用三軸水泥攪拌樁對坑底至盾構(gòu)區(qū)間段地層進行加固，采用注水泥漿與土體混合形成具有一定強度和整體性的固結(jié)體。三軸攪拌樁對于淤泥質(zhì)地層特別適用，對于砂層、黏土層效果較差，不適用于風(fēng)化地層及較為堅硬的地層。由于加固是在基坑開挖前進行，三軸攪拌樁只針對特定地段，其使用有較大的限制條件。實踐表明，三軸攪拌樁加固效果優(yōu)于旋噴樁加固，但只適用于特定地層，局限性大。

3.1.3 結(jié)構(gòu)分幅施工

采用結(jié)構(gòu)分幅施工能夠有效控制地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮。在桂廟路南山站以東，采用南北分幅施工方案，如圖14所示。在基坑中部靠近南側(cè)設(shè)置1排支護樁，先開挖北側(cè)基坑，進行北半幅施工，待北側(cè)基坑施工完成后，再進行南側(cè)基坑及結(jié)構(gòu)施工，從而減少了卸土量，加快了結(jié)構(gòu)的閉合時間。目前，本工程東端北側(cè)結(jié)構(gòu)分幅施工已經(jīng)完成，施工期間地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大上浮量為6.4 mm，未超過10 mm的控制值，保證了地鐵區(qū)間的安全。該方法對地鐵上浮控制比較有效，但會增加成本，且大幅增加施工時間。

3.1.4 豎井+抗浮板+抗拔樁方案

該方案利用抗拔樁錨固于抗浮板中，形成整體抗浮結(jié)構(gòu)，在基坑開挖前先施工抗拔樁，施工完成后再進行豎井開挖，開挖到基坑結(jié)構(gòu)底板以下施工抗浮板，在抗浮板全部施工完成之后，進行基坑開挖并施工主體結(jié)構(gòu)，如圖15所示。

抗拔樁采用直徑為1 m的鋼筋混凝土樁，利用搓管樁機進行施工，施工期間采用全護筒防護，保證不出現(xiàn)孔身坍塌，確保地鐵區(qū)間安全。

豎井尺寸為5.5 m×15 m×11 m，利用I25a工字鋼作為側(cè)壁的支護結(jié)構(gòu)，并設(shè)置2 m長錨桿打入豎井周邊土體錨固，支撐采用H250 mm×250 mm型鋼，鋼架之間采用鋼筋連接，并噴30 cm厚C25混凝土。

目前，在本工程西端豎井開挖施工完成區(qū)域，地鐵盾構(gòu)區(qū)間最大上浮量為2.9 mm，遠(yuǎn)小于10 mm控制值，達(dá)到了設(shè)計要求。通過實踐證明，該方法對地鐵上浮控制特別有效，能很好地控制地鐵上浮。該方法的不足之處是豎井+抗浮板+抗拔樁施工會增加施工成本，并延長施工工期。

圖13 旋噴樁加固斷面圖 (單位: mm)

圖14 結(jié)構(gòu)分幅施工示意圖 (單位： mm)

圖15 豎井+抗浮板+抗拔樁方案示意圖 (單位： mm)

3.2 應(yīng)用效果對比

采用三重高壓旋噴樁加固、三軸攪拌樁加固、結(jié)構(gòu)分幅施工、豎井+抗浮板+抗拔樁4種預(yù)控技術(shù)的主要優(yōu)缺點以及控制效果如表2所示。

表2地鐵上浮主要預(yù)控技術(shù)效果對比

Table 2 Comparison of effects of main pre-control techniques for metro floating

預(yù)控技術(shù)主要優(yōu)點主要缺點控制效果 三重高壓旋噴樁加固 施工容易、成本低加固效果差一般三軸攪拌樁加固 適用于淤泥質(zhì)地層 有地質(zhì)條件限制一般結(jié)構(gòu)分幅施工 結(jié)構(gòu)閉合時間加快 增加施工工序、時間較好 豎井+抗浮板+抗拔樁 能夠有效控制地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮 增加較大工程量,成本較高最好

3.3 緊急處治措施

對于基坑開挖后地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮急劇增加的情況，可采取底板上水桶堆載反壓(見圖16)及堆土回填反壓(見圖17)、對基坑底部土體進行注漿加固處理(見圖18)等多種措施。對于隧道內(nèi)部的裂縫、變形和滲漏，可在地鐵夜間停運后，采用洞內(nèi)注漿加固堵漏處理(見圖19)。

圖16 水桶堆載反壓

圖17 堆土回填反壓

圖18 坑底注漿加固

圖19 隧道內(nèi)注漿加固

4 結(jié)論與討論

本文以深圳市桂廟路快速化改造工程為背景，基于長期自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了引起地鐵盾構(gòu)區(qū)間產(chǎn)生變形上浮的原因及不同影響因素對上浮的影響，并針對不同的原因提出合理有效的控制技術(shù)。主要結(jié)論為：

1)地鐵上浮主要原因是由基坑開挖卸土引起，分段、分層、分幅開挖，盡可能減少卸土量，加快結(jié)構(gòu)閉合及縮短覆土施工時間，對控制地鐵上浮起關(guān)鍵作用。因此，在主體結(jié)構(gòu)施工工序安排過程中，采用“小、快、緊”的開挖原則，對于地鐵上浮控制十分重要。

2)明挖隧道下方共線地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮預(yù)先控制措施，可根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)空間位置不同選擇不同的方式，旋噴樁加固對于地鐵上浮控制有一定的作用，控制效果主要取決于地質(zhì)條件和加固質(zhì)量，攪拌樁加固對于淤泥質(zhì)地層較為適用，豎井+抗浮板+抗拔樁施工方案對于地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制難度大的區(qū)域是最有效的控制方案。

由于造成地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮的影響因素較多，各類計算模式受地質(zhì)條件不同的限制，計算結(jié)果的應(yīng)用有一定的局限性；另外，地鐵盾構(gòu)區(qū)間上浮控制的有效方法往往成本較高，并延長施工工期，如何在施工控制措施的選擇上，達(dá)到經(jīng)濟與安全質(zhì)量的平衡，是尚存在難以解決的問題。