清凉门隧道上跨既有地铁2号线深基坑施工技术

1工程概况
城西干道清凉门隧道在汉中门段（里程K2+999~K3+043）上跨南京市地铁二号线盾构区间隧道。地铁二号线该区域为单洞单线盾构隧道的区间，埋深为14.5m，现已开通运营。沿线建构筑物密集，地下管线众多。交通繁忙，车流量较大。
上跨地铁段隧道基坑最大开挖深度9.4m，平均挖深9.1m，开挖基坑底部距离地铁顶部最小垂直距离5.1m，隧道与地铁二号线斜交75°。
基坑开挖区域自上而下土层为：
1杂填土：由粉质粘土混碎砖，厚度2.5-3.4m；
2素填土：粉质粘土局部夹植物根系，埋深2.5-3.4m；
2-1粉质粘土：含少量腐植物，局部夹薄层粉土，埋深5.4-7.3m；
2-2粉质黏土：软流塑、部分为淤泥质粉质黏土，韧性、干硬度中等，埋深7.5-9.5m。
3-1粉质黏土：灰黄色-棕红色，可塑，局部硬塑，含铁锰结核，干强度中等，层顶埋深约12.7m，层厚约4m；
4-2残积土：棕红色，由泥岩、泥质粉砂岩经剧烈风化而成，以硬塑状态为主，土质不均，浸水极易软化。层顶埋深约20.8m，层厚约0.9m。
5-1强风化泥岩、泥质粉砂岩、棕红色、风化强烈、局部夹少量中风化岩块，属极软岩，遇水极易软化，层厚约2.5m；
5-2a中风化泥岩、泥质粉砂岩、棕红色、泥质胶结，泥质及粉粒状结构层状构造，岩质软硬相间，有裂隙发育，属极软岩，层厚约20m。
施工区域西侧约60m为秦淮河，常年水位标高约6.5m（吴淞高程）。对工程和施工有影响的地下水主要为浅层潜水、弱承压水、基岩风化裂隙水。浅层潜水主要赋存于人工填土及新近沉积的2层土中，人工填土厚度3-4m，水量丰富，透水不均，总体上属于弱透水层~透水地层。潜水稳定水位埋深在地面以下5m左右。


2工程难点
2.1隧道保护要求高
南京地铁2#线隧道采用装配式结构，在保护区内工程施工必将对其产生影响，轻则引起管片接缝张开、环缝或通缝漏水；重则引起管片开裂、钢筋锈蚀缩短隧道使用寿命。为确保保护区内工程施工对隧道不产生损坏，特制定以下标准：
（1）地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm；
（2）隧道变形曲线的曲率半径R15000m；
（3）相对弯曲不大于1/2500；
（4）收敛变形小于20mm。
2.2基坑开挖引起隧道隆起量大
基底与隧道顶净距仅5.1m，为接近工程实际，采用有限元法对基坑卸载过程进行模拟，根据地层损失原理对实际荷载和相应系数进行修正。计算结果表明，仅开挖期间隧道顶部最大附加变形量为12.52mm，加之前期施工隧道隆起量，隧道结构设施必将受到影响，甚至影响地铁安全运营。
2.3施工区域地质条件差
对应地铁隧道结构施工区域状况不良，历史上曾发生过一定程度的沉降和变形，目前累计沉降量较大。
3设计措施
3.1围护结构
上跨地铁二号线区段的隧道基坑四周采用φ1000@800的咬合桩围护，形成封闭基坑。东西两侧为φ1000@2000的双排桩围护结构外侧8m范围两地铁盾构隧道之间以及地铁盾构隧道两侧分别设三排φ1000@800的咬合桩与基坑围护桩相连，其与围护桩通过冠梁连接形成整体，成“丁”状，以增强基坑围护结构稳定性。
3.2地基加固
φ850的三轴搅拌桩满堂加固，桩底标高为-9.5m，深入地铁底板标高以下至少0.7m，地铁保护限界之内的围护桩桩底距离隧道顶1.0m。地基加固的目的是防止基坑开挖期间盾构隧道上浮。
3.3支撑体系
基坑深度范围内设三层支撑，其中第一层支撑为钢筋砼支撑，共设4道支撑梁及6道辅助的琵琶撑。第二、三层均为Φ609mmδ16mm钢管桩支撑。第二道支撑施加191.22kN，第三道支撑施加23.36kN。
3.4主体结构
上跨地铁二号线段隧道主体分为三节施工，长度分别为15m、14m、15m。节与节之间做施工缝处理。
4施工流程
两侧地基加固、围护桩施工（地基加固完成后进行雨污水管施工）→中间部分封堵头、地基加固、抗拔桩施工→冠梁、第一层砼支撑施工→第一、二层土方开挖、钢支撑安装→第三层中间10m区域土方开挖→中间10m区域垫层、底板施工→分两次开挖第三层两侧剩余的土方→两侧垫层、底板施工→拆第三层钢支撑→边墙施工→将第二道钢支撑换撑至侧墙位置→顶板施工→顶板防水层→拆第二道钢支撑、凿除第一道砼支撑→土方回填。
5主要施工技术
5.1地基加固
地基加固采用三轴搅拌桩。因地铁保护限界内地基加固桩底距离地铁顶部最小距离仅1m，为确保施工精度，减小对地铁的干扰，采用在三轴搅拌桩钻杆上设横向限位杆的方式确保精度，施工顺序为：
第一步：虎踞路车辆从中间通行，施工两侧的三轴搅拌桩。首先施工地铁保护限界外的搅拌桩，然后再施工地铁保护限界以内的搅拌桩。桩基垂直于隧道布置，北半幅的桩基从南向北推进，南半幅的桩基从北向南推进。
第二步：虎踞路车辆从两侧通行，施工中间剩余的三轴搅拌桩，施工顺序同第一步。




5.2围护结构
三轴搅拌桩施工完成后方可进行咬合桩的施工。地铁保护限界之外的围护桩φ1000@800的钻孔咬合桩采用120°全套筒钻机施工。地铁保护限界内的围护桩桩底距离地铁顶部仅1.5m，采用旋挖钻施工，以减少对地铁的影响。为防止旋挖钻施工出现塌孔现象，待三轴搅拌桩桩体强度达到70%以上再采用旋挖钻进行咬合桩施工，如图1、图2所示。
5.3支撑结构
基坑深度范围内设三层支撑，其中第一层支撑为钢筋砼支撑，共设4道支撑梁及6道辅助的琵琶撑。采用18mm的竹胶板做模型，对拉拉杆加固，钢筋砼支撑达到设计强度的100%后方可进行基坑土方的开挖。第二、三层均为Φ609mmδ16mm钢管桩支撑。第二道支撑施加191.22kN，第三道支撑施加23.36kN。
5.4基坑降水
为减少对地铁的扰动，本区域基坑降水不采用井点降水方式，基坑开挖的同时采取挖集水坑明排的方式来解决地表水和地下水问题。
5.5配重设置
主体土方开挖过程中，由于覆土被卸载，可能导致地铁在地下水浮力作用下产生上浮或位移，在开挖阶段通道内配重、底板施工完成后将配重卸载，开挖及配重（主体结构施工及卸载）同步进行。配重根据与卸载土相同重量的原则，采用2m的预制混凝土块加载实施。
5.6基坑开挖
根据“时空效应”理论和地下工程施工及验收规范的要求，严格遵守“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的施工原则。清凉门隧道和地铁二号线交叉段的基坑尺寸为：长×宽×深＝43m×28m×9.1m，四周全是围护桩，根据设计文件制定施工参数如下：
开挖分层的层数：每层开挖深度2m~4m，开挖层数3层，每段最后人工配合机械清底20cm；每层分4~5个区段，每个区段宽度8-10m，开挖完一个区段及时安装钢支撑。




每层分部开挖的数量：V＝300~600m3；
分部开挖的时间限制：Ts＝12~14h；
分部开挖后完成支撑的时间限制：Ts＝1~2h；
钢支撑预加轴力：N＝设计计算轴力的70％；
每部开挖的长度B和高度H：B＝8~10m（两根钢支撑），H＝钢支撑层距3m。每部开挖卸载后无支撑暴露时间：Tr＝14~16h；
选用2台长臂挖掘机、2台普通挖机、2台小挖掘机进行开挖，日完成挖土方约400m3。在围护桩两侧设隔离围挡，作为机械运行、停放和车辆行驶通道的场地，土方利用自卸汽车运出，弃于指定地点。
每段纵向开挖分层长度最大10m、最小为8m，深度以每道钢支撑的高度为一层，钢支撑的安装和预应力的施加控制在16小时以内，分段土方开挖到设计标高后快速浇筑底板砼垫层及底板砼，确保基坑安全。
基坑底以上3m范围内土方开挖及底板施工：为减小地铁上浮力，第三层土方分三次开挖，第一次开挖中间10m区域的土方，开挖完毕及时进行该区域的底板施工，开挖的同时在两侧进行堆载；第二、三次分别开挖两侧剩余的土方，开挖完毕及时进行该区域的底板施工，开挖的同时在中间进行堆载。如图3、图4所示。
5.7底板混凝土浇筑
为节约单幅底板施工时间，钢筋接头采用机械连接，采用斜面分层下料，分层浇筑，踏步式向后推进，每层厚度控制在50cm左右，每台泵车配备4~6台插入式振动棒，要求不出现夹心层。在单幅底板混凝土初凝前，隧道上方的混凝土表面铺设九夹板，用预先准备的预制混凝土块进行回压，防止基底回弹带动隧道隆起。从土体开挖至混凝土底板浇筑完毕，时间要求控制在7h内。如图5所示。
5.8信息化施工
隧道内采用人工及自动监测相结合方式进行信息化施工，确保数据及时准确，能起指导施工的作用。




6施工中各阶段隧道变形情况分析
地铁隧道上方进行土体加固过程中，隧道产生下沉趋势，最大沉降量约-3.4mm；第一层土开挖结束时，隧道隆起增量为1.6mm，第二层土开挖结束时，隧道隆起增量为2.86mm。整个挖土期间，隧道隆起量最大值为4.8mm。底板浇筑完毕后，结构回筑至顶板的20d施工中，隧道呈现隆起趋势，隆起量为1.36mm。基坑从围护施工开始至底板混凝土浇筑完毕后20d，地铁隧道收敛变形、曲率半径及相对弯曲等各项指标均满足地铁安全运营的保护要求。工程实施过程中，对该区间隧道结构进行普查，未发现结构裂缝及渗漏水等异常现象。如图6、图7所示。
7结语
在施工过程中，部分监测数据达到报警值，应及时调整施工方案，通过合理安排施工进度，尤其在开挖过程中通过控制挖土时间、做好开挖和配重的控制、预先放置模板、预制钢筋笼、每小块底板钢筋采用机械连接、浇筑早强、微膨胀混凝土，并在16h内完成预制混凝土块回压，最终有效控制了运营中地铁隧道结构变形，取得了一些可供参考的设计与施工经验。