深基坑施工对既有下卧隧道的保护技术研究

1工程概况

1.1项目概况
上海衡山路12#地块宾馆项目位于上海市衡山路—复兴路历史风貌保护区核心地段，是市中心繁华区域。本工程用地面积10800m2，基坑尺寸约为150m×60m，面积约为9000m2，开挖深度为11.45m，局部挖深为15.95m，如图1所示。


1.2环境概况
由于施工场地狭小，本工程南侧衡山路为唯一进出入口，其周边环境非常复杂，相邻建筑距离仅为6～10m，基坑施工对周边环境影响较大。
基地范围内含既有下卧隧道工程，其2条已建隧道由场地西南侧直通至一座位于地下室中部位置的竖井（图1），建筑基坑施工对既有下卧隧道影响较大。
1.3地质概况
本工程场地地貌类型属滨海平原，地基土属第四纪松散沉积物，主要为黏性土、粉性土组成，缺失上海地区正常沉积的⑥层暗绿色黏性土，而使⑤层沉积深厚，⑦层顶面埋深加大。
2深基坑施工风险分析
2.1环境风险分析
（a）基坑周边环境复杂：作为市中心风貌保护区域，本工程东临正在施工的704项目基坑工程，北邻多幢多层居民老公房，西近衡安大厦高层，与相邻建筑最近距离仅为6m。基坑开挖深度为11.45m，南侧唯一出入口衡山路旁尚有煤气、上水、雨水、电力、通信多条市政管线，且部分管线业已老化。万一施工不当，可能会造成严重的社会影响。
（b）特别需要指出的是：基地范围内含既有下卧隧道工程，其2条隧道建于上世纪60年代，由场地西南侧直通至一座位于地下室中部位置的竖井：隧道直径约5.8m，顶部埋深约14.70m（仅距工程底板2.20m）；竖井为地下钢筋混凝土结构，基础埋深约24.0m（需拆除工程底板以上部分）。其年代也已久远，结构老化，对环境变形十分敏感，须重点加以保护。
2.2基坑本体风险分析
基坑尺寸约为100m×60m，开挖深度为11.45m，局部挖深为15.95m，属典型的深基坑施工。基坑施工周期长，开挖后若长期暴露容易导致基坑变形，更严重的可导致基坑坍塌事故。
3深基坑施工时既有下卧隧道的保护技术
3.1三维数值模拟
利用新型有限差分法（快速拉格朗日方法）建立三维模型，模拟岩土由弹性至塑性屈服、失稳破坏直至大变形的全过程，本方法最大优势在于可以模拟施工全过程土体变化情况，以及分析地下隧道、桩等结构与土体的相互作用，这是其他数值分析方法所无法比拟的（图2、图3）。




通过三维模拟，对深基坑、既有下卧隧道及周边环境风险进行剖解、分析，研究保护重点及标准，针对不同保护基准要求采取相应的保护措施。
3.2围护体系选择及优化
建立围护体系模型，通过反复模拟实验、论证、比选，选取了最佳的围护体系：“两墙合一”地下连续墙+2道钢混对撑、角撑体系（图4）。


针对坑底既有下卧隧道的保护，制定了有效、专项的保护措施。
3.2.1异形围护组合技术
基坑坑底既有下卧隧道距底板仅为2.20m，重点考虑对既有下卧隧道的保护，经综合考量及比选后，选定此区域采用“骑跨式”围护体系，即采用长短笼“Π”形地下连续墙+重力式挡墙的围护组合体系，以解决此区域围护体系刚度不足及抗滑移等问题，确保既有下卧隧道的安全。
3.2.2套叠加固技术
通过模拟计算分析（图5）：基坑底板的既有下卧隧道及竖井上浮变形约25mm，故采用“套叠”加固技术，即利用工程抗拔桩+土体加固组合工艺，对隧道、竖井进行“紧箍”保护，约束因土方卸载、水浮力及基坑回弹隆起等综合因素作用下坑底既有下卧隧道及竖井的上浮变形趋势。同时土体加固也将地下隧道处部分开放的围护体系进行封闭，有效确保基坑稳定。


采用“套打”工艺，要先加固土施工再做抗拔桩施工，二者均采用“做一隔二”方式，以隧道为主体划分外圈、中部、内圈施工区域，采用分块、对称原则由外向内进行施工，以有效减少集中作业及施工叠加对其既有下卧隧道、竖井的影响。
3.2.3锚杆牵拉技术
通过模拟计算分析（图6）：缺少一端约束的竖井延隧道自坑内向外曲线递减变化，及相对约束较少的竖井上浮变形最大，通过分析，基坑范围内30m区域竖井、隧道差异变形约为12mm，考虑其竖井与隧道、隧道与隧道连接的钢构件已经老化，其对变形极为敏感，微小的差异变形可能会引起渗水。为此，利用竖井周边工程抗拔桩布设了12根钢立柱桩，使其与竖井进行对称连接，类似锚杆牵拉杆件，达到牵制、约束竖井上浮变形的目的。


3.3降水措施
在既有下卧隧道及竖井周边布设6口抗浮降水井（兼作观察井），释放竖井及隧道底部水浮力，并通过专人监控、定期降水、复算检测等措施有效控制既有下卧隧道及竖井的上浮变形（图7）。


3.4分段渐变堆载控制技术
根据模拟分析：针对既有下卧隧道及竖井的不均匀曲线上浮变形情况，采用沿隧道方向渐变堆载的施工控制技术，即隧道端部竖井施加较大的堆载，沿隧道离开端部方向堆载减小，并视隧道的长短进行分段堆载，以确保既有下卧隧道及竖井的上浮均匀可控（图8）。


3.5本体切割拆除
针对底板以上既有地下工程竖井的拆除，采用机械切割技术，分块、对称拆除竖井，此部分工作于支撑或底板形成及既有下卧隧道变形较为稳定后再进行，以减少施工影响，有效控制变形。
3.6监测措施
施工过程中要做好对既有地下工程及周边环境的监测工作，若发现监测数据异常时，须即刻分析处理，采取应急措施，调整施工流程，将危险源杜绝于源头。
4深基坑施工技术优化
4.1施工栈桥优化
基坑施工场地狭小，地下室占地面积大，工程基坑开挖面几乎占据了整个施工场地。基础施工阶段场地相当紧张，在基坑施工前，结合施工现场大门位置及基坑各分区的工作量，对现场施工栈桥进行优化，满足基坑开挖、支撑形成、基础结构施工等各阶段材料堆场及行车路线。有效确保基坑施工穿插有序，高效施工。
4.2合理部署、优化流程
本工程整体基坑约150m×60m，基坑占地面积较大，施工利用场地狭小，捉襟见肘，且只有南侧衡山路唯一出入口。为此，于整体基坑内增设围护分隔墙，将基坑划分为I区、II区两个分区进行施工，先施工场地内侧I区地下室结构至±0.00m后，再进行场地外侧II区基坑的施工。基坑分区后，有效的解决了施工场地问题，同时将整体大基坑中既有下卧隧道、周边环境保护的难题化解到I区小坑之中，有效的集中人力、物力、时间和空间，达到高效施工，确保既有下卧隧道、基坑本体及周边环境的安全和保护。
4.3优化堆载方案
选择可循环、便利的材料进行堆载施工，如水、砂、钢锭等综合考虑，便于施工过程中的动态调整及降低成本，达到快速、有效施工。
4.4基坑开挖原则
（a）严格按照“时空效应”理论：分层、分段、分块、平衡、限时、限量、随挖随撑、严禁超挖的原则进行。
（b）采用“盆式开挖”及“抽条法”进行施工：先开挖既有下卧隧道区域外的土体，盆式开挖两级放坡（比例1∶2），及时形成支撑或垫层；然后抽条开挖既有下卧隧道区域土体，严格按照对称原则抽条开挖，及时跟进支撑或垫层施工。
（c）开挖前做好各项检查工作：机械、劳动力配置充沛、进出道路畅通、降水及土体加固达到设计要求等。
（d）挖土阶段现场需有专人指挥，挖机不得碰撞围护体系，且坑边严禁超载（<20kN/m）。垫层随挖随捣，并及时形成支撑和底板，避免基坑无支护体系下暴露时间过长。
（e）开挖至基础底板时，应先开挖至浅基坑标高，待完成垫层或底板混凝土浇筑，再对较深的基坑进行土体开挖。
4.5加强信息化管理，优化调整施工
加强信息化管理及监测数据分析，优化调整堆（堆载）-卸（挖土）施工，动态调整堆-卸平衡，有效控制既有下卧隧道的上浮变形。
采用“分段渐变堆载控制技术”、“分步动态堆载控制技术”及“分步分区卸载控制技术”，即以深基坑施工的每道土体卸载工况为一个步距，视上一步的地下隧道及竖井监测情况动态调整该步的堆载量及位置，以达到约束控制既有隧道及竖井上浮变量及不均匀上浮的情况，结合高效的信息化管理和分析反馈，终而复始、循环往复，有效指导施工，确保既有下卧隧道、基坑本体及周边环境的安全和保护。
4.6应急预案
对于基坑工程施工过程中可能遇到的紧急、突发、高风险事件，先期制定各项应急预案，基坑工程施工前，按照应急预案的要求配置好应急物资和准备，组建应急小组、人员到位。
5实施效果
根据监测数据，基坑开挖阶段既有下卧隧道累计最大变形16.3mm，基坑范围内隧道最小变形9.5mm，差异变形仅为6.8mm。通过因地制宜的精心策划，科学有序的细化组织，成功地控制了基坑坑底既有保护性隧道的变形量，确保了既有下卧隧道的安全。同时，基坑围护和周边建筑、地下管线的变形量，日变形量及累计变形量均在设计、监护限度值的范围内。