既有地铁隧道上方进行基坑施工的方法

上海轨道交通目前已进入网络化运营阶段，中心城区线网密布，地下快速干道和地下空间开发不可避免会与既有地铁线路立体交叉。软土地层中地铁隧道上方卸荷会引起下方土体回弹变形，导致下卧隧道隆起并严重威胁地铁安全。随着地下空间利用规模越来越大，卸荷范围大大增加，已有地铁隧道上方基坑施工技术将无法满足工程建设的需要，必须突破现有技术瓶颈，研究复杂工况下的施工新技术。
　　1　工程概况
　　东西通道浦东段拓建工程是上海井字形道路交通的一部分，西起延安路隧道浦东出口，沿世纪大道至陆家嘴东路，向东折向浦东大道至金桥路，工程全长约7.9km，其中内环线以西段为地下道路，全长约6.1km，采用明挖施工。东西通道陆家嘴段有两处上穿运营中的地铁二号线，同步实施的新建路隧道、人民路隧道浦东接线工程有一处上穿运营中的地铁二号线。分别为主线穿越段、右转匝道穿越段、银城东路下立交穿越段（图1），三段基坑与运营地铁的相对关系如表1所示。




　　本场地土层属于上海典型的软弱土层，主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，地基土分布为：第①层杂填土、②0层黏质粉土（俗称江滩土）、②1层粉质黏土、③层灰色淤泥质粉质黏土、③夹层黏质粉土、④层淤泥质黏土、⑤1层灰色粉质黏土、⑥层粉质黏土、⑦1层砂质粉土、⑦2层粉砂，根据勘察结果，拟建线路工程沿线地下水的潜水静止水位埋深在0.70～2.80m之间，由于坑内采用满堂加固，故不需疏干坑内潜水。场地⑦层砂质粉土、粉砂中的地下水属承压水，根据计算本工程施工阶段不需降承压水。
　　2　现有技术局限
　　上海地铁隧道采用装配式结构，在保护区内施工必将对其产生影响，轻则引起管片接缝张开、漏水，重则引起管片开裂、结构破坏，影响地铁运营。在地铁保护区内施工对地铁结构的影响限度必须符合以下标准:（1）地铁隧道绝对沉降量及水平位移≤20mm；（2）隧道变形曲率半径R≥15000m；（3）相对变曲≤1/2500。在地铁隧道上方施工深基坑目前已有较多成功案例，但现有技术受开挖深度和穿越跨度所限，随着卸荷范围和规模不断加大，隧道上浮量也不断累加。地铁隧道的隆起变形主要由地基加固和基坑开挖引起，为了控制隧道隆起总量，应尽量减小各阶段的影响，如控制不当则会影响地铁安全运营。
　　2.1　地基加固引起隧道隆起
　　已有工程案例和研究表明，当搅拌桩与隧道水平距离最近为1m施工时，隧道隆起量达6.29mm，搅拌桩施工引起紧邻地下结构隆起量如表2所示。而本次最小水平距离仅为0.7m，其中主线穿越段加固量达16万方，如此近距离下大规模施工搅拌桩尚无先例，如采用现有三轴搅拌桩工艺，其对隧道的隆起影响将更大，为后续基坑开挖控制隧道总隆起量带来极大困难。


　　2.2　基坑开挖引起隧道隆起
　　现有开挖技术主要为土体分层、分小块放坡、限时开挖、快速回筑底板并堆载。现有技术的缺点为：（1）随着开挖深度的增加，单次开挖卸荷量增大，当开挖深度为7.5m时，每延米卸载量为16.6m3，开挖深度增加至11.5m时，每延米卸载量为62.6m3，增量达277%，如图2所示；（2）土体必须依次放坡开挖，如此则使影响范围内隧道隆起量不断累加。以上两点均为隧道变形带来不利影响。现有工程案例中，当开挖深度在7.5m以下，穿越跨度较小时，隧道最大隆起量已接近保护标准，而当穿越跨度较大时，施工过程最大隆起量已达20mm，如表3所示。


　　本工程主线段开挖深达11.5m、穿越跨度达108m、剩余覆土仅为4m，为了预测其影响，利用三维数值方法对现有开挖技术施工建立有限元模型，得到的隧道最大隆起变形为26.9mm，现有开挖技术无法保证地铁二号线安全运营。






　　2.3　工期紧
　　本工程位于小陆家嘴金融区，为了减小施工对社会环境交通的影响，主线穿越段要求工期为9个月，如采用现有技术计划工期将近11个月，工期无法完成。
　　3　关键技术
　　根据工程实际情况，前期对施工方案和主要技术进行了深入分析，并结合现场试验研究、理论分析和工程实践，形成一系列关键技术，突破了现有技术的瓶颈，确保了地铁运营安全。
　　3.1　围护桩及地基加固
　　主线穿越段基坑采用三道支撑形式：第一道800×800mm2 混凝土支撑加两道Φ609mm钢管支撑。右转匝道和银城东路穿越段基坑均采用两道支撑形式：800×800mm2 混凝土支撑加609mm钢管支撑。围护桩、基坑分隔桩及地基加固均采用SMW工法桩，为了增强土体抗隆起能力，减小开挖阶段隧道的隆起量，在隧道顶和两侧设计了满堂地基加固和隔离桩，加固体距隧道顶50cm，距隧道侧70cm，三处基坑地基加固总量达230000m3，其中主线段160000m3，主线穿越段加固剖面图如图3所示。
　　经研究，形成了紧邻地铁隧道大面积三轴搅拌桩连续加固施工关键技术：（1）隧道两则各三排隔离桩及隧道上方加固桩必须在夜间列车停运时施工，并采取特殊的喷浆喷气搅拌工艺，且必须跳孔施工，其余可在列车运营时施工，但在距地铁隧道较近时也需跳孔打设；（2）控制搅拌桩下沉速度和提升速度；（3）调整控制搅拌桩的水灰比；（4）隧道两侧隔离桩采取非常规的施工顺序。


　　3.2　“弹钢琴”开挖技术
　　为了减小单次开挖的卸荷量、暴露时间及减小开挖过程对变形的累加效应，充分利用土体回弹时空效应与隧道结构刚度，形成了“弹钢琴”开挖技术，即在大跨度基坑内设置一系列与隧道近似正交的分隔墙，形成好像钢琴键盘的一系列小基坑。根据变形控制和工期需求，在满足间隔开挖的前提下，可多工作面同步流水作业，类似弹钢琴，如图4所示。如此则将原来的27m×150m的大基坑转化为6m×27m的21个小基坑，分四个阶段进行跳仓施工，每个阶段同步施工的基坑中间间隔3个小基坑。


　　3.3　基坑开挖与结构制作
　　每个小基坑分四层土开挖，前三层土依次分层开挖并安装支撑，最后一层留土厚3～4m，根据施工能力和工程量，分小块土体开挖、制作底板并压重，然后进行下一小块施工。每小块从土体开挖到底板混凝土浇筑在7h内完成，每个小基坑底板全部完成后，回筑侧墙和结构顶板，并覆土，然后开始下一阶段小基坑施工。SMW工法抗拔桩和隧道两侧隔离桩型钢，随着基坑开挖逐步割除，开挖至底后将型钢与底板相连接。
　　3.4　信息化施工
　　隧道内采用人工及自动化对隧道变形进行监测，施工全过程中及时收集监测数据，并结合施工工况深入分析，根据监测情况对工况和方案作出及时调整，使施工实现信息化。
　4　实测效果分析
　　主线、右转匝道、银东下立交穿越段围护桩和地基加固施工引起的地铁隆起变形分别为3.6mm、2.6mm、2.1mm，隧道最终隆起量分别为14.7mm、8.6mm、7.6mm，满足了地铁隧道变形保护要求，确保了地铁运营安全，图5为主线穿越段隧道最终隆起曲线图。与相同工况条件下同类工程案例相比，本工程关键技术可以减小地基加固阶段50%以上隧道变形量，减小开挖和结构制作阶段40%以上隧道变形量。
　　本工程三处穿越段均按原计划在要求工期节点前完工，其中主线穿越段实际工期为8个月，较原计划提前1个月。


　5　结语
　　针对上海东西通道跨越地铁2号线的基坑工程对下卧运营地铁隧道的影响，通过施工技术研究，形成了既有地铁隧道上方基坑施工新技术，突破了现有技术的瓶颈，实践表明，在卸荷规模更大、工况更复杂的条件下，该技术有效解决了隧道隆起量随穿越跨度的增加而显著增长的难题，确保了地铁运营的安全，可为今后软土地区城市轨道交通线网密集区地下空间利用提供参考和借鉴。