馬宏建

(中鐵隧道集團有限公司天津工程指揮部，天津 300161)

0 引言

隨著國內基本建設的不斷發(fā)展、城市地下空間開發(fā)和高層建筑的大量建設，基坑工程日益增多，基坑三維尺寸和規(guī)模在不斷增大。南水北調穿黃工程盾構豎井基坑深度超過70 m［1］，上海地鐵4號線董家渡修復基坑深度達到41.2 m［2］，上海鐵路樞紐南站北廣場基坑面積達到40 000 m2［3］，某城際鐵路工程地下車站基坑尺寸達到943 m(長)×52.4 m(寬)×20.2 m(深)［4］，隨著基坑尺寸和規(guī)模的增大，施工難度和風險也越來越高。已建大體量基坑雖然較多，但縱穿城市中心區(qū)、全長近鄰鐵路營業(yè)主干線的超大規(guī)模深基坑在國內還沒有先例，相應條件下施工技術方案、風險控制措施還沒有儲備，施工經(jīng)驗較少。京石客專石家莊六線隧道是第一條鐵路穿城入地工程，隧道的施工使石家莊市被運營鐵路一分為二、東西阻塞的格局成為歷史。隧道長4 980 m，隧道進出口相連的明挖路塹基坑共長1 020 m，除下穿石太聯(lián)絡線鐵路暗挖段80 m、下穿和平路等3個市政路口蓋挖段208 m共4個斷點外，其他均為明挖法施工，而蓋挖段頂板封頂及暗挖段貫通后基坑也全部實現(xiàn)連通，基坑總長度達到6 000 m;如以暗挖段分界，兩側基坑長度也分別達到5 120 m和800 m，均屬于超長基坑(槽)。隧道標準段基坑寬度40.5 m，基坑深度最深達到22 m，基坑總體量達到374萬m3，隧道全長近距離側穿正在運行的京廣線，既有鐵路運營線側穿如此超大體量深基坑國內外還沒有先例，在保證工程施工自身安全的基礎上，不能因施工對營業(yè)線運營安全產(chǎn)生任何不良影響，施工風險和難度很大。本文研究和介紹了該工程圍護結構及基坑施工關鍵技術，以期為類似近接鐵路超大規(guī)模深基坑工程設計和施工提供參考。

1 項目概況

1.1 項目簡述

石家莊六線隧道為京石客運專線重點控制工程。隧道地處石家莊市二環(huán)內，穿越市中心地帶，北起石紡路，南至槐安東路，與既有京廣鐵路基本并行，是國內第一條鐵路穿城入地多線隧道。沿線2處下穿鐵路營業(yè)線分別為石太直通線和石德正線，3次下穿市政主干道分別為和平路、中山路和裕華路，周邊企事業(yè)單位眾多，建筑物構成復雜。隧道地理位置如圖1所示。

圖1 六線隧道地理位置圖Fig.1 Location of Shijiazhuang 6-track tunnel

在隧道施工期間西側既有京廣線、既有石德正線、既有石德聯(lián)絡線等需繼續(xù)運營。隧道基坑邊緣離京廣線路肩最小距離5.1 m，與營業(yè)線距離小于20 m區(qū)段占到全線長度的58%。圖2為基坑與營業(yè)線位置關系。

圖2 六線隧道與營業(yè)線位置關系Fig.2 Relationship between Shijiazhuang 6-track tunnel and operating railway

六線并行，線路從左至右(面向北京)依次為改建京廣線、新建京石客專和石青客專，均為雙線隧道，隧道斷面如圖3所示，京石客專速度目標值350 km/h，石太聯(lián)絡線引入部分局部形成七線。隧道全長4 980 m，兩端路塹挖方路基1 020 m。

下穿既有石太直通線段80 m采用暗挖法施工，除下穿3個市政主干道段共208 m采用蓋挖法外，其余段落均采用明挖法施工。結構斷面設計以3跨圓拱直墻為主，局部采用4～6跨圓拱直墻，淺覆土段采用平頂框架結構，基坑開挖寬度30～52 m，深度8.5～27 m。

圖3 六線隧道標準斷面圖(單位:cm)Fig.3 Standard cross-section of Shijiazhuang 6-track tunnel(cm)

1.2 工程地質與水文地質

沿線表覆第四系地層，包括全新統(tǒng)人工填土層(Qml)、全新統(tǒng)沖洪積層()及上更新統(tǒng)沖洪積層()。從上至下依次為雜填土、新黃土、砂類土和卵石類土等。地下水水位埋深45～50 m，均位于結構底板以下。

1.3 主要圍護結構型式

明挖段根據(jù)基坑與營業(yè)線距離劃分為一級基坑和二級基坑。其中，隧道結構外輪廓線與既有線路基邊緣凈距≤0.75 H(H為基坑開挖深度)為一級基坑，采用φ1.2 m@1.8 m鉆孔灌注樁作為圍護樁，基坑上部設1～2排鋼筋混凝土橫向支撐，下部采用3～5排預應力錨索支護體系;其余明挖段為二級基坑，采用φ1 m@1.5 m鉆孔灌注樁加3～6排預應力錨索，基坑上部3 m采取土釘墻放坡，一級、二級基坑型式如圖4所示。

2 施工方案與措施

工程實踐證明，分塊施工是解決超大基坑施工進度問題的有效途徑［5］。由于基坑規(guī)模過大，總體施工方案采取化整為零、分段組織施工，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件、道路交通情況及施工方法等約束條件，六線隧道施工組織共劃分為21個施工區(qū)段，最長段長450 m，隧道段落劃分如圖5所示。

2.1 圍護結構施工

2.1.1 基坑圍護結構

2.1.1.1 鉆孔樁

本工程鉆孔樁總數(shù)達7 456根，營業(yè)線一側鉆孔樁約3 500根，鉆孔樁長度最大為34.2 m，長度為25～30 m?？拷鼱I業(yè)線一側任何一根鉆孔樁施工過程如果在鋼筋籠吊裝、鉆機走行或成孔作業(yè)時發(fā)生鋼筋籠脫滑失控、鉆機傾覆都將造成營業(yè)線事故，輕則侵限停車，嚴重時可能刮碰、砸傷運營車輛，造成人員和國家財產(chǎn)損失以及嚴重社會影響。

為確保鉆孔樁施工過程安全，首先對成孔設備進行了比選。二級基坑優(yōu)先選擇行走能力強、底盤配置量大的旋挖鉆機成孔，為避免地表軟弱土體承載能力低造成鉆機傾覆，采取回填石碴硬化措施;一級基坑由于距離營業(yè)線過近，旋挖鉆機機架高大，對營業(yè)線威脅大，不宜使用。經(jīng)比選使用正循環(huán)鉆機成孔，循環(huán)鉆機應用范圍廣，適應能力強［6］，鉆機高度6～7 m，即使傾覆也不至于進入營業(yè)線范圍。對少量距離營業(yè)線距離不足12 m的鉆孔樁，優(yōu)化為限制使用挖孔樁施工。

圖5 隧道施工段落劃分示意圖Fig.5 Construction sections

鋼筋籠在遠離營業(yè)線一側采取整節(jié)吊裝，靠近營業(yè)線一側根據(jù)距離營業(yè)線位置關系采取2～3節(jié)分節(jié)吊裝、機械連接接頭、孔口連接的措施，降低鋼筋籠吊裝作業(yè)風險。

2.1.1.2 錨索

六線隧道地質以砂性土為主，在錨索成孔過程中易發(fā)生塌孔，鉆機出土量大于鉆頭切削數(shù)量，造成地層土體流失，如流失量不加以控制，將逐漸向上松馳塌落最終反映到地表，造成鐵路路基沉降，影響行車安全。

錨索施工前分別核對各區(qū)段地質詳勘報告和鉆孔樁成孔記錄，分析地層特點，并在實際成孔中校驗調整，對易塌孔地段采取跟管鉆機全跟管鉆進，控制水土流失量。成孔后第一時間下錨索和注漿，防止長時間停置造成孔壁失穩(wěn)。注漿采用二次注漿工藝，在一次注漿填充滿錨索孔的前提下，二次注漿采取高壓注漿，既要補償一次注漿體的收縮，同時實現(xiàn)對周圍土體形成一定的擴散，達到劈裂注漿的效果，注漿壓力為2～5 MPa。

2.1.1.3 土釘墻和樁間網(wǎng)噴混凝土

二級基坑上部3 m為土釘墻，土釘采用φ 22鋼筋，長度5 m，采用螺旋鉆或洛陽鏟成孔。鉆孔樁樁間設網(wǎng)噴混凝土支護，樁間支護隨土方隨挖隨支，每次支護高度2～2.5 m，為錨索施工提供條件。兩者使用的設備功率和尺寸均較小，對營業(yè)線影響較小。過程控制以及時支護為主，開挖后盡快施作土釘墻和網(wǎng)噴混凝土，減少土體暴露時間。

2.1.1.4 內支撐

為控制一級基坑變形量，減少營業(yè)線位移和沉降，基坑需采用抗變形能力好的內支撐體系，經(jīng)設計計算，采用鋼支撐方案能夠滿足安全性要求［7］。然而，根據(jù)實際情況，距營業(yè)線過近架設鋼支撐困難，只能在基坑遠離營業(yè)線側置重型吊車起吊拼裝，但易發(fā)生傾覆、側翻或操作失控，存在侵限風險;結合現(xiàn)有鋼支撐尺寸偏差、拼裝精度、倒用或轉場碰撞變形以及圍護樁平整度等因素，即使施作中間格構柱，也容易發(fā)生鋼支撐失穩(wěn)崩落，進而危及營業(yè)線安全。同時，3.8萬t鋼支撐即使倒用也需要2萬t，在國內基坑工程數(shù)量快速增長的情況下，多數(shù)需要加工，鋼支撐方案經(jīng)濟性上優(yōu)勢也不明顯。根據(jù)風險管理控制設計階段高于施工階段的原則［8］，在開工前設計優(yōu)化為混凝土支撐方案，降低了工程風險。

2.1.2 基坑開挖

基坑開挖階段重點防范基坑圍護結構失穩(wěn)，并避免出現(xiàn)較大的周邊環(huán)境沉降，施工中遵循“分層、分步、對稱、平衡、限時”要點，按照“縱向分段、豎向分層、從上至下、平衡開挖”的原則組織施工?；娱_挖方向根據(jù)現(xiàn)場拆遷及模板臺車行走方向確定，縱向形成臺階放坡開挖，每臺階布置2臺挖掘機倒退式開挖;豎向按照錨索及混凝土支撐的位置從上至下分層進行;橫向開挖兩側土體后施作錨索支護，基坑中間留馬道，供土方車輛出入基坑。各層開挖至相應排錨索以下0.5～1 m(或是混凝土支撐下表面墊層高度)時停止開挖，進行錨索(或混凝土撐)施工。土方開挖形式如圖6所示。

圖6 基坑土方開挖Fig.6 Soil cutting of foundation pit

土方開挖施工過程應加強監(jiān)控量測，并根據(jù)反饋的監(jiān)測信息合理調整施工進度。

2.2 基坑吊運作業(yè)

由于基坑西側均為京廣線，不具備起吊作業(yè)條件，因此，材料等吊運作業(yè)主要依靠基坑東側場地。結合基坑線性特點，基坑材料吊運以走行式大跨門吊為主，個別地點如斷面寬度變化大的部位安裝塔吊，零星材料使用吊車配合?；哟罂玳T吊如圖7所示。門吊跨度為基坑跨度+1 m。

圖7 上跨基坑門吊Fig.7 Gantry crane crossing foundation pit

2.3 基坑防汛措施

由于受太行山麓影響，石家莊市有夏季雨量分布不均的特點，易出現(xiàn)集中降雨情況，短時間降水量過大，石家莊市政排水設施不足以快速疏排，地面出現(xiàn)大范圍積水，常見多個框構橋積水斷交。六線隧道穿過的市政路口均為地道口，是地面水匯集點，基坑土體以砂性土為主，遇水浸泡沖刷易發(fā)生坍塌，進而影響營業(yè)線安全。防止雨季水淹基坑造成基坑事故是六線隧道防汛工作的重點。

雨季防汛的原則是:外攔截，內引排，應急有準備;早封閉，緩坡度，重點防流失。防汛組織上遵循分區(qū)域管理的原則，各段統(tǒng)一安排，分別組織，各成獨立系統(tǒng)。

1)外水不內流。要通過采取有效措施確保各封閉區(qū)域以外的地表水不流入施工區(qū)域，鎖定收水面積，避免場地外水流入增大各段防汛壓力，措施有砌筑截水墻、排水溝，基坑邊設擋水埝，基坑東西兩側15 m范圍內的場地進行平整并采用20 cm厚C25混凝土硬化，并完善排水設施，確保雨季排水順暢和基坑安全。營業(yè)線側排水防汛措施如圖8所示。

圖8 臨近營業(yè)線側排水設施詳圖Fig.8 Detail of drainage facilities of foundation pit on the side adjacent to the operating railway

2)坑內少流失。堅持重堵輕排的原則，由于基坑開挖深度范圍內以砂類土為主，需防止抽排水引起基坑內邊坡或樁側水土流失嚴重，造成大的沖溝、坍塌或基底擾動，引發(fā)基坑事故。對開挖形成的縱坡，要求坡度1∶1，大雨前對坡面采用防水篷布覆蓋，防止雨水攜帶走泥砂，造成沖溝或滑坡，并利于雨后迅速恢復施工。

3)樁壁無裸露。減少一次開挖樁側側壁裸露面積，大雨前基坑兩側側壁及時網(wǎng)噴混凝土封閉，以防樁間土體坍塌，波及圍護結構外側土體，基坑開挖到底后及時封閉。

4)應急有準備。做好應急預案、演練和應急物資的準備，以應對極端惡劣的天氣情況。

2.4 信息化施工

六線隧道開展標準化施工，投入專項資金建立信息化管理系統(tǒng)(如圖9所示)，規(guī)范4個工廠化作業(yè)點面，延伸管理手段，全面掌控各生產(chǎn)要素，實現(xiàn)了安全生產(chǎn)，被鐵道部確定為全路四個標準化樣板管理項目之一。

圖9 監(jiān)控系統(tǒng)Fig.9 Monitoring system

1)開發(fā)安全風險信息管理系統(tǒng)。目前各地結合地質和環(huán)境特點，分別建立了監(jiān)測預警系統(tǒng)，如寧波［9］。結合各地經(jīng)驗，六線隧道通過建立變形控制標準和預警管理程序，動態(tài)與靜態(tài)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，超過預警值和報警值的監(jiān)測點分別用橙色和紅色顯示在電子地圖上，對超限數(shù)據(jù)報警，實現(xiàn)建設、監(jiān)理、設計等各方聯(lián)動監(jiān)控。暗挖和一級基坑段采用分布式光纖等監(jiān)測手段，實現(xiàn)對地層及圍護結構的高密度高頻度自動監(jiān)測，沿光纖長度監(jiān)測點最小間距5 cm，數(shù)據(jù)自動采集最小時間間隔20 min。系統(tǒng)增加了參建各方遠程、實時對工程風險分段評估功能，系統(tǒng)結合各方定性評價和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合評估，并按低度、中度、高度和極高4個等級分段判定工程風險，對風險等級為高度及以上的風險提示相應的管理措施。評估結果顯示實時評估出的風險概率、等級、主要風險點、風險時間曲線和建議性管理措施。結合安全風險信息管理預警系統(tǒng)，現(xiàn)場制定了配套的預警反應機制。

2)建立紅外防侵入系統(tǒng)，確保既有線安全。沿京廣線一側設安全警戒線，在警戒線位置分段編號安裝紅外監(jiān)控裝置，在施工現(xiàn)場和集成監(jiān)控室分別設置報警器，一旦人員或設備“侵限”，2處同時發(fā)出安全警報，有效預防安全事故的發(fā)生。

3)建立視頻和門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)施工秩序可控。廣泛吸收市政工程管理經(jīng)驗，在圍檔和門衛(wèi)看守的基礎上，嚴格分開生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)，施工區(qū)全部安裝刷卡通行的門禁系統(tǒng)，將所有管理人員和施工人員的個人資料作成磁卡，通過刷卡通道自動打開，并在集成監(jiān)控室的顯示屏上顯示通行情況和個人資料。為了確?，F(xiàn)場每一個段落和角落都在監(jiān)控范圍之內，在施工區(qū)段的基坑兩側間隔150～200 m安裝一套攝像機，圖像全部在集成監(jiān)控室顯示，而且可以自動存儲數(shù)據(jù)信息半個月，既確保了施工場地的安全有序，也可以監(jiān)控現(xiàn)場資源配置及施工情況。

3 項目實施效果

項目最早進場段開工時間為2009年5月8日，全線于2010年初開始大規(guī)模施工，為滿足京石全線開通時間要求，于2011年3月底六線隧道主體完成。

隧道整個施工過程監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示，隧道施工過程基坑安全，最大位移和變形均控制在設計允許范圍內。

表1 隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of monitoring data

4 結論與體會

石家莊六線隧道已順利完成主體結構的施工，本工程的順利實施為臨近既有線條件下的深基坑設計與施工積累了以下幾點經(jīng)驗。

1)通過嚴格的施工管理，營業(yè)線側實施大體量或大規(guī)?；邮┕な强尚械?，通過全過程全方位風險管理，營業(yè)線位移和沉降可以控制在允許范圍內。

2)大體量深基坑圍護結構及支撐體系設計和施工方案對工程安全及營業(yè)線安全影響至關重要，必須結合工程特點和地質條件比選安全可靠的圍護結構方案，并在施工過程中對設備、工藝等環(huán)節(jié)嚴格控制，動態(tài)優(yōu)化。

3)對大體量長大深基坑而言，化整為零、適當劃分作業(yè)區(qū)域或段落是合理的施工組織方式，在整體把握的基礎上，各區(qū)域或各段分別組織，逐個攻克。

4)在石家莊區(qū)域地質條件下，采取鉆孔樁、混凝土支撐加錨索的支護體系，既能確保基坑體系安全，又能為基坑開挖提供足夠作業(yè)空間，造價和投資上也比較經(jīng)濟，可以在類似工程中推廣應用。

本文側重于緊鄰既有鐵路運營線深基坑施工技術和工藝方面內容，營業(yè)線安全離不開高質量的現(xiàn)場施工組織管理［10］，優(yōu)秀、合理的方案需要嚴格認真的落實，因此，營業(yè)線施工管理措施還需要繼續(xù)總結、完善和改進。

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