郭軍 聞家明 顧問(wèn)天 李紅 龐小朝

（1.前海投資開(kāi)發(fā)控股有限公司，廣東深圳 518052；2.鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518000）

隨著我國(guó)城市化的不斷深入，軌道交通近年來(lái)得到蓬勃發(fā)展。深圳等一線超大城市，人口密度大，土地資源稀缺，規(guī)劃項(xiàng)目與既有地鐵結(jié)構(gòu)線位重疊屢見(jiàn)不鮮［1-2］。近幾年，在地鐵盾構(gòu)隧道上方開(kāi)發(fā)地下空間的項(xiàng)目也越來(lái)越多。該類項(xiàng)目地下空間開(kāi)發(fā)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題是地下空間最大化與既有地鐵隧道保護(hù)之間的矛盾。

劉繼強(qiáng)等［3］研究了一基坑群對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響，提出降水和分塊開(kāi)挖是控制地層隆起變形的重要措施。戴宏偉等［4］采用有限差分法分析了荷載位置、隧道埋深、土層條件等因素對(duì)隧道的變形與內(nèi)力的影響。朱逢斌等［5］分析了一上跨地鐵項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中的地鐵保護(hù)問(wèn)題，得到了該類基坑開(kāi)挖后地鐵的變形形態(tài)。孫巍、鄭鋼等［6-7］歸納分析了隧道上方開(kāi)挖基坑后的隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、變形控制措施和變形規(guī)律。

深圳前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目上跨深圳地鐵1號(hào)線鯉魚門—前海灣盾構(gòu)隧道，項(xiàng)目用地與地鐵1號(hào)線區(qū)間線位重疊。通過(guò)前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目的地下空間開(kāi)發(fā)研究與實(shí)踐，本文總結(jié)了該類項(xiàng)目的地鐵保護(hù)技術(shù)和成套工法。

1 工程概況

深圳前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目位于前海自貿(mào)區(qū)桂灣片區(qū)核心地段，南側(cè)為桂灣四路，東側(cè)為夢(mèng)海大道，北側(cè)為桂灣三路，西側(cè)為聽(tīng)海大道，聽(tīng)海大道下方為與地鐵5號(hào)線和11號(hào)線連通的地下空間。該廣場(chǎng)地塊近似方形，占地面積為7.9萬(wàn)m2，下方的深圳地鐵1號(hào)線鯉魚門—前海灣區(qū)間盾構(gòu)隧道的線位自東南向西北展布，斜穿場(chǎng)地并將場(chǎng)地劃分為北區(qū)、中區(qū)（地鐵保護(hù)區(qū)）和南區(qū)，如圖1所示。

圖1 前海交易廣場(chǎng)平面位置

該盾構(gòu)隧道埋深10～17 m。該項(xiàng)目地下空間（圖2）規(guī)劃為：南區(qū)和北區(qū)3層地下室，開(kāi)挖深度約17 m；中區(qū)根據(jù)地鐵保護(hù)要求和地質(zhì)條件分區(qū)段采用1層或2層地下室，在滿足地鐵保護(hù)要求前提下，盡量增擴(kuò)地下室并減少對(duì)南北區(qū)地下空間的分割。

圖2 隧道與地下空間關(guān)系

場(chǎng)地地層自上而下為人工填土、淤泥質(zhì)土、沖洪積粉質(zhì)黏土、花崗巖殘積土、花崗巖全～微風(fēng)化巖。場(chǎng)地內(nèi)基巖起伏較大，盾構(gòu)隧道所處地層變化較大，其中場(chǎng)地東南角和西北角的下伏隧道位于較深厚的殘積土和全風(fēng)化花崗巖中，中部位于強(qiáng)～中風(fēng)化巖地層中。

該項(xiàng)目地標(biāo)意義和商業(yè)價(jià)值顯著。地鐵1號(hào)線地鐵隧道及其周邊禁入?yún)^(qū)嚴(yán)重割裂了整個(gè)場(chǎng)地，造成場(chǎng)地地下室南北不能有效聯(lián)通，中區(qū)地下室開(kāi)挖深度、面積對(duì)項(xiàng)目功能影響極大。若中區(qū)僅設(shè)1層地下室，則地下室的有效使用面積大幅度減小，南北聯(lián)通性差；若場(chǎng)地普遍設(shè)置2層地下室，中區(qū)部分地段地下室底板距離地鐵隧道較近（最近處3.3 m），項(xiàng)目施工期和使用期對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全影響大。

為優(yōu)化地下空間布置，解決項(xiàng)目施工和使用期間的地鐵結(jié)構(gòu)保護(hù)問(wèn)題，須著重研究的問(wèn)題有：①隧道周邊工程情況和條件變化，研究場(chǎng)地條件變化和隧道變形關(guān)系。②現(xiàn)有地鐵隧道的健康狀態(tài)和后續(xù)承載能力。③地下空間建設(shè)施工過(guò)程對(duì)地鐵隧道的影響，確定可行的施工期保護(hù)方案。④上部結(jié)構(gòu)對(duì)隧道的長(zhǎng)期影響和解決方案。

2 場(chǎng)地和區(qū)間隧道工程條件的變化

2015年在項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段，區(qū)間多處盾構(gòu)隧道管片已經(jīng)出現(xiàn)開(kāi)裂、漏水、錯(cuò)臺(tái)等問(wèn)題。經(jīng)三維激光掃描揭示，該區(qū)間近1/3的隧道管片直徑橢圓度超標(biāo)，局部受損嚴(yán)重地段進(jìn)行了防水、內(nèi)鋼襯的修復(fù)加固。

深圳前海地區(qū)的建設(shè)開(kāi)發(fā)總體劃分為填海造地期（2004—2012年）和集中建設(shè)期（2012年至今）2個(gè)階段。2004年以前前海區(qū)域?yàn)闉I海灘涂，場(chǎng)地標(biāo)高約為0～0.5 m（黃海高程）。2008年經(jīng)人工堆填平整后場(chǎng)地標(biāo)高為6～8 m，局部時(shí)段場(chǎng)地內(nèi)標(biāo)高達(dá)16～18 m。目前為6～8 m。此外，在集中建設(shè)期，交易廣場(chǎng)場(chǎng)地地下水也經(jīng)歷了大幅度的升降。南側(cè)的華潤(rùn)、卓越項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度約21 m，北側(cè)的騰訊項(xiàng)目基坑開(kāi)挖深度約20 m，西側(cè)的地鐵11號(hào)線和5號(hào)線南延長(zhǎng)段地鐵基坑開(kāi)挖深度為15～20 m。受多個(gè)項(xiàng)目基坑降排水影響，前海交易廣場(chǎng)場(chǎng)地內(nèi)地下水位最大降幅曾經(jīng)達(dá)到12 m。

地鐵1號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道建設(shè)期主要?jiǎng)澐譃?個(gè)階段：規(guī)劃設(shè)計(jì)階段（2005—2007年）；土建結(jié)構(gòu)施工階段（2008—2009年）；設(shè)備安裝、試運(yùn)營(yíng)和運(yùn)營(yíng)階段（2010年至今）。前海交易廣場(chǎng)場(chǎng)地和區(qū)間隧道的變化情況見(jiàn)表1。

表1 前海交易廣場(chǎng)場(chǎng)地及區(qū)間地鐵建設(shè)時(shí)序

區(qū)段隧道建設(shè)存在實(shí)際工程條件與設(shè)計(jì)條件差異較大的問(wèn)題，前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)前隧道變形、開(kāi)裂的主要原因有：①覆土荷載增加。隧道設(shè)計(jì)階段覆土厚8～10 m，目前的覆土厚15～17 m，歷史最大覆土厚度為25～27 m。由于頂部覆土增加，隧道豎向荷載增加，隧道呈現(xiàn)橫鴨蛋式橢變。②地下水位下降。區(qū)段內(nèi)最大水位降幅12 m，造成隧道上覆土重量增加和隧道兩腰側(cè)的水平力顯著減小，隧道呈現(xiàn)橫鴨蛋式橢變。

3 地鐵保護(hù)成套技術(shù)

基于場(chǎng)地歷史和盾構(gòu)隧道的變形形態(tài)，基坑開(kāi)挖前該區(qū)段隧道處于超載狀態(tài)，上方地下空間開(kāi)挖卸土有利于減小隧道超載。對(duì)比預(yù)定設(shè)計(jì)條件，隧道覆土超載約6～7 m，約相當(dāng)于地下1層的層高。因此隧道頂部設(shè)置1層地下室，即隧道頂部卸土6～7 m較為合理。但場(chǎng)地中區(qū)（隧道保護(hù)區(qū)）僅設(shè)1層地下室導(dǎo)致地下室的空間布局不合理，無(wú)法完成項(xiàng)目規(guī)劃功能。故須進(jìn)一步研究隧道頂部加大卸載的影響和存在的問(wèn)題，具體如下。

1）隧道頂部土方卸載將引起隧道整體回彈變形，由于場(chǎng)地地層條件不均勻，回彈差異將影響軌道縱向平順度。

2）隧道線路為圓弧段，運(yùn)營(yíng)列車經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，場(chǎng)區(qū)南北兩側(cè)的3層地下室土方開(kāi)挖后，中區(qū)隧道頂部?jī)蓚?cè)約束降低，隧道整體向外弧向偏移的風(fēng)險(xiǎn)變大。

3）隧道內(nèi)止水和內(nèi)鋼襯加固是基于現(xiàn)狀的橫向橢變形態(tài)實(shí)施的，需研究卸土后隧道的變形狀態(tài)，避免隧道修補(bǔ)止水膠拉裂漏水，內(nèi)鋼襯與隧道管片脫開(kāi)失效。

4）受2條隧道影響，中區(qū)地下室樁基礎(chǔ)只能沿隧道外側(cè)平行于隧道布置，橫截面樁間距為14 m，隧道上方基礎(chǔ)底板為大跨度梁板結(jié)構(gòu)，在荷載作用下的撓曲變形大，會(huì)擠壓隧道頂部覆土。

5）樁基成孔過(guò)程中存在土體應(yīng)力釋放和地層擾動(dòng)，會(huì)造成緊鄰隧道圍壓減弱，進(jìn)而導(dǎo)致隧道水平收斂增加。選擇合理的施工工藝減少土體應(yīng)力釋放和土體擾動(dòng)至關(guān)重要。

6）區(qū)段內(nèi)部分隧道管片橫向收斂超過(guò)允許值，交易廣場(chǎng)施工期的大型裝備施工荷載將增加隧道管片橫向收斂增加的風(fēng)險(xiǎn)，施工過(guò)程中需考慮減少施工荷載對(duì)地鐵隧道的影響。

3.1 回彈變形控制措施

為控制地鐵回彈變形，隧道頂部的土方開(kāi)挖采用了分倉(cāng)小豎井法（圖3），每個(gè)倉(cāng)沿隧道方向的長(zhǎng)度為5 m，橫向分為2段，單個(gè)倉(cāng)長(zhǎng)度約15 m。開(kāi)挖采用了跳倉(cāng)開(kāi)挖的方式，倉(cāng)底設(shè)置500 mm厚的抗隆起混凝土板，與兩側(cè)支護(hù)樁連接形成門架式保護(hù)結(jié)構(gòu)。單個(gè)小倉(cāng)采用逐層開(kāi)挖逐層支護(hù)，分層高度0.5～1.0 m。

圖3 分倉(cāng)小豎井法示意

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)，采用分倉(cāng)小豎井法開(kāi)挖隧道頂部土方的過(guò)程中地鐵隧道整體回彈變形量小于9 mm，滿足地鐵運(yùn)營(yíng)安全要求。

3.2 整體偏移控制措施

為控制隧道整體向外弧側(cè)偏移和橫向變形，隧道兩側(cè)的15 m范圍采用了預(yù)留反壓土臺(tái)逆作法結(jié)合門架式保護(hù)樁的方案。兩側(cè)土方要求對(duì)稱分層開(kāi)挖，如圖4所示。

圖4 預(yù)留土臺(tái)結(jié)合門架式保護(hù)樁方案示意

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的監(jiān)測(cè)表明，該方案成功限制了地鐵橫向偏移。

3.3 足尺模型試驗(yàn)

盾構(gòu)管片的荷載變化歷程復(fù)雜，無(wú)類似規(guī)模工程先例，在缺乏合理的計(jì)算參數(shù)時(shí)很難采用數(shù)值模擬計(jì)算。經(jīng)論證，采用整環(huán)足尺模型管片試驗(yàn)?zāi)M本項(xiàng)目場(chǎng)地前期、施工期所有工況對(duì)隧道的影響。

為全面模擬項(xiàng)目工程實(shí)際，共進(jìn)行了3組試驗(yàn)。第1組試驗(yàn)采用了正常運(yùn)營(yíng)隧道環(huán)（未用鋼環(huán)加固），采用與現(xiàn)場(chǎng)一致的拼裝形式，試驗(yàn)選用半環(huán)+整環(huán)+半環(huán)的模式，試驗(yàn)荷載工況包括自隧道建成→現(xiàn)狀→場(chǎng)地開(kāi)挖全過(guò)程共10個(gè)工況。第2組試驗(yàn)采用內(nèi)鋼襯環(huán)加固隧道管片，試驗(yàn)選用半環(huán)+整環(huán)+半環(huán)的模式，試驗(yàn)荷載工況包括自建成→現(xiàn)狀→前海交易廣場(chǎng)開(kāi)挖全過(guò)程共11個(gè)工況。第3組采用了單環(huán)隧道管片，以研究通縫拼裝隧道受力性能和接頭力學(xué)參數(shù)。

由多組足尺試驗(yàn)結(jié)果可知：①該段盾構(gòu)隧道代表環(huán)在隧道受力過(guò)程中曾經(jīng)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)。②基坑開(kāi)挖卸載過(guò)程中，未加鋼環(huán)盾構(gòu)隧道水平收斂變形不會(huì)增加，盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)仍保持穩(wěn)定，無(wú)明顯新增可見(jiàn)裂縫。③已采用鋼管加固的盾構(gòu)隧道，收斂變形變化量較小，未出現(xiàn)內(nèi)鋼襯與管片脫開(kāi)的現(xiàn)象。

經(jīng)項(xiàng)目實(shí)施驗(yàn)證，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中盾構(gòu)隧道未出現(xiàn)新增漏水點(diǎn)和內(nèi)襯鋼板與管片脫開(kāi)的現(xiàn)象，驗(yàn)證了開(kāi)挖方案的可行性。

3.4 大跨筏板變形附加荷載控制措施

分析表明，本項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)施工完成后，地下室中區(qū)大跨度筏板將發(fā)生撓曲變形，筏板跨中最大豎向變形為113 mm，如圖5所示。若不將筏板與地基土隔離，則筏板與隧道覆土發(fā)生相互作用，筏板對(duì)覆土產(chǎn)生附加壓力205 kPa，大于前期卸荷荷載，會(huì)對(duì)隧道產(chǎn)生不利影響。

圖5 底板撓曲變形示意（變形放大100倍）

上部結(jié)構(gòu)和地鐵使用要求和使用年限均不同，上部結(jié)構(gòu)和地鐵隧道應(yīng)采用力系獨(dú)立、各自承載的方案。為減少筏板地底附加壓力，該項(xiàng)目通過(guò)在筏板底設(shè)置輕質(zhì)定制化的EPS緩沖隔離材料，減少筏板撓曲變形產(chǎn)生的附加壓力，如圖6所示。

圖6 EPS緩沖層與地鐵關(guān)系

根據(jù)施工工序、工藝要求和內(nèi)力計(jì)算，理想的筏板和隧道覆土間的隔離材料是彈性-完全塑性-硬化材料，3個(gè)階段變形特征如圖7中理想型號(hào)所示。在筏板澆筑自重荷載作用下均勻彈性變形；超過(guò)自重荷載時(shí)允許有較大的自由壓縮量，附加壓力不增加；為確保后期地鐵頂部有可靠的約束，地下室底板撓曲變形后EPS材料應(yīng)處于硬化階段的起點(diǎn)。經(jīng)試驗(yàn)比選，本項(xiàng)目采用26 kg/m3的EPS材料，其應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7中實(shí)際型號(hào)所示。

圖7 EPS材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

3.5 近接隧道樁基施工控制措施

土體應(yīng)力釋放和土層擾動(dòng)問(wèn)題一直是近接盾構(gòu)隧道樁基施工的難題。本項(xiàng)目選用全護(hù)筒超前支護(hù)工藝，施工過(guò)程要求套管超前開(kāi)挖面至少2 m，以有效控制土體應(yīng)力釋放。在實(shí)施時(shí)，套管機(jī)具在遇到硬度較大的地層難以滿足超前2 m，引起隧道橫向橢變?cè)黾?，且整體向工程樁側(cè)橢變，如圖8所示，隧道管片變形見(jiàn)表2。

圖8 監(jiān)測(cè)變形最大隧道管片變形示意

表2 隧道管片變形 mm

為解決如圖8及表2所示樁基施工引起隧道變形增加問(wèn)題，后續(xù)施工采用了在工程樁與隧道之間設(shè)置靜壓鋼板樁超前支護(hù)的措施，靜壓鋼板樁施工不會(huì)增加隧道變形，同時(shí)減少了樁基礎(chǔ)和隧道之間的土體應(yīng)力釋放，達(dá)到了保護(hù)地鐵目的。

3.6 施工荷載控制措施

為減少重型施工機(jī)具施工荷載對(duì)隧道的影響，本項(xiàng)目經(jīng)反復(fù)核算，采用了先卸載土方，再鋪設(shè)路基箱的處理措施。卸載土方高度和路基箱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是施工階段隧道豎向荷載不大于原隧道上覆荷載。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合前海交易廣場(chǎng)項(xiàng)目盾構(gòu)隧道保護(hù)和地下空間開(kāi)發(fā)的實(shí)踐，利用分倉(cāng)小豎井、門架式保護(hù)樁、足尺模型試驗(yàn)、EPS緩沖墊層和全護(hù)筒成樁工藝等組合工法，形成了成套地鐵保護(hù)技術(shù)。該套設(shè)計(jì)和施工方法包括：

1）項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)充分研究隧道的健康狀態(tài)及后續(xù)承載能力。重大項(xiàng)目應(yīng)采用整環(huán)足尺模型試驗(yàn)?zāi)M開(kāi)挖過(guò)程對(duì)隧道的影響，根據(jù)隧道變形模態(tài)采取對(duì)應(yīng)措施。

2）分倉(cāng)小豎井法結(jié)合門架式樁板結(jié)構(gòu)可有效控制隧道整體回彈變形和側(cè)移。

3）基于力系獨(dú)立、各自承載設(shè)計(jì)理念，采用EPS材料作為筏板底緩沖墊層，減少附加荷載對(duì)隧道的影響。

4）采用全套管超前和靜壓鋼板樁隔離減少成孔過(guò)程中的土體應(yīng)力釋放，解決臨近隧道的樁基工程中的地鐵保護(hù)問(wèn)題。

5）應(yīng)重視大型機(jī)具施工荷載影響，采用隧道頂部卸載土方和路基箱相結(jié)合的方式減少附加荷載。