梁亞華 趙 華 趙 維 楊永華 孫長飛 李 歡 靳 隆

中國建筑第八工程局有限公司南方公司 廣西 南寧 530028

由于工期不同，成形地鐵區(qū)間隧道上部基坑開挖情況在國內(nèi)地鐵施工中較為常見。通過研究發(fā)現(xiàn)，目前此類工況的地鐵隧道保護措施主要以堆載為主，通過堆載材料的自重抵消因上方基坑卸載造成的土體回彈，而依靠單一堆載并不能提高盾構(gòu)管片的剛度，單一管片的剛度仍會因為差異沉降出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。南寧某工程僅采用隧道內(nèi)進行堆載的措施，在基坑開挖后原隧道管片仍出現(xiàn)較大的差異沉降問題，后期結(jié)構(gòu)出現(xiàn)通縫與滲漏，保護效果未達到要求。

為提高同類情況下隧道保護的成功率，減少后期結(jié)構(gòu)出現(xiàn)通縫與滲漏的問題，本文以南寧市軌道交通4號線那洪立交站為研究案例，在隧道保護時除了堆載外，創(chuàng)新性地采用內(nèi)支撐增強管片剛度，并采用槽鋼將管片整體連接。該保護方案實施后效果顯著，卸載后的隧道未出現(xiàn)通縫、滲漏及明顯位移現(xiàn)象，保護效果得到各方認可，也為后續(xù)類似工程的施工提供了借鑒。

1 工程概況

南寧市軌道交通4號線那洪立交站為4號線與5號線兩線換乘車站，2號風(fēng)亭位于那洪立交站東南象限，南北方向長56.55 m，東西方向長67.65 m，風(fēng)亭基坑深度6.9～8.9 m。

因工籌需要，5號線區(qū)間隧道已提前貫通，盾構(gòu)位于2號風(fēng)亭正下方1.8 m處下穿，盾構(gòu)直徑5.4 m，厚度0.3 m，為寬1.5 m標(biāo)準(zhǔn)盾構(gòu)管片。

根據(jù)地勘報告，風(fēng)亭主體處于圓礫填土與含黏性土圓礫層中，其中圓礫層為強透水層，滲透系數(shù)為27 m/d；5號線區(qū)間隧道主要處于泥巖與泥質(zhì)粉砂巖互層中，隧道頂部分處于粉質(zhì)黏土層中。

場地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水、碎屑巖類裂隙水。水位埋深為5.2～6.2 m，抗浮水位取116.5 m。開挖基坑主要處于含黏性土圓礫層。

2 施工特點

2.1 施工工期緊

由于風(fēng)亭移交機電單位需要，2號風(fēng)亭開挖至封頂時間僅為71 d，而2號風(fēng)亭體量為常規(guī)風(fēng)亭的3倍，考慮到工序交叉問題，且大規(guī)模開挖施工會對下方隧道產(chǎn)生影響，考慮諸多因素，該風(fēng)亭施工對施工要求較高。

2.2 隧道與風(fēng)亭凈距小

5號線隧道與風(fēng)亭底板凈距為1.8～1.9 m，開挖后隧道周邊土體容易受到擾動出現(xiàn)位移，引起隧道變形。

2.3 降水難度高

由于施工期間為雨季，降雨后由于圓礫層的滲透系數(shù)較大，容易導(dǎo)致雨水滲入基坑內(nèi)，地下水的流入會增加水的浮力，導(dǎo)致隧道上浮增加。

3 方案比選

結(jié)合工期要求進行綜合考慮分析，2號風(fēng)亭土方開挖共有3種方案進行對比選擇，分別為整體開挖、分3條跳倉開挖及分6條跳倉開挖。為了確定開挖方案，開挖前采用Midas GTX NX三維有限元巖土分析軟件對3種開挖工況進行建模分析比較（圖1），分析結(jié)果為：整體開挖方案最大上浮量為11.72 mm，分3條跳倉開挖方案最大上浮量為7.54 m，分6條跳倉開挖方案最大上浮量為5.78 mm。

圖1 2號風(fēng)亭土方開挖模擬

根據(jù)三維數(shù)值模擬開挖工況結(jié)論，采用分條開挖方式可以較好地利用時空效應(yīng)降低開挖對隧道上浮的影響。由于分6條跳倉開挖所需時間較長，結(jié)合工期要求與可實施性考慮，決定采用分3條跳倉開挖方案進行基坑開挖。

4 隧道保護措施

4.1 保護工藝原理

基坑開挖施工時，由于土體大量卸載，坑底土體應(yīng)力釋放，產(chǎn)生坑底隆起。土體卸載，豎向自重應(yīng)力減少，隧道上部受力減小，導(dǎo)致隧道受到向上的附加應(yīng)力，產(chǎn)生豎向隆起，同時橫截面產(chǎn)生收斂變形。

根據(jù)隧道變形原理，在基坑開挖前通過對隧道進行逐級加載的方式，以平衡土方卸載對盾構(gòu)的影響，同時為了防止隧道水平不均勻收斂，在變形較大處（如土方開挖邊界和跨中）設(shè)置門架來限制盾構(gòu)區(qū)間水平收斂，并設(shè)置縱向拉緊槽鋼增強盾構(gòu)管片的整體性，降低水平力對結(jié)構(gòu)的損害。同時為了降低地下水浮力作用的影響，應(yīng)在開挖前完成止水帷幕的施工并將基坑降水至基底以下，以及通過抗拔樁與土體間的摩擦力減少土體回彈量。

4.2 施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→降水施工→抗拔樁施工→盾構(gòu)管片拉緊→門架安裝→監(jiān)測點布設(shè)→一級配重運輸及堆載→先挖段第一級土方開挖→二級配重運輸及堆載→先挖段第二級土方開挖→先挖段底板澆筑→后挖段土方開挖→后挖段底板澆筑→措施拆除及卸載

4.3 降水施工

地下水的浮力對結(jié)構(gòu)上浮影響十分明顯。根據(jù)地勘報告，2號風(fēng)亭基底以上土層為含黏土圓礫，以下為泥巖，含黏土圓礫土層水滲透系數(shù)為27 m/d，為強透水層。為了防止坑外地下水進入基坑內(nèi)部，需采用高壓旋噴樁止水帷幕截水，配合坑內(nèi)疏干井進行降水，在坑外設(shè)置降水井以降低內(nèi)外水頭壓力差（圖2）。

圖2 基坑降水平面布置

4.4 抗拔樁施工

降水施工結(jié)束后，沿盾構(gòu)隧道走向在隧道左右兩側(cè)施作抗拔樁（圖3），抗拔樁嵌入基底下15 m，通過抗拔樁與土體間摩擦力減少基坑開挖后隧道下方的土體回彈量。

圖3 抗拔樁平面布置

4.5 盾構(gòu)管片拉緊

由于每一環(huán)管片受到的豎向力與水平力不一致，為了減少管片的變形差異，提高管片整體性，采用槽鋼將管片拉緊的方式加固（圖4）。

圖4 縱向拉緊槽鋼布置剖面

拉緊槽鋼宜根據(jù)管片的類型及隧道凈空尺寸設(shè)置間距及布置道數(shù)，并滿足盾構(gòu)管片螺栓間縱向平直要求。因基坑邊界存在較大的不均勻變形，槽鋼縱向拉緊裝置長度應(yīng)超出卸載范圍4～5環(huán)。

4.6 門架安裝

為限制盾構(gòu)區(qū)間上方卸載后產(chǎn)生的水平收斂變形，結(jié)合受力數(shù)值模擬，位于土方開挖分段處及每個施工段跨中位置的管片收斂變形最大，故需對以上位置設(shè)置鋼桁架門架（圖5），以加強局部盾構(gòu)管片的剛度，減少管片變形。

圖5 門架結(jié)構(gòu)示意

鋼桁架的設(shè)計需要支撐點布置均勻，荷載傳遞合理，且中間凈空至少需要保持凈寬3 m、凈高3.5 m，以滿足中間堆載材料運輸行車需求。門架采用工字鋼作為主要傳力支架，配合槽鋼斜拉形成鋼桁架，為避免工字鋼骨架直接接觸盾構(gòu)管片，改善管片與桁架傳力，需要在桁架外墊1塊環(huán)形薄鋼板。

4.7 監(jiān)測點布設(shè)

開挖過程中，需對成形盾構(gòu)管片進行定期監(jiān)測，動態(tài)了解盾構(gòu)變形情況，并形成預(yù)警機制，及時采取措施保護盾構(gòu)安全，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險事故。主要監(jiān)測項目包括管片水平位移、凈空收斂、管片沉降、管片差異沉降、盾構(gòu)差異沉降、環(huán)間錯臺。其中，沉降監(jiān)測點僅布置于頂部，監(jiān)測點間距可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整，建議按照5 m一個取值，底部因與堆載材料沖突無法設(shè)置。收斂監(jiān)測使用激光測距儀測點，每5～10 m設(shè)置一個監(jiān)測點。具體監(jiān)測指標(biāo)及預(yù)警指標(biāo)按照GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》執(zhí)行。

4.8 一級配重運輸及堆載

完成縱向拉緊及門架安裝后，需在盾構(gòu)內(nèi)堆載，以抵消上方土體卸載導(dǎo)致的盾構(gòu)上浮。堆載材料應(yīng)具備密度大且均勻、方便運輸堆放、可回收利用、對盾構(gòu)損害小等特點，可采用碎石粉、砂子以及型鋼等材料。

為避免土方開挖前因荷載一次性加載到位導(dǎo)致盾構(gòu)片向下沉降，堆載分兩級進行。第一級堆載的配重根據(jù)第一級土方開挖深度卸載模擬驗算確定。為提高可操作性，第一級土方開挖可取3 m深度。

堆載材料進場后，用鏟車將材料通過漏斗灌至盾構(gòu)井位置，再使用鏟車將材料運輸至盾構(gòu)指定位置。堆載由前往后倒退推進，為防止中間后挖段堆載材料無法運輸，同時考慮分段間坡度的卸載效應(yīng)，縱向堆載不分段。碎石粉材料堆載前，應(yīng)先鋪設(shè)1層麻布作為保護層，以保護盾構(gòu)管片質(zhì)量。

在超出開挖分界線范圍，堆載需要線性過渡減少，長度可選4～5環(huán)管片。

4.9 先挖段第一級土方開挖

在第1道冠梁支撐施工完成，強度達到要求，且盾構(gòu)內(nèi)一級堆載完成后，即可開始先挖段第一級土方開挖（圖6），第一級土方開挖深度與一級荷載相對應(yīng)。采用挖機沿單方向倒退開挖的方式出土。為保證先挖段與后挖段之間邊坡的安全性，邊坡坡度需要根據(jù)巖土結(jié)果計算確定，并進行鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護，以防止邊坡坍塌。為減少因放坡而增加后挖段的土方荷載卸載，在保證邊坡安全的情況下，坡度應(yīng)盡量取大值。

圖6 先挖段土方開挖平面示意

4.10 二級配重運輸及堆載

先挖段第一級土方開挖到位后，立即開始盾構(gòu)內(nèi)第二級配重堆載，堆載高度同樣需要根據(jù)卸載驗算和堆載材料密度計算確定。堆載方法與第一級類似，使用鏟車倒退推進，應(yīng)注意因第二級堆載高度較大，如堆載順序不當(dāng)，門架凈空將限制鏟車行車。

4.11 先挖段第二級土方開挖

第二級堆載到位后，基坑組織先挖段第二級土方開挖，直至先挖段見底。先挖段第二級土方開挖出土方式與第一級類似，但隨著坡度加深，段間坡度應(yīng)重新通過邊坡穩(wěn)定計算確定，確保邊坡安全，并隨著邊坡開挖及時采取噴錨等護坡措施，必要時需要設(shè)置放坡臺階。

4.12 先挖段底板澆筑

先挖段土方見底后，立即組織墊層、底板防水以及底板施工，減少基坑暴露時間。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，墊層澆筑后，通過上方底板施工的結(jié)構(gòu)壓重控制隧道上浮量。

4.13 后挖段土方開挖

先挖段底板均澆筑完成后，應(yīng)立即組織底板以上結(jié)構(gòu)施工。為加快施工工期，此時可分析盾構(gòu)變形數(shù)據(jù)，如已基本穩(wěn)定，即可同步組織后挖段土方出土?？紤]后挖段范圍盾構(gòu)的二級堆載已加載到位，后挖段土方開挖無需分級開挖。

4.14 先挖段底板澆筑

后挖段基底見底后，同樣需要立即組織墊層、防水及底板施工，最大限度地減少基坑暴露時間。

4.15 盾構(gòu)卸載

在2號風(fēng)亭結(jié)構(gòu)施工完成后，需要卸除盾構(gòu)內(nèi)原堆載材料。監(jiān)測結(jié)果顯示，當(dāng)每一開挖段頂板澆筑完成后，其管片上浮量均可以穩(wěn)定在±1 mm內(nèi)上下浮動變化?？紤]到在風(fēng)亭回填前卸載會引起管片二次上浮，因此卸載選取在風(fēng)亭土方回填完成后采用一次卸載方式進行。

5 應(yīng)用效果

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，截至2號風(fēng)亭封頂，管片左線最大上浮量為22.85 mm，右線管片最大上浮量為20.77 mm，和數(shù)值模擬結(jié)果出現(xiàn)差異的主要原因為地下水影響。通過對盾構(gòu)隧道在基坑開挖前與封頂后的質(zhì)量進行調(diào)查，基坑開挖過程中盾構(gòu)管片未出現(xiàn)明顯錯臺與通縫現(xiàn)象，管片保護效果良好。

6 結(jié)語

本文以南寧市地鐵4號線那洪立交站2號風(fēng)亭開挖為背景，深入研究了基坑開挖對下方5號線盾構(gòu)隧道的影響。通過結(jié)合相關(guān)案例，并采用有限元分析軟件對工況進行模擬驗算，從多角度出發(fā)，制定了最佳土方開挖方案及相應(yīng)的隧道保護措施，在保證工期的前提下最大限度地減少了土方開挖對隧道上浮的影響，為其他類似工程提供較好的借鑒，推廣價值高。