趙鶴泉 楊 科

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

城市飛速發(fā)展與城市核心區(qū)用地愈發(fā)緊張的矛盾促生了核心區(qū)地下空間極高的利用率，而隨著大型城市地下軌道交通系統(tǒng)建設(shè)的日趨成熟，城市核心區(qū)內(nèi)地下軌道交通線路密集，基于地下軌道交通系統(tǒng)的公共安全屬性與其區(qū)間隧道柔性結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，隧道正上方的基坑施工具有極大的風(fēng)險(xiǎn)，特別是運(yùn)營(yíng)中的地鐵，一旦基坑施工過程中發(fā)生較大的擾動(dòng)，地鐵隧道可能發(fā)生變形、滲漏，這將造成重大的安全隱患，導(dǎo)致地鐵停運(yùn)檢修。在地下空間大范圍開發(fā)的同時(shí)，如何對(duì)已建成地鐵隧道進(jìn)行有效保護(hù)，成為近年來基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)與施工研究的重點(diǎn)。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此問題進(jìn)行了一定的研究。溫鎖林[1]提出了運(yùn)營(yíng)地鐵隧道上方基坑施工基于時(shí)空效應(yīng)和充分利用隧道抗彎剛度的“彈鋼琴”開挖方法；余曉琳[2]建立了某明挖隧道基坑位于運(yùn)營(yíng)地鐵隧道正上方的三維空間模型，對(duì)實(shí)際施工工況進(jìn)行了模擬，動(dòng)態(tài)地分析了施工過程中開挖卸荷對(duì)下方既有地鐵隧道的影響；鄭剛等[3]以既有隧道箱體上方下沉隧道基坑工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用Abaqus軟件對(duì)基坑的實(shí)際施工過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，論證了隧道加固措施的有效性；黃兆緯等[4]、謝小林[5]研究了隧道上方基坑開挖的卸荷控制技術(shù)措施。但上述研究中地鐵隧道上方基坑均為長(zhǎng)條形隧道基坑，對(duì)于地鐵隧道上方為長(zhǎng)寬比較小的建筑工程基坑開挖控制技術(shù)還少有研究與實(shí)踐。

本文將結(jié)合上海徐家匯核心區(qū)的9號(hào)線地鐵區(qū)間隧道正上方的建筑工程基坑施工，研究淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工的微擾動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

1 工程概況

徐家匯中心項(xiàng)目位于上海市徐家匯核心商業(yè)區(qū)，南鄰虹橋路，西鄰宜山北路，北側(cè)為名仕苑住宅樓，東鄰恭城路。項(xiàng)目由2幢辦公塔樓及商業(yè)裙房組成，地上建筑面積53萬 m2，地下建筑面積25萬 m2，總建筑面積78萬 m2。該項(xiàng)目的基坑分區(qū)較多，共22個(gè)分區(qū)，主基坑為地下6層，鄰近地鐵的小坑為地下2—4層，北側(cè)的隧道正上方基坑為地下1層（圖1）。

圖1 基坑分區(qū)示意

1.1 地鐵隧道正上方基坑概況

整個(gè)項(xiàng)目的基坑?xùn)|側(cè)與地鐵11號(hào)線車站共墻，基坑北區(qū)位于地鐵9號(hào)線隧道正上方，9號(hào)線、11號(hào)線均為運(yùn)營(yíng)中的軌道交通（圖2）。隧道正上方的基坑面積約7 000 m2，基坑范圍下的區(qū)間隧道長(zhǎng)度約190 m，隨著隧道從東向西出站下潛，基坑開挖深度由淺及深，從3.25 m逐步加深至6.20 m，基坑底部距離地鐵隧道約5 m。目前，該基坑在上海地區(qū)屬同類型中面積最大、難度最大。

圖2 地鐵隧道正上方基坑位置示意

1.2 地質(zhì)概況

該基坑范圍的土層分布為：①1雜填土、②褐黃-灰黃色粉質(zhì)黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土、⑤3-1灰色粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、⑤3-2灰色粉質(zhì)黏土、⑤4灰綠色粉質(zhì)黏土，土層具體物理力學(xué)性質(zhì)及土層深度見表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)及土層深度

徐家匯中心項(xiàng)目的隧道正上方基坑開挖深度為3.25～6.20 m；在基坑范圍下地鐵區(qū)間隧道的頂埋深度為8～11 m，隧道直徑6.2 m，底埋深度為14～17 m。而該區(qū)域③層、④層土的深度范圍4～16 m，正好是基坑底和地鐵隧道的對(duì)應(yīng)深度。淤泥質(zhì)土有三高兩低的特點(diǎn)：高含水量、高壓縮性、高流變性、低強(qiáng)度、低滲透性。淤泥質(zhì)土對(duì)基坑施工過程中的變形控制相當(dāng)不利。

1.3 地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的重要性毋庸贅述，其區(qū)間隧道變形的具體控制標(biāo)準(zhǔn)為：道床沉降的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±0.5 mm/d，或其累計(jì)值達(dá)到±5.0 mm；隧道結(jié)構(gòu)水平位移的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±0.5 mm/d，或其累計(jì)值達(dá)到±5.0 mm；隧道管徑收斂的日變化量連續(xù)3 d同方向且數(shù)值≥±1.0 mm/d，或其累計(jì)值達(dá)到±5.0 mm。

在地鐵隧道安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的非正上方基坑施工期間，監(jiān)測(cè)頻率為每天1次；而隧道正上方基坑在開挖施工期間，監(jiān)測(cè)頻率為從基坑開挖開始為1次/h，直至結(jié)構(gòu)底板澆筑完成。

2 隧道正上方基坑施工的微擾動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)分析

為確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，隧道正上方基坑施工必須做到“微擾動(dòng)”，盡可能減小在基坑施工過程中對(duì)隧道周邊土體的擾動(dòng)，主要分為3項(xiàng)關(guān)鍵準(zhǔn)備技術(shù)及3項(xiàng)關(guān)鍵控制技術(shù)。關(guān)鍵準(zhǔn)備技術(shù)：相鄰基坑的施工工況流程；跨隧道重型道路設(shè)置；試驗(yàn)塊“首件制”及施工操作手冊(cè)。關(guān)鍵控制技術(shù)：坑內(nèi)門式加固；基坑底板分塊；夜間限時(shí)施工。

2.1 關(guān)鍵準(zhǔn)備技術(shù)

2.1.1 相鄰基坑施工工況流程

為避免基坑變形疊加影響，并遵循由遠(yuǎn)及近、由深至淺的“時(shí)空效應(yīng)”原理，隧道正上方基坑開挖施工前必須完成周邊基坑的地下結(jié)構(gòu)。因此，首先要確定隧道正上方基坑及其相鄰基坑的開挖流程。

徐家匯中心項(xiàng)目的隧道正上方基坑編號(hào)為4-15區(qū)，開挖之前的主要基坑流程為：地下6層主坑（4-1區(qū)、4-2區(qū)）開挖→主坑回筑出零→主坑對(duì)應(yīng)地下3層小坑（4-5區(qū)、4-6區(qū)、4-7區(qū)）開挖→小坑回筑出零→對(duì)應(yīng)區(qū)域的隧道正上方基坑（4-15a區(qū)、4-15b區(qū)、4-15c區(qū)）開挖。

2.1.2 跨隧道重型道路設(shè)置

基坑施工會(huì)對(duì)地鐵隧道造成擾動(dòng)，在基坑施工期間跨越隧道行駛的重型荷載施工車輛同樣會(huì)對(duì)地鐵隧道造成不小的擾動(dòng)。因此，必須根據(jù)場(chǎng)地情況設(shè)置跨隧道重型道路，避免土方車、混凝土橄欖車等重型車輛對(duì)隧道正上方的土體反復(fù)擠壓造成對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

徐家匯中心項(xiàng)目設(shè)置了2條跨越隧道的重型道路，道路為鋼筋混凝土梁板式結(jié)構(gòu)，并利用結(jié)構(gòu)工程樁內(nèi)插格構(gòu)柱兼作重型道路的立柱樁（圖3）。

圖3 跨隧道重型道路

2.1.3 試驗(yàn)塊的“首件制”及施工操作手冊(cè)

地鐵隧道正上方的基坑施工并非較為常見的施工作業(yè)內(nèi)容，由于必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的多道工序，而且，若無法按時(shí)按要求完成會(huì)造成極大的風(fēng)險(xiǎn)隱患。因此在整個(gè)隧道正上方基坑施工前，必須選定試驗(yàn)塊作為首件工程。執(zhí)行“首件制”的目的是：確定工序安排及精準(zhǔn)時(shí)間控制；確保施工人員熟悉作業(yè)內(nèi)容及時(shí)間要求；發(fā)現(xiàn)擬訂方案不足之處，改進(jìn)調(diào)整施工組織。

在確定底板分塊方案后，試驗(yàn)塊選擇在距離隧道最遠(yuǎn)端的邊段。該試驗(yàn)塊底板墊層底標(biāo)高為－5.12 m，開挖面積67.5 m2，土方量約550 m3，于22：30開始土方開挖，總耗時(shí)約8 h，未能在原定的6 h內(nèi)完成分塊底板，因此在后續(xù)正式施工前還需要進(jìn)一步優(yōu)化工序搭接。

施工操作手冊(cè)的目的同樣是為了確保在有限的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)雜的多道工序。因此，手冊(cè)內(nèi)容包括各個(gè)工序的要求及時(shí)間限制，相關(guān)管理人員、各工序施工負(fù)責(zé)人的聯(lián)系方式。

2.2 關(guān)鍵控制技術(shù)

2.2.1 坑內(nèi)門式加固

基于上海軟土的K0卸荷試驗(yàn)研究以及上海大中里項(xiàng)目門式加固的應(yīng)用與研究，整個(gè)基坑坑內(nèi)采用三軸攪拌樁滿堂加固對(duì)基坑開挖施工的變形控制有顯著成效。其中，圖4、圖5中藍(lán)色區(qū)域?yàn)樗淼纼蓚?cè)加固，加固深度為22 m，紅色區(qū)域?yàn)樗淼理敿庸?，加固深度根?jù)隧道頂標(biāo)高調(diào)整，加固范圍為地表至隧道頂上方1.5 m，由此形成門式加固，在基坑開挖期間，加固體與工程樁共同作用，可以有效控制因土體開挖卸載后造成的擾動(dòng)變形。

圖5 坑內(nèi)門式加固剖面示意

坑內(nèi)門式加固對(duì)基坑開挖的卸載擾動(dòng)控制有效，但在進(jìn)行三軸攪拌樁加固施工期間，同樣會(huì)對(duì)周邊土體造成擾動(dòng)。為此，設(shè)置了3組攪拌樁試驗(yàn)樁分別對(duì)周邊3、7、11 m位置的土體進(jìn)行了測(cè)斜監(jiān)測(cè)。

從完成的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，3組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中距離攪拌樁3 m位置的土體測(cè)斜孔位移在各個(gè)階段均最大，7 m處次之，11 m處最??；從施工階段比較，成樁完成階段的土體測(cè)斜位移相對(duì)較大，成樁完成后經(jīng)過6、24 h會(huì)逐漸復(fù)原，累計(jì)位移逐漸減小。

結(jié)合施工情況分析，土體的位移變化規(guī)律與理論一致，在三軸攪拌樁施工過程中，鉆進(jìn)時(shí)向土體內(nèi)加注高壓空氣和高壓水泥漿，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，其變形的大小與加注的壓力大小及注漿量的多少密不可分，且成正比關(guān)系。隨著提鉆，樁孔中的壓力會(huì)有所消散，隨著時(shí)間推移土體位移會(huì)逐漸恢復(fù)。

因此，在坑內(nèi)門式加固施工過程中，需要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)下沉速度及提升速度，經(jīng)多次對(duì)比測(cè)試，下沉速度需控制在0.3 m/min，提升速度需控制在0.5 m/min。

2.2.2 基坑底板分塊

基坑土方開挖卸荷勢(shì)必會(huì)造成基坑底的土體向上隆起變形，因此從土方開挖卸荷到底板完成加載的間隔時(shí)間越長(zhǎng)，基坑底的土體以及隧道擾動(dòng)越大，反之若時(shí)間越短，則對(duì)隧道的擾動(dòng)就能相對(duì)減小。

本基坑面積7 000 m2，若一次性開挖，完全無法做到微擾動(dòng)變形控制，將基坑劃分成小塊，每次在限時(shí)內(nèi)開挖并完成底板可以做到微擾動(dòng)變形。

經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)圖紙的深化研究設(shè)計(jì)，底板的分塊方式主要考慮以下4點(diǎn)：隧道正上跨及邊跨結(jié)構(gòu)；沿隧道方向的標(biāo)準(zhǔn)塊及轉(zhuǎn)向調(diào)整塊；基坑深度變化處的錯(cuò)臺(tái)塊；鋼筋籠的形式。

根據(jù)以上幾點(diǎn)進(jìn)行深化，徐家匯中心隧道正上方基坑底板初步分為166塊。隧道兩側(cè)的底板共50塊，隧道頂?shù)牡装骞?15塊；其中標(biāo)準(zhǔn)塊96塊，轉(zhuǎn)向塊5塊，錯(cuò)臺(tái)塊11塊，啟止塊4塊（圖6）。

圖6 基坑分塊平面示意

標(biāo)準(zhǔn)塊鋼筋籠的大小約為18 m×3 m，先澆筑塊與后吊裝塊的鋼筋采用綁扎連接，搭接長(zhǎng)度1.2 m，長(zhǎng)邊方向的搭接區(qū)域鋼筋由于吊裝需要，采取現(xiàn)場(chǎng)綁扎，部分最上皮加強(qiáng)筋采取現(xiàn)場(chǎng)綁扎。

鋼筋籠設(shè)置8個(gè)吊點(diǎn)，吊點(diǎn)加強(qiáng)鋼筋采用直徑為32 mm的HRB400鋼筋?？v向桁架筋間距為1.5 m，橫向桁架筋間距為1.5 m（800 mm厚底板）、1.2 m（1 m厚底板），吊點(diǎn)加強(qiáng)筋與框架筋采用雙面焊，整體質(zhì)量約8.2 t，采用50 t履帶吊進(jìn)行吊裝（圖7）。

2.2.3 夜間限時(shí)施工

地鐵9號(hào)線徐家匯站的首末班時(shí)間為05：54和23：26，因此根據(jù)地鐵要求，每周需經(jīng)審批要點(diǎn)進(jìn)行分塊基坑施工，每周施工不超過3次，每次施工時(shí)間為地鐵停運(yùn)后的5 h內(nèi)。因此，如何在5 h內(nèi)完成“加固土的開挖約250 m3、混凝土灌注樁截樁2根、墊層約50 m2、鋼筋籠及附加筋等約10 t、快易收口模板約25 m，鋼柱錨腳及機(jī)電預(yù)埋、底板混凝土60 m3”是限時(shí)施工完成的關(guān)鍵。

通過前期對(duì)每一步的工藝分析、工序搭接及時(shí)間調(diào)整，逐步優(yōu)化并壓縮施工時(shí)間，具體實(shí)施措施如下：

1）隧道頂部加固土的強(qiáng)度較高，如果直接采用普通挖機(jī)開挖速度較慢，通過提前打濕松土，可以有效縮短開挖時(shí)間，但深度不宜過深，大約1.5 m。

2）工程樁截樁同樣是耗時(shí)較多的工序，前期通過人工截樁和機(jī)械截樁這2種方案進(jìn)行比較，機(jī)械截樁雖然速度較快，但對(duì)工作面空間要求比較高，且夜間施工噪聲難以控制；人工截樁速度較慢，但對(duì)工作面要求相對(duì)較低。通過調(diào)整，下一施工塊的工程樁在前塊開挖放坡時(shí)已經(jīng)露出一半的截樁工作面，將工序時(shí)間調(diào)整為白天，可以有效縮短晚上的施工時(shí)間。

3）墊層調(diào)整采用的是木模板加上10 cm厚EPS板，EPS板的100 kPa荷載平均蠕變壓縮曲線斜率8 mm/h。同時(shí)取消墊層上的底板外防水層，調(diào)整為結(jié)構(gòu)內(nèi)防水，在結(jié)構(gòu)全部完成后再進(jìn)行防水施工。

4）鋼筋現(xiàn)場(chǎng)綁扎時(shí)間過長(zhǎng)，通過鋼筋籠預(yù)制并吊裝可以大幅縮短施工時(shí)間，但部分阻礙吊裝的搭接鋼筋和附加鋼筋仍然需要現(xiàn)場(chǎng)綁扎。同理，快易收口模板在鋼筋籠上進(jìn)行先期安裝，只需要在吊裝完成后進(jìn)行局部補(bǔ)缺修整。

5）鋼柱錨腳等要求定位精確且工序時(shí)間長(zhǎng)的工藝分時(shí)間段進(jìn)行施工，夜間施工僅進(jìn)行粗定位及螺桿施工，白天再進(jìn)行精確定位及錨腳施工。同時(shí)，混凝土澆筑也根據(jù)錨腳及部分預(yù)埋進(jìn)行水平分縫處理，待全部完成后再局部二次補(bǔ)缺，既滿足了限時(shí)底板完成的要求，又滿足了精度及質(zhì)量要求（圖8）。

圖8 底板分時(shí)間段分塊

6）提前做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，包括工序驗(yàn)收準(zhǔn)備、測(cè)量定位、材料機(jī)械、施工人員、預(yù)案及應(yīng)急物資等，確保限時(shí)施工順利完成。

3 結(jié)語(yǔ)

徐家匯中心項(xiàng)目隧道正上方的基坑屬同類型中非長(zhǎng)條形基坑，其面積近8 000 m2，施工難度遠(yuǎn)超一般條形基坑，歷時(shí)一百多個(gè)夜晚最終平安順利完成，區(qū)間隧道的變形量遠(yuǎn)小于預(yù)計(jì)。

本文基于徐家匯中心項(xiàng)目，結(jié)合城市核心區(qū)的9號(hào)線地鐵區(qū)間隧道正上方的基坑施工實(shí)例，采用了3項(xiàng)關(guān)鍵準(zhǔn)備技術(shù)及3項(xiàng)關(guān)鍵控制技術(shù)，包括坑內(nèi)門式加固、基坑底板分塊、夜間限時(shí)施工，確保了地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全，真正做到“微擾動(dòng)”基坑施工。本文所介紹的淺埋段地鐵隧道正上方基坑施工的微擾動(dòng)控制技術(shù)可為同類工程提供一定借鑒。