緊鄰既有運營鐵路超大體量隧道基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

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(nèi)基本建設(shè)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(shè)，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(diào)穿黃工程盾構(gòu)豎井基坑深度超過70 m［1］，上海地鐵4號線董家渡修復(fù)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(fēng)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(nèi)還沒有先例，相應(yīng)條件下施工技術(shù)方案、風(fēng)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(luò)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(cè)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)穿正在運行的京廣線，既有鐵路運營線側(cè)穿如此超大體量深基坑國內(nèi)外還沒有先例，在保證工程施工自身安全的基礎(chǔ)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(fēng)險和難度很大。本文研究和介紹了該工程圍護結(jié)構(gòu)及基坑施工關(guān)鍵技術(shù)，以期為類似近接鐵路超大規(guī)模深基坑工程設(shè)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(nèi)，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(nèi)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(gòu)成復(fù)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(cè)既有京廣線、既有石德正線、既有石德聯(lián)絡(luò)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(guān)系。

圖2 六線隧道與營業(yè)線位置關(guān)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(biāo)值350 km/h，石太聯(lián)絡(luò)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(jié)構(gòu)斷面設(shè)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(jié)構(gòu)，基坑開挖寬度30～52 m，深度8.5～27 m。

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

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

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(jié)構(gòu)底板以下。

1.3 主要圍護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)1～2排鋼筋混凝土橫向支撐，下部采用3～5排預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)施工

2.1.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)

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(cè)鉆孔樁約3 500根，鉆孔樁長度最大為34.2 m，長度為25～30 m。靠近營業(yè)線一側(cè)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(yán)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(yán)重社會影響。

為確保鉆孔樁施工過程安全，首先對成孔設(shè)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(yīng)用范圍廣，適應(yīng)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(cè)采取整節(jié)吊裝，靠近營業(yè)線一側(cè)根據(jù)距離營業(yè)線位置關(guān)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(fēng)險。

2.1.1.2 錨索

六線隧道地質(zhì)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(zhì)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(diào)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(shè)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(shè)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(nèi)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(nèi)支撐體系，經(jīng)設(shè)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(shè)鋼支撐困難，只能在基坑遠離營業(yè)線側(cè)置重型吊車起吊拼裝，但易發(fā)生傾覆、側(cè)翻或操作失控，存在侵限風(fēng)險;結(jié)合現(xiàn)有鋼支撐尺寸偏差、拼裝精度、倒用或轉(zhuǎn)場碰撞變形以及圍護樁平整度等因素，即使施作中間格構(gòu)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(nèi)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(fēng)險管理控制設(shè)計階段高于施工階段的原則［8］，在開工前設(shè)計優(yōu)化為混凝土支撐方案，降低了工程風(fēng)險。

2.1.2 基坑開挖

基坑開挖階段重點防范基坑圍護結(jié)構(gòu)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(cè)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(yīng)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(yīng)加強監(jiān)控量測，并根據(jù)反饋的監(jiān)測信息合理調(diào)整施工進度。

2.2 基坑吊運作業(yè)

由于基坑西側(cè)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?xùn)|側(cè)場地。結(jié)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(shè)施不足以快速疏排，地面出現(xiàn)大范圍積水，常見多個框構(gòu)橋積水?dāng)嘟?。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(nèi)引排，應(yīng)急有準(zhǔn)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(nèi)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(shè)擋水埝，基坑?xùn)|西兩側(cè)15 m范圍內(nèi)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(shè)施，確保雨季排水順暢和基坑安全。營業(yè)線側(cè)排水防汛措施如圖8所示。

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

2)坑內(nèi)少流失。堅持重堵輕排的原則，由于基坑開挖深度范圍內(nèi)以砂類土為主，需防止抽排水引起基坑內(nèi)邊坡或樁側(cè)水土流失嚴(yán)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?dāng)y帶走泥砂，造成沖溝或滑坡，并利于雨后迅速恢復(fù)施工。

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

4)應(yīng)急有準(zhǔn)備。做好應(yīng)急預(yù)案、演練和應(yīng)急物資的準(zhǔn)備，以應(yīng)對極端惡劣的天氣情況。

2.4 信息化施工

六線隧道開展標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險信息管理系統(tǒng)。目前各地結(jié)合地質(zhì)和環(huán)境特點，分別建立了監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，如寧波［9］。結(jié)合各地經(jīng)驗，六線隧道通過建立變形控制標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)警管理程序，動態(tài)與靜態(tài)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，超過預(yù)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(shè)、監(jiān)理、設(shè)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(jié)構(gòu)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(fēng)險分段評估功能，系統(tǒng)結(jié)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(fēng)險，對風(fēng)險等級為高度及以上的風(fēng)險提示相應(yīng)的管理措施。評估結(jié)果顯示實時評估出的風(fēng)險概率、等級、主要風(fēng)險點、風(fēng)險時間曲線和建議性管理措施。結(jié)合安全風(fēng)險信息管理預(yù)警系統(tǒng)，現(xiàn)場制定了配套的預(yù)警反應(yīng)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(cè)設(shè)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(shè)置報警器，一旦人員或設(shè)備“侵限”，2處同時發(fā)出安全警報，有效預(yù)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(chǔ)上，嚴(yán)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(nèi)，在施工區(qū)段的基坑兩側(cè)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(shè)計允許范圍內(nèi)。

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

4 結(jié)論與體會

石家莊六線隧道已順利完成主體結(jié)構(gòu)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(shè)計與施工積累了以下幾點經(jīng)驗。

1)通過嚴(yán)格的施工管理，營業(yè)線側(cè)實施大體量或大規(guī)模基坑施工是可行的，通過全過程全方位風(fēng)險管理，營業(yè)線位移和沉降可以控制在允許范圍內(nèi)。

2)大體量深基坑圍護結(jié)構(gòu)及支撐體系設(shè)計和施工方案對工程安全及營業(yè)線安全影響至關(guān)重要，必須結(jié)合工程特點和地質(zhì)條件比選安全可靠的圍護結(jié)構(gòu)方案，并在施工過程中對設(shè)備、工藝等環(huán)節(jié)嚴(yán)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(dāng)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(chǔ)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(zhì)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(yīng)用。

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

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