近接地鐵隧道施工抗浮技術(shù)分析

宋 勇，應(yīng)金星

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢430040；2.中鐵19局集團(tuán)有限公司，北京100000)

已建地下建構(gòu)筑物(如地鐵車站、區(qū)間隧道等)在滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活和工作需求的同時，也給后建工程帶來了諸多難題，其中之一就是在地下建構(gòu)筑物上方的基坑開挖卸荷引起的基坑上浮，會導(dǎo)致下方已有建構(gòu)筑物的變形，甚至對其使用功能和安全性可能造成嚴(yán)重危害［1-4］。深圳地鐵11號線南山站～前海灣站區(qū)間雙孔地鐵隧道與桂廟路下穿隧道在空間位置上呈上下重疊關(guān)系(圖1)，重疊隧道段長約2.2 km，最小凈距僅6.1 m(約1倍洞徑)?？紤]到地鐵11號線2016年的通車要求進(jìn)行工期安排，共線段重疊隧道施工順序為先期施工下方地鐵11號線的區(qū)間隧道(盾構(gòu)法施工)，再施工桂廟路下穿隧道(明挖法施工)。盾構(gòu)隧道埋深16～31 m，線路間距9.6～13.0 m，管片內(nèi)徑D=6.0m，管片厚d=350mm。采用德國海瑞克公司生產(chǎn)的φ6 250 mm復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。桂廟路下穿隧道斷面為大跨度矩形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)全寬38.2 m，全高10.5 m，采用全幅明挖法施工。上方明挖基坑施工對下方地鐵隧道的上浮影響較大，主要由以下兩部分位移的疊加：一是基坑開挖過程中引起坑內(nèi)土體的回彈變形帶動地鐵隧道的上浮變形；二是盾構(gòu)地鐵隧道本身的先期卸荷引起的上浮變形。

為了確保基坑開挖過程中地鐵11號線已建隧道的安全，有必要在施工中采取各種主動和被動抗浮措施。工程調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的抗浮措施大多是針對地鐵車站基坑和房屋建筑基坑，本工程涉及到的明挖隧道基坑工程方面的抗浮經(jīng)驗非常少。兩者雖然具有一定的區(qū)別，但類似工程具有可相互借鑒價值。本論文將對現(xiàn)有鄰近隧道基坑施工中幾種常見抗浮措施的原理，施工特點、技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，為本工程重疊隧道段抗浮設(shè)計提供依據(jù)。

1 地鐵隧道上浮位移控制要求

考慮到深圳地鐵11號線通車時間要求，根據(jù)目前對重疊隧道的施工順序安排，新建桂廟路下穿隧道施工時，“南～前”區(qū)間的地鐵隧道已經(jīng)完成了中軌鋪設(shè)，因此對明挖基坑下方地鐵隧道所允許的上浮變形量非常小。根據(jù)地鐵盾構(gòu)隧道設(shè)計單位提出的要求，結(jié)合新隧道基坑設(shè)計的要求，為了嚴(yán)格控制基坑開挖過程中由于殘余應(yīng)力、空間效應(yīng)、開挖步長、暴露時間、支護(hù)插入土層深度及周邊超載所引起地鐵隧道的上浮位移，設(shè)計的具體要求如下：地鐵隧道絕對最大沉降不超過10 mm，地鐵隧道最大上浮量不超過10 mm。根據(jù)基坑手冊要求，地鐵隧道變形曲率半徑大于15 000 m，相對彎曲必須小于1/2 500，施工產(chǎn)生的振動對地鐵隧道引起的峰值速度不大于25 mm/s。同時，基坑開挖過程中須對基坑及隧道同時進(jìn)行施工監(jiān)控量測，監(jiān)測結(jié)果應(yīng)及時反饋設(shè)計單位，做好信息化設(shè)計與施工。

2 基坑開挖抗浮技術(shù)分析

通過文獻(xiàn)調(diào)研，基坑開挖施工的幾種抗浮技術(shù)主要有以下幾種。

2.1 利用基坑開挖時空效應(yīng)抗浮技術(shù)

基坑空間效應(yīng)引起的基坑回彈，是基坑上浮位移的重要影響因素。大量工程實踐和理論分析表明：(1)基坑小斷面開挖引起的上浮位移比大斷面開挖引起的上浮位移??；(2)在相同卸荷面積下，利用長條形的開挖方式比正方形的開挖方式所引起的回彈量要大。因此，利用土體的空間效應(yīng)原理，選擇正確合理的基坑開挖方式是基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計重點。

為了減少施工對土體擾動，達(dá)到控制工程周邊地層變形、保護(hù)地面和地下建構(gòu)(建)筑物環(huán)境、安全施工的目的，施工過程以土體充分利用“時空效應(yīng)規(guī)律”為指導(dǎo)思想，即合理安排挖土方的空間尺寸，迅速封閉基坑開挖面，盡量減少每步開挖無支護(hù)的暴露時間，科學(xué)地利用土體自身抵抗地層回彈位移的潛力來控制基坑和近接構(gòu)筑物上浮變形。施工中做到基坑土體“分層、分塊、對稱、順序”開挖，及時封閉支護(hù)，并與地層加固等其他手段配合使用，最大限度的減小地層擾動。具體施工過程中的主要做法如下。

2.1.1 豎向分層開挖

基坑深度較大時，不應(yīng)一次開挖到底，一次大面積卸荷會使得地鐵隧道的回彈量過大，超過地鐵保護(hù)的要求限制。應(yīng)分層開挖基坑并及時施做支護(hù)結(jié)構(gòu)，減小基坑暴露時間。施工中可根據(jù)隧道與基坑之間的凈距大小和土層情況合理地改變每層開挖土體的厚度，并根據(jù)監(jiān)測反饋結(jié)果及時調(diào)整方案，使地鐵隧道的回彈量完全在控制的范圍內(nèi)。

2.1.2 橫向分條(塊）開挖

基坑寬度(跨度)較大時，每層開挖過程中可在橫向進(jìn)行分條或分塊開挖。一般先開挖中間分塊土體，再對稱地開挖兩邊分塊土體，為減小每條土體開挖對地鐵隧道造成的偏壓影響。同時，基坑橫向開挖過程中的土條(土塊)宜與隧道基本垂直，這樣在開挖每條土塊時可有效減小地鐵隧道的回彈。

2.1.3 縱向分塊開挖

在基坑與下臥地鐵隧道重疊出現(xiàn)長距離共線的情況時，會導(dǎo)致基坑與隧道產(chǎn)生長距離的相交，如不采取措施，大面積的開挖卸荷將影響下臥地鐵隧道的安全。因此采用縱向分塊開挖基坑的方式對減小下臥隧道變形可以起到明顯作用?？v向分塊開挖一般先間隔分塊施做豎井，然后采取交錯開挖的方式。

2.1.4 縱向分步開挖

當(dāng)基坑開挖長度較長時(如長條形基坑)，可沿基坑軸線縱向分步、分臺階進(jìn)行開挖，使基坑的開挖成為一個不斷向前推進(jìn)的動態(tài)過程。施工中可根據(jù)情況調(diào)整分步開挖過程中的臺階長度以加快施工進(jìn)度。

2.1.5 及時封閉支護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑開挖后需要立即施做支護(hù)結(jié)構(gòu)，減小土層位移?；油谥恋装逯蠹皶r封閉底板，盡量減少開挖面和底板的暴露時間，減小土體時間效應(yīng)和蠕變效應(yīng)造成的過大地層位移。

2.1.6 監(jiān)控反饋

隧道上方的基坑開挖是高風(fēng)險性工程，因此對運營地鐵隧道、基坑本身及周圍環(huán)境的跟蹤監(jiān)測十分重要。在地基加固和基坑開挖期間，根據(jù)大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋信息，隨時掌握隧道變形情況，及時調(diào)整開挖步長、分塊數(shù)量和分層厚度等開挖參數(shù)，預(yù)報施工中出現(xiàn)的問題，判斷隧道產(chǎn)生變形的原因，信息化指導(dǎo)施工。

利用土體時空效應(yīng)原理嚴(yán)格按照“分層、分塊、對稱、順序”開挖基坑已經(jīng)成為目前近接隧道基坑開挖的施工原則，然而分層、分塊數(shù)量越多，施工流程組織越復(fù)雜，工序安排越困難，施工進(jìn)度越慢，工程勞動成本就越高。因此，施工中應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體情況，在確保工程安全的情況下，合理的制定和調(diào)整開挖方案，加快施工速度。

2.2 “遮攔效應(yīng)”抗浮技術(shù)

通過在下方地鐵隧道外側(cè)打入一排遮攔樁，當(dāng)遮攔結(jié)構(gòu)達(dá)到了比較高的強(qiáng)度時，能承受一定的水平荷載，隔斷地鐵隧道與基坑之間的地層應(yīng)力與變形傳遞路徑，以隔斷基坑開挖對既有近接隧道的影響。隔斷樁可選用高壓旋噴樁、鋼管樁、柱樁、連續(xù)墻等形式。

利用“遮攔效應(yīng)”來控制隧道上浮，能以極少的施工成本獲得最大的變形控制效果。但是該方法局限性很大，僅適合于隧道位于基坑側(cè)下方情況，沒辦法隔斷位于基坑正下方的隧道與基坑之間的應(yīng)力傳遞。本工程重疊隧道段區(qū)間地鐵隧道左線基本上位于基坑側(cè)下方，可以考慮采用該方法進(jìn)行上浮控制。

2.3 地層加固隧道上浮控制技術(shù)

地層加固是控制隧道上浮最最常用的措施之一，地層加固的方法有很多種，其加固的原理都是通過改良現(xiàn)有土體性質(zhì)。首先增大土體的c、φ和彈性模量E，使得地基基床系數(shù)k增大，地鐵隧道縱向彈性特征值增大，從而隧道的變形減??；其次，加固體形成的整體性很好的空間整體厚板體系，增大土體對隧道的約束，從而可以有效地限制隧道的上浮。

根據(jù)加固手段可劃分為有注漿法、水泥攪拌樁法、高壓噴射注漿法和高壓旋噴樁等，各種加固手段的地層適應(yīng)性不同，如注漿和深層攪拌樁法加固對土體擾動較小，加固效果較好；高壓旋噴樁法雖然具有施工占地少、噪音較低等優(yōu)點，但由于其是利用高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將漿液噴射出來，沖切、擾動、破壞土體，因此容易污染工程環(huán)境，并且對施工土層擾動較大。各種控制措施在開挖卸荷工程中是可以綜合運用的，應(yīng)針對不同工程、不同土體采取不同的措施。在深度較大，攪拌加固效果較差的區(qū)域可采用旋噴，在緊鄰既有隧道的區(qū)域可采用深層攪拌和注漿加固結(jié)合。

注漿法加固土體在基坑工程中起著重要的作用，已在城市基坑施工中取得了良好的效果。注漿是將一定材料配制成漿液，用壓送設(shè)備將其灌入地層或縫隙內(nèi)，使其擴(kuò)散、膠凝或固化，將原來松散或不連續(xù)的地層材料膠結(jié)成整體，以改善地層的物理力學(xué)性質(zhì)。按漿液在土中的流動方式，可將注漿法分成滲透注漿、壓密注漿和劈裂注漿三類。經(jīng)常使用的漿液材料有水泥漿材和化學(xué)漿材和混合型三類。

地基注漿加固范圍越大，施工成本越高，因此首先確定合理的注漿寬度和厚度是地基加固的關(guān)鍵問題。一般注漿加固土體的范圍都是憑借經(jīng)驗取得，但工程實踐來看，加固土體的范圍需根據(jù)工程實際情況及時調(diào)整，針對不同的工程采用不同的注漿范圍，達(dá)到施工安全與經(jīng)濟(jì)效益的和諧統(tǒng)一。因此對注漿加固土體的合理范圍進(jìn)行研究，具有重要的實際工程意義。

2.4 堆載法隧道上浮控制技術(shù)

地鐵隧道上浮的根本原因是基坑開挖的卸荷使土體發(fā)生變位，帶動土層中的隧道產(chǎn)生豎向位移。堆載法加固是在開挖后的基坑底板上通過覆蓋沙土袋、堆載豆礫石等手段進(jìn)行堆載處理，減小土體的卸荷量，將隧道的豎向剛體變位控制在有效范圍內(nèi)。根據(jù)周丁恒等人的研究，堆載荷載大小與基坑下部地鐵區(qū)間隧道上浮呈線性關(guān)系，適當(dāng)?shù)亩演d可有效的控制隧道上浮。

采用堆載法控制隧道上浮具有施工成本低、操作方便、靈活等優(yōu)點，但是控制地鐵上浮的最佳堆載量大小和最佳堆載時機(jī)的確定比較困難。根據(jù)陳長江和周丁恒等人的研究，最佳堆載時機(jī)宜在施工基坑第一道支撐和第二道支撐之間，該段時間堆載加荷時，地鐵區(qū)間隧道整個施工過程中平均上浮為最小。

3 結(jié)束語

通過技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前常用的隧道抗浮措施主要有利用基坑開挖時空效應(yīng)抗浮技術(shù)、“遮攔效應(yīng)”抗浮技術(shù)、地層加固隧道上浮控制技術(shù)、堆載法隧道上浮控制技術(shù)等四種方法。本文對上述抗浮措施的原理、施工特點、技術(shù)適用性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，可為本工程的基坑開挖抗浮設(shè)計提供參考。