上穿既有電力隧道條件下基坑開挖技術(shù)研究

單 亞（上海申通地鐵集團(tuán)有限公司, 上海 200030）

近年來隨著城市建設(shè)的加速，全國范圍內(nèi)正在進(jìn)行大規(guī)模的地鐵建設(shè)，路網(wǎng)將越來越復(fù)雜。同時(shí)，地下交叉施工繁多，勢必會(huì)出現(xiàn)部分地鐵車站、區(qū)間等新建線路建設(shè)施工位于既有地下建筑結(jié)構(gòu)上、下的案例。本文以上海市軌道交通大世界站上穿既有西藏南路電力隧道為例，采用隧道內(nèi)型鋼加固、地墻圍護(hù)、坑內(nèi)加固、液氮冰凍、分坑開挖等組合加固措施。液氮冰凍是第一次作為一項(xiàng)獨(dú)立施工措施應(yīng)用于基坑開挖過程中，最終根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測分析地鐵車站在多種組合措施下對(duì)上穿既有電力隧道的影響。其研究結(jié)果對(duì)類似工程具有指導(dǎo)意義[1]。

1 工程概況

1.1 工程背景

上海市軌道交通某號(hào)線大世界站主體位于金陵東路和金陵中路下，騎跨西藏南路、柳林路，東起云南路，西至龍門路。本站為地下二層島式站臺(tái)車站，與地鐵 8 號(hào)線“T”型換乘。其中，中間換乘節(jié)點(diǎn) 8 號(hào)線南端頭井已建成投入使用。車站主體規(guī)模 227.0 m × 19.6 m，站臺(tái)中心處頂板覆土約 2.48 m，底板埋深約 15.69 m。車站共設(shè) 2 個(gè)出入口，2 組風(fēng)亭?；影踩燃?jí)為一級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，即圍護(hù)墻最大水平位移 ≤ 0.14%H，坑外地表最大沉降 ≤0.1%H，H為基坑開挖深度。其中，東段施工段 B 區(qū)基坑尺寸為 12.0 m × 20.1 m，開挖深度 15.62 m，坑底位于第④ 層灰色淤泥質(zhì)黏土與 ⑤1-1 層灰色黏土交界處，采用明挖順作法施工，如圖 1 所示。

圖1 大世界站平面圖

西藏路電力隧道位于西藏南路東側(cè)，下穿某號(hào)線大世界站，處于車站東側(cè)施工區(qū) B 區(qū)正下方。電力隧道外徑 3 200 mm，內(nèi)徑 2 700 mm。頂標(biāo)高為 –13.098～–13.033 m，距離開挖面凈距約 500 mm，車站施工過程中要對(duì)電力隧道進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

1.2 電力隧道與大世界地鐵車站 B 區(qū)關(guān)系

穿越段 B 區(qū)基坑上跨電力隧道，開挖面距電力隧道凈距約 0.5 m，電力隧道兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 800 mm 厚地下連續(xù)墻，深 35 m，墻底位于 ⑤3-1 灰色粉質(zhì)黏土層，插入比為 1:1.23。電力隧道上方南、北兩側(cè)四幅地下墻為蹺腳幅，短墻深 15.62 m，距離電力隧道頂 0.5 m，其余范圍墻深 35 m?；觾?nèi)沿電力隧道方向分為 3 個(gè)基坑，采用全方位高壓噴射工法(Metro Jet System，MJS)內(nèi)插型鋼形式進(jìn)行分隔。內(nèi)插 H 型鋼。電力隧道上方樁深15.62 m，避開電力隧道范圍樁深 35 m。基坑開挖施工時(shí)，MJS 內(nèi)插型鋼起分倉作用兼做電力隧道壓重措施，避免因土方卸載造成電力隧道上浮。電力隧道與基坑 B 區(qū)位置剖面圖如圖 2 所示。

圖2 電力隧道與基坑 B 區(qū)位置剖面圖

2 工程特點(diǎn)、難點(diǎn)

大世界站東段施工段 B 區(qū)基坑下有 1 根 3 200 mm 的電力隧道橫穿整個(gè)基坑，導(dǎo)致基坑南、北兩側(cè)地墻無法在電力隧道下方封閉。地墻插入比不足，且未隔斷 ⑤2 層承壓水，所以需要采取相應(yīng)措施將電力隧道下方封閉，同時(shí)起到擋土受力及隔水作用。

此外，由于電力隧道距離車站基坑開挖面只有約 0.5 m，距離太近，上部基坑進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、土方開挖等施工都會(huì)對(duì)電力隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，所以施工過程中需對(duì)電力隧道進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)。

3 針對(duì)電力隧道保護(hù)要求對(duì)應(yīng)的基坑開挖技術(shù)措施

3.1 型鋼連接成整體

大世界站東區(qū)施工前，基坑正下方位置的電力隧道內(nèi)部四周采用型鋼焊接連接，將電力隧道連接成整體，增加整體抗浮能力，且管片接縫位置采用鋼板焊接，減少不均勻沉降[2]。

3.2 地下連續(xù)墻施工

地墻施工前對(duì)電力隧道位置進(jìn)行探孔。先根據(jù)圖紙坐標(biāo)，在場地內(nèi)放樣出南北兩側(cè)地墻范圍內(nèi)電力隧道位置。再用帶三葉鉆鉆頭的鉆機(jī)進(jìn)行探孔，探出電力隧道兩側(cè)及正上方位置及標(biāo)高，場地內(nèi)表明隧道位置，確保電力隧道位置準(zhǔn)確。

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)在電力隧道位置采用蹺腳幅的形式，地墻接頭采用 H 型鋼接頭。蹺腳幅短墻墻深 15.62 m，墻底距電力隧道頂 0.5 m。

（1）成槽前對(duì)成槽機(jī)司機(jī)進(jìn)行安全技術(shù)交底。成槽時(shí)嚴(yán)格控制成槽深度，嚴(yán)禁超挖。電力隧道正上方短墻開挖至14 m 后，每挖一斗，人工復(fù)測一下成槽深度。若開挖過程中遇到障礙不能繼續(xù)開挖，需及時(shí)上報(bào)，探明障礙物性質(zhì)，方可進(jìn)行后續(xù)開挖。避開電力隧道段蹺腳幅施工時(shí)，注意控制與電力隧道的保護(hù)距離 0.5 m。

（2）嚴(yán)格控制導(dǎo)墻施工質(zhì)量，包括導(dǎo)墻厚度、深度，蹺腳幅位置導(dǎo)墻制作深導(dǎo)墻。導(dǎo)墻達(dá)到設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行槽段開挖，避免吊放鋼筋籠、澆筑混凝土?xí)r，導(dǎo)墻產(chǎn)生下沉。

（3）成槽完成后，嚴(yán)格控制清孔質(zhì)量，采用反循環(huán)法吸除沉積在槽底部的土碴淤泥，保證沉渣厚度在規(guī)范要求范圍內(nèi)，避免沉渣過厚造成后期地下墻沉降。

（4）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求埋設(shè)注漿管，并采取相應(yīng)措施對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，保證注漿管通暢。待地下墻施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求后，按照設(shè)計(jì)及規(guī)范要求進(jìn)行墻趾注漿。

（5）地下墻及后續(xù)開挖施工過程中，嚴(yán)禁將鋼筋堆場等荷載較大的材料、設(shè)備堆場布置在電力隧道上方，減小地表沉降和地下墻沉降對(duì)電力隧道造成的影響。

3.3 液氮冰凍施工

地墻短墻下方未封閉段利用凍土作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力及隔水。設(shè)計(jì)凍結(jié)板塊有效厚度為 3.0 m，深度 35.0 m，地面9.1 m 以下局部凍結(jié)高度 25.9 m，平均溫度T≤–15 ℃。南側(cè)距地連墻 400 mm 的距離布置第一排 2 個(gè)孔深 35 m 垂直凍結(jié)孔，北側(cè)距地連墻 300 mm 的距離布置第一排 2 個(gè)孔深 35 m 垂直凍結(jié)孔。南側(cè)在與第一排間距 1 000 mm 處布置第二排 2 個(gè)孔深 35 m 垂直凍結(jié)孔，北側(cè)因基坑外側(cè)距既有 8 號(hào)線出入口間隙為 1 m，在與第一排間距 400 mm 處布置第二排 2 個(gè)孔深 35 m 垂直凍結(jié)孔。南側(cè)在電力隧道正上方距地連墻外側(cè) 313 mm 處布置 1 個(gè)孔深 15.7 m 垂直凍結(jié)孔，北側(cè)在電力隧道正上方距地連墻外側(cè) 905 mm 處布置1 個(gè)孔深 15.7 m 垂直凍結(jié)孔。凍結(jié)管選用φ127 mm × 5 mm 的 R304 不銹鋼管。供液管規(guī)格選用φ32 mm × 3 mm的 R304 不銹鋼管。

為準(zhǔn)確掌握凍結(jié)溫度變化情況，在南、北側(cè)做地連墻時(shí)各預(yù)埋 3 個(gè)垂直測溫孔，靠近地連墻處各布置 1 個(gè)垂直測溫孔，每天監(jiān)測。在南、北側(cè)電力隧道內(nèi)凍結(jié)壁范圍共布置 12 個(gè)測點(diǎn)，每隔 7～15 d 監(jiān)測一次，監(jiān)測凍結(jié)壁的發(fā)展速度、分析計(jì)算凍結(jié)壁厚度及平均溫度。垂直測溫管選用φ60 mm×4 mm 無縫鋼管。凍結(jié)孔剖面圖布置如圖 3 所示。

圖3 凍結(jié)孔剖面布置圖

3.4 坑內(nèi)地基加固施工

電力隧道所在的基坑坑內(nèi)采用 MJS 滿堂加固?；幽?、北兩側(cè)各 4.2 m 范圍內(nèi)加固深度從第 2 道支撐至地墻墻底35.0 m 處，中間 11.9 m 寬度加固深度從第 2 道支撐至電力隧道底 3.0 m。基坑在電力隧道兩側(cè)底板下加設(shè) 700 mm 抗拔樁，全套筒施工，樁長 35.0 m，距離隧道凈距 1 500 mm。

3.5 “彈鋼琴”法施工

根據(jù)基坑開挖時(shí)空效應(yīng)原理，為了盡量減小電力隧道上方土體卸載量，同時(shí)考慮現(xiàn)場作業(yè)條件，根據(jù)電力隧道穿越段基坑的開挖寬度、深度關(guān)系，在基坑內(nèi)寬度范圍內(nèi)打設(shè) 2排 SMW 工法樁，作為分坑圍護(hù)樁，將基坑分為 3 個(gè)獨(dú)立的小基坑。

本工程采用了沿基坑縱向設(shè)置分隔墻，將大基坑劃分為獨(dú)立的小基坑，跳倉進(jìn)行施工的方法。每一階段小基坑開挖結(jié)構(gòu)施工時(shí)，相鄰小基坑尚未開挖或結(jié)構(gòu)中板已完成，從而大幅提高了施工安全系數(shù)，減小了施工難度。具體施工流程如圖 4 所示。

圖4 電力隧道上方基坑“彈鋼琴”法施工流程圖

基坑設(shè)計(jì)為 4 道支撐，每個(gè)階段小基坑第四道支撐以上土體分層盆式開挖并安裝支撐，剩余最后一層土體約2.7 m，約 230 m3土方。為了減小隧道上方土體卸載和坑底的自由暴露時(shí)間，將隧道上方土體快速置換，必須確保從土體開挖到底板混凝土澆筑（土方開挖、墊層澆筑、鋼筋綁扎、底板混凝土澆筑）在 72 h 內(nèi)完成[3]。每層土方開挖計(jì)劃表如表 1 所示。

表1 開挖進(jìn)度安排表

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)及效果分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，大世界站東段施工段 B 區(qū)基坑（正下方為電力隧道 165 環(huán)～178 環(huán)）2019 年 8 月開始進(jìn)行清障，至 2020 年 1 月底地下連續(xù)墻完成、坑底加固施工完成為止，電力隧道的環(huán)片最大沉降位移為 –33.62 mm，環(huán)片最小沉降位移為 –20.69 mm，環(huán)片的平均沉降位移為–30.55 mm。電力隧道整體呈中間沉降最大，兩邊沉降最小的均勻沉降狀態(tài)，但電力隧道環(huán)片沉降趨勢基本一致。電力隧道環(huán)片相應(yīng)數(shù)據(jù)曲線如圖 5 所示。

圖5 西藏南路電力隧道環(huán)片沉降數(shù)據(jù)曲線圖

2020 年 3 月開始西藏南路電力隧道周邊土體凍結(jié)施工，至 2020 年 7 月大世界站東段施工段 B 區(qū)基坑土方開挖及底板澆筑完成為止。電力隧道環(huán)片最大沉降位移為–29.48 mm，環(huán)片最小沉降位移為 –18.16 mm，環(huán)片的平均沉降位移為 –24.06 mm。電力隧道整體呈北側(cè)沉降最小、南側(cè)沉降最大的沉降趨勢，與大世界站東段施工段 B 區(qū)基坑的開挖次序有一定的聯(lián)系。由于前期西藏南路電力隧道周邊土體凍結(jié)施工完成，導(dǎo)致電力隧道環(huán)片沉降速率較小，且趨勢基本一致。相應(yīng)數(shù)據(jù)曲線如圖 6 所示。

圖6 西藏南路電力隧道環(huán)片沉降數(shù)據(jù)曲線圖

4.2 施工效果分析

本工程通過凍結(jié)西藏南路電力隧道周邊土體及“彈鋼琴”法施工，減弱了主動(dòng)區(qū)的土壓力對(duì)西藏南路電力隧道的影響。最終使得西藏南路電力隧道沉降在后期大世界站東段施工段 B 區(qū)基坑土方開挖施工期間較小，成功地減小了對(duì)西藏南路電力隧道的負(fù)面影響[4-5]。

5 結(jié) 語

本文為新建地鐵車站上穿既有電力隧道過程中介紹一種效果良好的組合加固施工措施，重點(diǎn)在幫助城市地下工程建設(shè)過程中，如何盡可能減小對(duì)既有地下建筑物結(jié)構(gòu)安全的影響。此方法的核心在于內(nèi)外措施如何協(xié)調(diào)一致的組合達(dá)到最大效益，以及采用液氮冰凍進(jìn)行地墻封閉止水的方案。希望本文能為今后同類工程的施工樹立典型并提供借鑒。