上跨地鐵運營線基坑施工對隧道變形控制研究

段 超

(中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安 710054)

1 概述

隨著國家對地下空間的進一步開發(fā)與利用，城市地鐵迅猛發(fā)展，截止到2020年底，我國地鐵總里程數(shù)已達4 511.3 km。地鐵數(shù)量及規(guī)模的增加，使得大量深基坑開挖近接既有運營地鐵線路的情況不斷涌現(xiàn)，如不能有效控制基坑開挖對既有運營隧道的影響，極易導致隧道的變形失穩(wěn)，進而帶來一系列安全事故[1-4]。因此，準確預測和有效控制基坑開挖對既有近接隧道的影響已成為城市安全建設的決定性因素。

近年來，諸多學者針對基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響展開研究，吳劍秋等[5]以深圳地鐵11號線為背景，利用有限元軟件Plaxis 3D研究了“跳倉法”及施作轉換板結構對下臥隧道變形的影響；陳仁朋等[6]研究了地下通道開挖過程中下臥隧道的上浮規(guī)律；鄭剛、溫鎖林、李健津等[7-9]則針對基坑施工對下臥運營隧道的變形提出了一系列的控制措施，并利用數(shù)值模擬的方式進行驗證；魏綱[10]分析了多個基坑開挖對下臥隧道的變形影響，并依此提出了隧道最大隆起量的經驗預測公式。劉國彬等[11]結合軟土地基變形計算方法，提出了考慮時空效應的控制基坑下隧道上浮變形的方法。

綜上，關于基坑開挖對下臥隧道的變形影響已有大量研究，但對于基坑開挖對密貼下臥既有運營地鐵隧道的影響及上浮控制措施卻鮮有報道。本文依托西安地鐵火車站站修建工程，通過對既有隧道兩側土體加固、設置臨時抗浮梁、分段開挖及預留核心土反壓等措施，輔以在全程中對隧道變形采取自動化監(jiān)測，分析了基坑開挖對密貼下臥既有運營地鐵隧道變形的影響。研究成果可為類似工程的修建提供參考。

2 工程概況

西安地鐵四號線是一條已運營的西安市軌道交通骨干線路，北起于未央區(qū)北客站，終點止于長安區(qū)航天新城站，全長35.2 km，均為地下線?；疖囌菊緸榈罔F四號線的一個換乘車站，受西安火車站整體改造的影響，暫未開通?；疖囌菊竟こ讨饕謨善谶M行，其中二期工程包含明挖車站主體、附屬風亭、通道、換乘通道及車站與一期既有隧道的聯(lián)絡通道，分為南北兩側施工，平面布置見圖1。北側地鐵施工主要包含明挖車站主體A區(qū)、地鐵Ⅲ號出入口、換乘通道及聯(lián)絡通道。南側地鐵施工主要包含明挖車站主體B區(qū)、地鐵Ⅱ號通道、地鐵Ⅰ號(南廣場)出入口、1號風亭、安全疏散通道及聯(lián)絡通道。

火車站站Ⅲ號出入口為地下一層箱型框架結構，基坑長36.1 m，寬37.035 m，底板埋深約為11 m，采用明挖順作法施工，橫跨已運營的地鐵四號線隧道。Ⅲ號出入口通道底板距離隧道拱頂初支最近只有80 mm(見圖2)，施工過程中極易導致運營中的地鐵隧道上浮，抗浮控制直接關系到四號線運營安全。此外，車站所處地段，地質條件復雜，多為飽和軟黃土，地下水位較高，降水難度大，基坑開挖易產生變形失穩(wěn)，工程地質剖面見圖3。

3 既有隧道兩側土體加固措施

3.1 旋噴樁地基加固措施

在Ⅲ號出入口修建時，對既有的四號線隧道兩側土體進行了加固，加固區(qū)域如圖4所示。常用的地基加固方案主要有基底滿堂加固和隧道“門式”加固兩種類型，考慮到本次工程的復雜性，為減小臨近施工對已有運營隧道的影響，采用基底滿堂加固。加固采用三重管高壓旋噴樁，樁徑為800 mm，漿液采用強度等級為P.O42.5的硅酸鹽水泥漿，加固深度16.1 m，具體樁體布置如圖5所示。

在施作旋噴樁加固土體時，水泥漿液被噴射到樁體周圍的土體中，能填充土體內部的孔隙，使土體相互咬合連成整體，提高了地基土體的強度和剛度，控制基坑變形。同時地基加固可有效解決地基土體的回彈問題，有利于控制基坑下方隧道的上浮。

3.2 臨時抗浮梁措施

除采取地基加固措施外，工程中還設置臨時抗浮梁來平衡基坑開挖卸荷后地鐵四號線隧道產生的浮力。在基坑開挖至設計標高后，迅速施作墊層、防水層及Ⅲ號出入口通道結構底板，然后在通道底板之上施作1 200 mm×1 000 mm的抗浮梁與φ1 200 mm抗拔樁，使抗浮梁與抗拔樁連成整體，抗浮梁和抗拔樁剖面如圖6所示。待整個Ⅲ號出入口通道施工完畢，回填上覆土后，拆除抗浮梁。

如圖6所示，抗拔樁和抗浮梁緊密固接，組成一種類似于“門字形”結構，將既有的四號線隧道牢牢鎖進土體中。當隧道上浮時，其對抗浮梁產生向上的浮力，而抗拔樁對抗浮梁則產生向下的拉力，這兩個力互相抵消，達到了力的平衡?？拱螛吨饕獮殂@孔灌注樁，樁身和土體緊密接觸，土體對樁產生摩擦力作用，達到了抗拔的效果。

4 分段及預留“核心反壓土”開挖措施

4.1 基坑分段開挖

火車站站Ⅲ號通道采用明挖順作法施工，在基坑未開挖之前，隧道結構整體平衡，不會產生結構損毀變形。若對基坑采取一次性全部開挖施工，會使四號線隧道上覆土層壓力驟然消失，壓力失衡導致隧道結構產生上浮變形破壞。故在實際施工中為保證四號線運營安全和Ⅲ號通道施工安全，采取分段開挖方式修建Ⅲ號通道，即將整個Ⅲ號通道施工過程分三個施工段、五個步驟進行，具體的開挖施工步驟為：

第一步：施工基礎樁、抗拔樁，加固隧道兩側土體，當基坑降水至設計標高時開挖第一個施工段。基坑右側按照2級自然放坡開挖，開挖過程中，由上而下破除附屬與主體連接部位圍護樁、止水帷幕以及國鐵三角區(qū)支護樁、止水帷幕，直至開挖至坑底設計標高，割除暗挖隧道管棚及錨桿，如圖7所示。

第二步：待第一施工段挖至設計標高后，迅速施工墊層、防水層及通道結構底板，并在第一施工段施工1 200 mm×1 000 mm抗浮梁和φ1 200 mm抗拔樁，及時封閉基坑底部，如圖8所示。

第三步：待第一施工段底板及抗浮梁達到強度后，開挖第二施工段，開挖至設計標高后迅速施工墊層、防水層、通道結構底板、樁基承臺和第二施工段抗浮梁，及時封閉基坑底部(同時施工第一施工段側墻、頂板)，待第一施工段結構達到要求后，回填第一施工段覆土，如圖9所示。

第四步：待第二施工段底板及抗浮梁達到強度后，開挖第三施工段，開挖至設計標高后迅速施工墊層、防水層及通道結構底板，及時封閉基坑底部(同時施工第二施工段梁、柱、頂板)，第二施工段結構達到要求后，回填第二施工段覆土，如圖10所示。

第五步：施作第三施工段梁、柱、頂板、側墻，待混凝土強度達到設計要求后，回填剩余基坑，停止降水，拆除抗浮梁，如圖11所示。

4.2 預留核心反壓土

此外，在分段開挖的基礎上，為減少下臥隧道暴露時間，現(xiàn)場采取“預留核心反壓土”的方法組織開挖(見圖12)，即在分段開挖時，預留下臥隧道上方范圍(寬為隧道邊墻以外1 m，高4 m，長為每一段開挖的基底長度)反壓土，先行組織兩側土體開挖、平整及墊層施工，最后集中開挖預留反壓土部分及此范圍的墊層施工。此措施充分利用“時空效應”原理，最大程度減少隧道在開挖階段的暴露時間，從而控制和減少上浮變形。

5 隧道自動化監(jiān)測措施

5.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)簡介

本次監(jiān)測采用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行，系統(tǒng)由測量機器人(徠卡TS60/TS50/TM50磁懸浮式自動化全站儀)、信號控制器和工業(yè)用計算機組成，其系統(tǒng)工作流程如圖13所示。該系統(tǒng)可在無人值守的情況下，實現(xiàn)全天24 h自動監(jiān)測，克服了傳統(tǒng)測量方法的不足，具有測量精度高、測量結果準確，自動進行數(shù)據處理、數(shù)據分析、報表輸出及提供圖形等優(yōu)點。

5.2 隧道監(jiān)測方案設計

于火車站站二期工程施工期間，根據主要(0 m～15 m)和次要(15 m～42 m)影響分區(qū)在既有四號線隧道部分布置測點，自動實時監(jiān)測地鐵隧道的變形情況。其中，二期工程北側施工時，既有四號線隧道左線ZDK17+712～ZDK17+991,既有隧道右線YDK17+762～YDK17+995為基坑影響區(qū)，其中主要影響區(qū)隧道里程為：左線ZDK17+746～ZDK17+977,右線YDK17+788～YDK17+963。在基坑主要影響區(qū)按5 m間距，局部地區(qū)按3 m間距，次要影響區(qū)按10 m間距布設隧道監(jiān)測斷面，如圖14所示，則在隧道左線計有56個監(jiān)測斷面，主要影響區(qū)47個；右線計有44個監(jiān)測斷面，主要影響區(qū)32個。在各隧道監(jiān)測斷面布置傳感器，主要進行如表1所示的監(jiān)測內容。

表1 地鐵隧道自動化監(jiān)測項目、測點布置及監(jiān)測精度

5.3 監(jiān)測數(shù)據分析

由圖14可知，Ⅲ號出入口施工時，主要對左線運營隧道產生影響，其影響的隧道左線里程為： ZDK17+806～ZDK17+841。該里程內共布設8個隧道監(jiān)測斷面，在各監(jiān)測斷面內于拱頂布設豎向位移監(jiān)測點，測點編號與隧道里程號一一對應，為Z806～Z841。本項目監(jiān)測日期始于2020年9月12日，截止于2021年3月22日，監(jiān)測跨度達192 d，為減少工作量及控制文章篇幅，每隔7 d選取一組數(shù)據，計27組數(shù)據，分析Ⅲ號出入口施工時左線隧道拱頂沉降變化情況，如圖15所示。

從圖15可知，Ⅲ號出入口施工期間，地鐵四號線左線隧道表現(xiàn)出先上浮后下沉的現(xiàn)象。其中，從2020年9月18日到2021年1月22日，隧道持續(xù)上浮，于2021年1月22日前后隧道拱頂沉降累計值達到峰值，約為3.3 mm；自2021年1月22日至2021年3月19日，隧道一直保持下沉的趨勢，并在2021年3月19日前后拱頂沉降累計變化值保持穩(wěn)定。該現(xiàn)象說明，Ⅲ號出入口施工過程中，隨著基坑開挖等工作的進行，隧道上覆荷載減小，隧道不可避免的發(fā)生上浮現(xiàn)象，但通過采取地基土體加固、設置臨時抗浮梁及分段開挖等措施，隧道的上浮總體可控，其最大上浮量僅3.3 mm，低于控制值3.5 mm，隧道運營安全。隨著Ⅲ號出入口主體結構施作完畢，上覆土體回填，隧道又在緩慢下沉，直至穩(wěn)定。

6 結論

依托西安地鐵四號線火車站站上跨既有運營隧道工程，通過地基加固、設置臨時抗浮梁、分段施工等措施控制隧道上浮量，輔以施工全過程自動化監(jiān)測來反饋施工，主要得出如下結論：

1)于施工中采取旋噴樁加固土體及設置臨時抗浮梁等措施，可增強土體剛度和強度，平衡土體卸荷時隧道上浮力，減小隧道上浮量。

2)采用分段和“預留核心反壓土”的方法組織開挖，最大限度的控制隧道挖土卸荷后的暴露時間，避免了隧道上覆土體突然卸載危及運營隧道安全和基坑施工安全。

3)施工過程中，自動化精確監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測隧道沉降情況，監(jiān)測結果顯示隧道拱頂上浮量呈現(xiàn)先升后降的趨勢，最大上浮量僅為3.3 mm，在合理區(qū)間內，施工完成后隧道下沉，且趨于穩(wěn)定。