盾構(gòu)隧道上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

陳 歡

（長沙市軌道交通集團有限公司，湖南長沙 410000）

1 引言

目前研究顯示，開挖面以下土體在基坑開挖過程中呈現(xiàn)出垂直卸荷作用，可能引發(fā)坑底土體發(fā)生回彈；且在土體壓力下，基坑圍護結(jié)構(gòu)促使基坑開挖面之下的結(jié)構(gòu)朝著坑內(nèi)發(fā)生位移，對坑內(nèi)土體進行擠壓，進而增加坑底土體應(yīng)力，促使土體向上隆起[1]；基于此，掌握和應(yīng)用盾構(gòu)隧道上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)尤為重要。本文結(jié)合工程實例，針對盾構(gòu)隧道上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)進行分析研究，具有重要現(xiàn)實意義。

2 工程概況

長沙市軌道交通5號線1期工程高橋北站—芙蓉區(qū)政府站盾構(gòu)區(qū)間（以下簡稱“高芙區(qū)間”）下穿人民路處規(guī)劃有下穿隧道一條。節(jié)點主體結(jié)構(gòu)設(shè)置雙向4車道，中間采用中隔墻分開。人民路下穿隧道節(jié)點平面尺寸30.4 m×22.4 m，節(jié)點基坑采用明挖法施工，支護為鉆孔灌注樁+雙排旋噴樁。主體結(jié)構(gòu)底板下設(shè)樁基礎(chǔ)；樁基礎(chǔ)兼做基礎(chǔ)樁和抗拔樁；樁基礎(chǔ)同時避開5號線和6號線區(qū)間隧道。本節(jié)點處各構(gòu)造物位置關(guān)系從上至下依次是：人民路下穿隧道、5號線區(qū)間隧道、6號線區(qū)間隧道；節(jié)點主體結(jié)構(gòu)底板與5號線區(qū)間隧道凈距約1.3 m。綜合考慮工期、管線改遷、圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，選擇盾構(gòu)施工完成后再進行節(jié)點施工。

3 工程地質(zhì)和水文條件

高芙區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)拱頂?shù)貙又饕獮榛炷谅访婧碗s填土；洞身地層主要為粉質(zhì)黏土，粉細(xì)砂；隧底地層主要為卵石。本區(qū)間場地工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件均屬中等復(fù)雜。地下水類型主要為第四系松散層中的孔隙水。含水層厚度在1.8～5.6 m之間，以卵石為主，局部為粉細(xì)砂和圓礫，地下水具承壓性，而上層滯水及基巖裂隙水水量甚微。臨近芙蓉區(qū)政府站地段孔隙水對隧道施工影響較大。根據(jù)長沙區(qū)域水文地質(zhì)資料、場地土層及地下水的賦存條件，本區(qū)間地下水類型為松散巖層孔隙水及紅層孔隙裂隙水2大類型。其含水層厚度為2.1～8.1 m和0.9～8.5 m。地層水水位年變化幅度為3～4 m。本工程處地下水水位在地面下2 m左右。

4 工程重難點分析

（1）在盾構(gòu)隧道施工完成后，本基坑在其上方施工。盾構(gòu)隧道上方圍護結(jié)構(gòu)無法穿過管片，導(dǎo)致此位置處圍護結(jié)構(gòu)無法入巖，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，需對隧道正上方圍護結(jié)構(gòu)采取特殊措施，保證基坑的整體安全性與可靠性。

（2）止水帷幕在盾構(gòu)管片穿越段無法施做隔水層；基坑在隧道穿越段處的防水結(jié)構(gòu)不能做到完整封閉，地下水不能被完全阻隔，導(dǎo)致地下水滲入基坑；基坑在開挖過程中存在風(fēng)險。

（3）受基坑開挖卸荷與地下水的影響，盾構(gòu)隧道管片存在上浮的風(fēng)險。管片上浮原因有2個：第一，隨著基坑土體開挖，隧道上部開始卸荷，周邊圍巖的原始應(yīng)力場發(fā)生改變，圍巖在無約束和無加固狀態(tài)下會發(fā)生應(yīng)力調(diào)整，然后再次達(dá)到平衡[2]，圍巖在應(yīng)力再次平衡過程中會發(fā)生變形，從而使位于圍巖里的隧道一起發(fā)生位移變形，導(dǎo)致管片受擠壓而發(fā)生上浮；第二，本基坑所處位置地下水水位較高，位于地表以下2 m左右，本基坑在隧道附近處止水效果比較薄弱，不能完全達(dá)到截流效果，因此地下水在基坑施工過程中的水位一直處于較高位置。當(dāng)基坑土層的開挖卸載，盾構(gòu)隧道上部抗浮力逐漸減小，管片從而發(fā)生上浮[3]。

5 圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性措施及驗算

為保證圍護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，該節(jié)點基坑開挖時設(shè)置3道支撐。第一道支撐為鋼筋混凝土冠梁支撐；第二、三道加強鋼筋混凝土連接梁將隧道頂部短圍護樁與其周圍長圍護樁連接成整體；第二道支撐在兩洞門中心處各架設(shè)2根鋼支撐；第三道支撐在角部設(shè)置鋼筋混凝土斜撐，圍護結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本基坑安全等級為1級，安全系數(shù)1.1。為驗證圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用專業(yè)軟件對基坑開挖、支撐實際工況進行模擬，分析開挖工序過程中的最不利工況情形，便于指導(dǎo)施工。

開挖過程中模擬工況顯示，開挖至距原地面4.5 m 位置，第一道連接加強環(huán)梁之前，圍護結(jié)構(gòu)變形很小，最大變形量為4.66 mm ；第一道連接加強環(huán)梁及第一道內(nèi)撐之后，開挖至8 m 位置，第二道連接加強環(huán)梁之前，圍護結(jié)構(gòu)變形最大位置在短圍護樁底，最大變形量為13.18 mm，在可控范圍內(nèi)；第二道連接加強環(huán)梁及第二道內(nèi)撐之后，開挖至基坑底位置，圍護結(jié)構(gòu)變形最大位置在基坑長邊中心位置，最大變形量為8.81 mm，在可控范圍內(nèi)，具體情況如圖2所示。

基坑開挖到底時，圍護樁彎矩最大值為499.9 kN · m。隧道頂短圍護樁底部彎矩較小，計算配筋合理；環(huán)梁彎矩最大值為1706 kN · m，位于第一道連接加強環(huán)梁四角，隧道頂短圍護樁范圍彎矩較小，詳見圖3。

支撐拆除時模擬工況顯示，拆除第二道支撐時，最大彎矩為 410.3 kN · m，樁承載力滿足要求，基坑穩(wěn)定；拆除第一道支撐時，最大彎矩為 499.9 kN · m，位于短樁中心附近，詳見圖4。

綜上所述，基坑開挖過程和支撐拆除時的工況模擬實驗結(jié)果顯示，本基坑圍護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定，開挖過程及拆撐過程中圍護結(jié)構(gòu)變形滿足要求，內(nèi)力大小適中，基坑穩(wěn)定安全。最危險工況為從距地面4.5 m開始繼續(xù)下挖至第二道支撐生效前；此過程基坑圍護結(jié)構(gòu)變形最大，需嚴(yán)格按照相關(guān)方案及技術(shù)要求進行施工，并加強監(jiān)測。

6 施工措施

6.1 測量準(zhǔn)備

盾構(gòu)隧道貫通且成型穩(wěn)定以后，組織測量人員對基坑范圍內(nèi)的每環(huán)盾構(gòu)管片的中線位置、邊線位置、隧道外徑標(biāo)高等參數(shù)以及原始地面標(biāo)高進行測量，整理成原始數(shù)據(jù)。測量計算次數(shù)不少于3次，以確保相關(guān)數(shù)據(jù)的真實性與準(zhǔn)確性。

6.2 設(shè)備選擇

本基坑圍護結(jié)構(gòu)施工時需盡量減少對管片的壓力；在灌注樁施工工藝中，正循環(huán)與反循環(huán)施工工藝是對地層擾動最小、對管片壓力最小的工法。但由于基坑西側(cè)位于高架橋之下，橋下凈空高度9 m，施工時橋下凈空不滿足正循環(huán)或反循環(huán)施工樁機的機械高度；故而不能采用正循環(huán)與反循環(huán)的施工工藝。

根據(jù)鉆孔灌注樁的技術(shù)要求和場地內(nèi)的工程地質(zhì)狀況，鉆孔樁擬采用小型旋挖鉆機成孔；該鉆機通過鉆斗的旋轉(zhuǎn)、削土、提升、卸土，反復(fù)循環(huán)而成孔，適用于黏性土、粉質(zhì)土、砂土等土層施工，并具有功率大、鉆孔速度快、移位方便、定位準(zhǔn)確、工作效率高、噪聲小、環(huán)保的特點[4]。

人民路節(jié)點基坑西側(cè)侵入萬家麗高架橋下約6 m；橋下區(qū)域范圍內(nèi)共有32根樁。結(jié)合芙蓉區(qū)政府站車站圍護結(jié)構(gòu)的施工經(jīng)驗，橋下范圍內(nèi)的圍護樁施工采用山東利達(dá)工程機械有限公司所產(chǎn)的DL-190履帶式旋挖鉆機；此機械在多種基礎(chǔ)工程中應(yīng)用廣泛[5]，適用于砂土、黏性土、粉質(zhì)土以及部分含卵石地層，最大成孔直徑1400 mm，最大成孔深度20 m，滿足圍護樁樁徑800 mm，樁深14.8 m的施工需要。機械尺寸大小為 9 m×2.6 m×3.1 m （最大展開尺寸）；在路面破除以后，此旋挖機展開后的尺寸大小滿足在高架橋下的凈空9 m的施工條件，并且與傳統(tǒng)大型旋挖機比較，有更多優(yōu)勢。

高架橋下的圍護樁施工受橋下凈空的的影響，橋下圍護樁需分多節(jié)吊裝；每節(jié)鋼筋籠長度按照實際情況以3～5 m一節(jié)吊裝施工[6]。由于橋下圍護樁鋼筋籠分節(jié)較多，需嚴(yán)格控制鋼筋籠的焊接接頭施工，采用雙面焊進行焊接搭接，焊縫長度不小于5d（d為鋼筋直徑）；焊接時需按照工藝規(guī)范進行焊接并及時檢測；檢測通過以后方可繼續(xù)進行焊接施工。

6.3 圍護結(jié)構(gòu)施工措施

（1）對施工場地進行平整，機械設(shè)備行進區(qū)域進行地面硬化，使地基堅實穩(wěn)定，確保樁機在施工過程中不會因地基沉降而發(fā)生傾斜與劇烈晃動，同時保證圍護樁的垂直度，確保圍護樁不侵限。

（2）盾構(gòu)隧道正上方圍護短樁施工時，選用振動小的小型旋挖鉆機，將樁底標(biāo)高與隧道頂距離控制在50 cm；這樣既能減小圍護樁施工對管片的擾動，又能保證萬家麗高架橋下方圍護樁施工時的凈空要求。

（3）每根樁成孔前，對孔位進行定位，嚴(yán)格控制位置偏差。成孔前用鉛垂線、水平尺等工具對樁機垂直度進行矯正，保證樁機垂直。

（4）圍護樁施工前，按照測量整理出來的高程、位置數(shù)據(jù)，計算出每根樁的施打長度，在成孔過程中安排專人對孔深進行測量與記錄。孔深的測量采取鉆桿長度預(yù)判，測繩實際測量的方式進行高程控制。在施工前，在鉆桿上標(biāo)示出長度；在施工過程中，遵循兩鏟一測量的原則。鉆桿標(biāo)示的高程用于預(yù)判鉆頭離管片的距離，然后用測繩實測孔深。測繩端部宜懸吊質(zhì)量較大的圓錐體，防止孔底沉渣帶來的誤差，保證管片安全[7]。

（5）洞門兩側(cè)樁在定位時適當(dāng)外放，保證圍護樁與管片的凈空距離。洞門兩側(cè)樁在施工過程中實時調(diào)整樁機垂直度；每完成一鏟挖掘，進行一次樁基垂直度驗證，保證洞門兩側(cè)樁不發(fā)生傾斜，從而保證樁機鉆頭不會打到隧道管片，保證管片安全。

6.4 止水帷幕封閉措施

為保證止水效果，基坑止水帷幕采用雙排旋噴樁，從隧道內(nèi)向外注漿加固隧道外土體，開挖時對樁間進行噴錨支護。

（1）根據(jù)工程情況,旋噴樁采用兩重管高壓旋噴，雙排布置。第一排采取樁間插樁，樁徑為800 mm，樁中心間距1000 mm。第二排采用樁徑800 mm，樁中心間距600 mm的咬合樁帷幕的形式。旋噴樁采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥，長度為12.5 m；位于隧道斷面范圍的旋噴樁無法施工到基坑底部。

（2）盾構(gòu)隧道在基坑區(qū)域內(nèi)采取特殊設(shè)計的管片，通過管片上的預(yù)留注漿孔從隧道內(nèi)向外注漿；注漿加固范圍為管片外3.0 m。 圍護結(jié)構(gòu)短樁兩側(cè)各4環(huán)管片采用全環(huán)注漿加固；基坑范圍內(nèi)其余隧道部分采取上部注漿加固。加固管片外土體，既能有效阻隔地下水，保證止水效果，又能加固基坑底及被動土壓區(qū)土地并穩(wěn)固隧道，防止基底變形，同時又加強圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，控制管片的上浮，增強了基坑與隧道的安全性及穩(wěn)定性[8]，如圖5所示。

（3）在基坑開挖過程中，隨著基坑的開挖，進行樁間掛網(wǎng)噴砼施工；開挖多少，網(wǎng)噴多少。鋼筋網(wǎng)采用φ8@150 mm×150 mm，噴射混凝土采用100 mm厚C20P6早強抗?jié)B混凝土。樁間掛網(wǎng)噴砼在提高樁間土體穩(wěn)定性的同時還增強了基坑圍護結(jié)構(gòu)的抗?jié)B能力，能彌補、減少由止水帷幕可能出現(xiàn)的施工缺陷造成的滲漏水，從而減輕基坑施工過程中地下水造成的影響。

6.5 管片抗浮措施

解決管片上浮主要考慮3方面措施：一是施工時減少對隧道管片土體擾動，二是對盾構(gòu)隧道周邊土體進行約束，三是減小地下水的影響。

（1）盾構(gòu)隧道施工在通過基坑下方區(qū)域時，優(yōu)化盾構(gòu)機掘進參數(shù)，減緩?fù)七M速度，降低推力，保證土壓，并控制每環(huán)出渣量，使盾構(gòu)機勻速、平穩(wěn)通過此區(qū)域；從而降低隧道施工對土體擾動，不改變其物理力學(xué)性質(zhì)，確保該區(qū)域土體的穩(wěn)定[9]。

（2）做好盾構(gòu)隧道洞內(nèi)的注漿工作，加固基底土層，提高土體強度，改善土體的物理力學(xué)性質(zhì)，使其能更好約束隧道的同時減小了由于上部卸荷造成的土體變形，從而減少隧道管片上浮情況。

（3）基坑施工前，在基坑下方隧道內(nèi)（向兩邊各延伸10環(huán)管片長度）架設(shè)雙拼的25c @1200工字鋼作為臨時支撐，用于加固、連接管片，增強此區(qū)域內(nèi)管片整體性[10]?；娱_挖卸荷的同時，在隧道內(nèi)堆載加壓，利用增加配重的方式防止管片上浮[11]。由于軌道道床施工后再進行交叉節(jié)點施工，可能會出現(xiàn)管片變形引起道床開裂；因此，不考慮利用道床加載，在交叉節(jié)點施工后再進行道床施工。洞內(nèi)堆載加壓選用沙袋，配重范圍為基坑范圍外延各3環(huán)管片距離。端墻采用三七磚墻砌筑，并外抹砂漿。為保證端墻的承重能力，端墻背后堆載3 m寬的梯形沙袋抵抗側(cè)壓。配重卸載在結(jié)構(gòu)底板完成以后進行逐步卸荷。堆載施工作業(yè)流程為：端墻砌筑→端墻抹面→端墻后堆載→逐環(huán)堆載沙袋→卸荷及端墻拆除。按照設(shè)計要求，每環(huán)管片配重不小于150 kN，每榀鋼架重量1.5 t；則實際每環(huán)需加設(shè)13.5 t。砂子密度為1.3 t/m3，則實際隧道內(nèi)每環(huán)加設(shè)10.5 m3沙袋。根據(jù)計算，當(dāng)沙袋堆積1.9 m高時，每環(huán)堆積10.8 m3，合計 14.04 t≥13.5 t，滿足要求。

（4）土體的變形存在“時空效應(yīng)”，即隨著基坑的開挖，基坑內(nèi)原有土體間的平衡會被打破，基坑下部土體會因為上部土體挖除，卸掉荷載，釋放應(yīng)力，最終導(dǎo)致基底土體隆起變形。而此開挖過程中的每個分布開挖區(qū)域的空間大小、開挖暴露處的無支撐時間長短均會對變形有影響。在一次開挖到第一道支撐位置后，及時施工環(huán)梁與鋼支撐。隨后的開挖采取抽條開挖的方式進行；抽條開挖可以減小由于土體一次卸荷引起的土體回彈位移，而且可以降低對土體的擾動，從而控制與減小隧道的上浮[12]。

（5）減小地下水對管片上浮的影響。加強盾構(gòu)隧道內(nèi)的注漿，尤其在隧道上方短樁處進行多次環(huán)形注漿，以達(dá)到堵截地下水的效果[13]。在基坑外側(cè)設(shè)計截排水溝，阻隔地表水的影響?；娱_挖時打設(shè)降水井或進行集水明排的方式對坑內(nèi)進行疏干，降低地下水水位，減小浮力，從而減輕管片上浮。

6.6 基礎(chǔ)樁施工

節(jié)點二次結(jié)構(gòu)位于隧道上方且底板距離隧道頂部僅有1.3 m。為避免結(jié)構(gòu)承載力直接作用于盾構(gòu)隧道管片，需施做結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)樁，利用樁基礎(chǔ)將結(jié)構(gòu)承載力傳遞至基巖[14]。本工程設(shè)置12根基礎(chǔ)樁，分別沿二次結(jié)構(gòu)邊墻內(nèi)邊線及中隔墻中線布置?；A(chǔ)樁為C35混凝土灌注樁，樁徑為1000 mm，樁長為7 m，基礎(chǔ)樁平面布置如圖6所示。

受施工場地及內(nèi)支撐限制，基礎(chǔ)樁無法在基坑開挖到底后施做，故與圍護結(jié)構(gòu)灌注樁同時從地面施工[15]。

7 結(jié)論

基坑在盾構(gòu)隧道上方施工時，通過增加支撐確保圍護結(jié)構(gòu)整體性，采用抽條開挖減少對周邊土體的擾動，對盾構(gòu)隧道周邊土體進行加固來約束暴露土體，有效堵截地下水，阻止盾構(gòu)隧道管片上浮，保證基坑施工時的安全及盾構(gòu)隧道的穩(wěn)定性，為整個工程質(zhì)量奠定基礎(chǔ)，以促進隧道工程可持續(xù)發(fā)展。