復(fù)雜環(huán)境中隧道深基坑支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

林 巧 鄭鳳先 薛九天

1. 上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080；2. 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司 上海 200092

目前，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)正在如火如荼發(fā)展[1-2]，從而帶來(lái)了大量的隧道深基坑工程。由于隧道工程沿線跨度較長(zhǎng)、周邊環(huán)境緊張，其深基坑工程往往面臨局促的施工空間和復(fù)雜的環(huán)境情況，既有建筑物和地下管網(wǎng)密集、車(chē)流交通繁忙、地質(zhì)條件起伏多變等難點(diǎn)。由基坑工程施工引起的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題變得日益突出，深基坑的開(kāi)挖受到嚴(yán)格的環(huán)境條件制約[3]，必須在保證質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，通過(guò)合理分析、科學(xué)設(shè)計(jì)和精細(xì)管理，最大限度地減輕對(duì)周邊環(huán)境對(duì)象的負(fù)面影響。

1 工程概況

杭州某快速通道工程起始于余杭區(qū)崇賢至老余杭連接線（高架）工程接地點(diǎn)，沿現(xiàn)狀東西大道布置，經(jīng)過(guò)一段地面后，以地道形式連續(xù)下穿荊余路、02省道（杭徽高速）以及蔣家潭河，至圣地路與規(guī)劃杭州中環(huán)順接，主路路線全長(zhǎng)約2 527 m，采用雙向六車(chē)道規(guī)模。本工程平面如圖1所示。

圖1 擬建快速通道工程平面示意

主線隧道由敞開(kāi)段和暗埋段組成：北敞開(kāi)段位于荊余路以北，南敞開(kāi)段位于蔣家潭河以南，暗埋段下穿荊余路橫向道路后分離為獨(dú)立兩孔，過(guò)杭徽高速Ⅰ號(hào)匝道橋及主橋基礎(chǔ)后合并為雙孔箱涵形式。隧道總長(zhǎng)度2 004 m；北部敞開(kāi)段長(zhǎng)度431 m，采用U形槽式結(jié)構(gòu)，基坑深度2.9～9.3 m；中部暗埋段總長(zhǎng)度1 284 m，采用雙孔分離和合并布置的單/雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，下穿蔣家潭河區(qū)段設(shè)置空腔夾層形成雙層雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，基坑深度5.7～18.5 m；南部敞開(kāi)段長(zhǎng)度289 m，采用U形槽式結(jié)構(gòu)，基坑深度為0～5.7 m。

1.1 環(huán)境情況

本工程位于浙江省杭州市余杭區(qū)老余杭街道范圍內(nèi)，大致走向沿主干道東西大道按南北方向布置，路面下市政管網(wǎng)密布，北側(cè)局部區(qū)段與杭臨線盾構(gòu)區(qū)間并線，沿途兩側(cè)分布有復(fù)地上城、華塢新苑、庭院深深等眾多居民小區(qū)，并橫穿荊余路、杭徽高速2條干道，跨越蔣家潭河一條河流水系，環(huán)境條件復(fù)雜敏感，保護(hù)要求極高。

1.2 地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地屬于第四系坡洪積斜地和湖沼平原地貌，沿線地勢(shì)總體較平坦。場(chǎng)區(qū)地層分布從上至下依次為①1雜填土、①2素填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥1全風(fēng)化粉砂巖、⑥2強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、⑥3中風(fēng)化粉砂巖、⑦1全風(fēng)化砂巖、⑦2強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑦3中風(fēng)化砂巖。

場(chǎng)地內(nèi)的特殊性巖土主要包括雜填土、軟土及風(fēng)化巖石：分布于場(chǎng)地表部的①1、①2層厚度變化較大，一般為0.5～6.0 m，均勻性差、欠密實(shí)、性質(zhì)差異變化大；③層黏土是場(chǎng)地內(nèi)主要軟土層，土體呈流塑狀，具有低強(qiáng)度、高壓縮性，有較明顯的蠕變、觸變特性；位于場(chǎng)地下部的風(fēng)化基巖主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖，全場(chǎng)分布，其水理性質(zhì)差，遇水易軟化，同時(shí)巖性不均勻，沿線巖體風(fēng)化厚度變化較大。

影響本路段施工地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水?？紫稘撍c河流地表水的水力聯(lián)系密切，呈水力互補(bǔ)的狀態(tài)；淺層雜填土中的潛水具有各向異性、透水性好的特點(diǎn)，但給水度有限；黏性土、淤泥質(zhì)黏土中的潛水透水性較差，水量貧乏，是相對(duì)隔水層?；鶐r裂隙水賦存于底部的⑥大層、⑦大層中，主要受側(cè)向補(bǔ)給和上部地表雨水、潛水入滲補(bǔ)給，徑流緩慢，向下游排泄，水量微弱。

2 基坑總體設(shè)計(jì)方案

本工程除庭院深深小區(qū)范圍出于通行需求采用半蓋挖順作外，基坑全線均采用明挖法施工，并根據(jù)各區(qū)段基坑情況、環(huán)境特點(diǎn)，主要采用了放坡開(kāi)挖、鉆孔灌注樁圍護(hù)墻＋內(nèi)支撐2種支護(hù)形式，以保障既有建（構(gòu)）筑物的安全，達(dá)到安全性、經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。

由于項(xiàng)目規(guī)模大、建設(shè)工期緊，環(huán)境保護(hù)要求較高，且施工期間需保證地面交通，考慮將整個(gè)工程由北向南劃分為4個(gè)區(qū)段、3個(gè)節(jié)點(diǎn)。4個(gè)區(qū)段為：區(qū)段Ⅰ位于荊余路節(jié)點(diǎn)以北，區(qū)段Ⅱ緊鄰區(qū)段Ⅰ并位于荊余路南側(cè)、至杭徽高速路口為止，區(qū)段Ⅲ穿越庭院深深小區(qū)、終止于蔣家潭河節(jié)點(diǎn)，區(qū)段Ⅳ位于蔣家潭河節(jié)點(diǎn)以南。3個(gè)節(jié)點(diǎn)為：穿荊余路節(jié)點(diǎn)R、下穿杭徽高速節(jié)點(diǎn)Q及穿蔣家潭河節(jié)點(diǎn)H。基坑平面分區(qū)如圖2所示。

圖2 基坑施工平面分區(qū)示意

整個(gè)基坑工程分為4階段施工，總體工序?yàn)橄葏^(qū)段、后節(jié)點(diǎn)，后施工分區(qū)在先施工分區(qū)回筑覆土后方可開(kāi)挖。

第1階段：Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1、Ⅳ-1基坑支護(hù)以及開(kāi)挖施工。

第2階段：Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2基坑支護(hù)及開(kāi)挖施工。

第3階段：Ⅱ-3、Q-3、H-3基坑支護(hù)及開(kāi)挖施工。

第4階段：R-4、Q-4、H-4基坑支護(hù)及開(kāi)挖施工。

3 基坑支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工期間交通組織技術(shù)

本高速路工程建設(shè)周期長(zhǎng)、影響范圍廣，東西大道既是余杭區(qū)東西貫通的一條交通主干道，同時(shí)也是沿線居住小區(qū)到達(dá)性交通的主要出行通道，因此在其下方進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工必將對(duì)原有城市交通產(chǎn)生負(fù)面影響，給社會(huì)公眾出行帶來(lái)較大沖擊。為處理好隧道施工與道路交通的矛盾，保障基坑施工期間城市生產(chǎn)、生活的順利進(jìn)行，將工程建設(shè)對(duì)城市交通的影響程度降到最低，在建設(shè)前期針對(duì)道路交通疏解開(kāi)展重點(diǎn)研究是十分必要的[4]。

本工程從優(yōu)化施工統(tǒng)籌、改善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高通行效率等角度出發(fā)，結(jié)合基坑階段分期和疏散通道布置對(duì)施工期間的交通組織進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

第1階段施工期間，以杭徽高速為界，以北路段整體向東側(cè)翻交，以南路段整體向西側(cè)翻交，占用東西大道外側(cè)綠化帶或農(nóng)田空地保證通行流量，庭院深深小區(qū)范圍在西線隧道頂部設(shè)置棧橋蓋板用于臨時(shí)通車(chē)（圖3）。

圖3 第1階段施工期間交通疏解方案

第2階段施工期間，杭徽高速與荊余路之間的區(qū)段Ⅱ東線施工，故該區(qū)段向西側(cè)翻交至先期施工完成的西線隧頂?shù)缆?，其余區(qū)段基本維持上階段交通組織安排（圖4）。

圖4 第2階段施工期間交通疏解方案

第3階段施工期間，除節(jié)點(diǎn)外其余區(qū)段道路基本恢復(fù)正常通行，杭徽高速節(jié)點(diǎn)Q施工期間翻交至空間較寬裕的東側(cè)，蔣家潭河節(jié)點(diǎn)H施工期間維持在西側(cè)通行（圖5）。

圖5 第3階段施工期間交通疏解方案

第4階段施工期間，荊余路節(jié)點(diǎn)R翻交至北側(cè)先期施工完成的隧頂?shù)缆?，其余區(qū)段基本維持上階段交通組織安排直至施工完成（圖6）。

圖6 第4階段施工期間交通疏解方案

3.2 盾構(gòu)區(qū)間并行段支護(hù)技術(shù)

主線隧道北側(cè)敞開(kāi)段約300 m范圍與地鐵杭臨線盾構(gòu)區(qū)間并行，盾構(gòu)埋深26～31 m，與隧道水平投影距離約8 m，該段基坑開(kāi)挖深度2.9～9.3 m，且盾構(gòu)區(qū)間先于隧道實(shí)施，是基坑實(shí)施過(guò)程中的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象（圖7）。

圖7 主線隧道與杭臨線盾構(gòu)區(qū)間平面位置關(guān)系

本區(qū)段基坑挖深不大，且北端兩側(cè)均為丘陵空地、場(chǎng)地空間開(kāi)闊，故對(duì)開(kāi)挖深度小于4 m的區(qū)段采用一級(jí)放坡開(kāi)挖至基底，同時(shí)要求坡頂5 m范圍內(nèi)禁載，以提高在填土層中開(kāi)挖邊坡的整體穩(wěn)定性；對(duì)開(kāi)挖深度4～9 m的區(qū)段采用直徑600（800） mm鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)合1～2道鋼筋混凝土或鋼管內(nèi)支撐的支護(hù)形式，以滿足不同深度基坑開(kāi)挖穩(wěn)定和變形控制要求。

由于地鐵隧道對(duì)變形極為敏感，為預(yù)估基坑支護(hù)方案實(shí)施期間對(duì)盾構(gòu)區(qū)間的影響，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析基坑開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的環(huán)境擾動(dòng)影響[5]（圖8、圖9）。隧道敞開(kāi)段與杭臨線區(qū)間距離最近、影響最大的ZK0＋423.00—DK0＋370.00區(qū)段，基坑深度6.2～8.7 m，基坑寬度29.4～31.7 m，基坑底部距離待建杭臨區(qū)間隧道頂部最近11.7 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與區(qū)間隧道最小距離7.7 m。隧道外徑6.7 m，襯砌厚度350 mm。

圖8 整體模型及襯砌結(jié)構(gòu)位移分析云圖

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分析云圖

從圖8所示位移分析結(jié)果可知：杭臨線襯砌結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.25 mm，最大水平位移發(fā)生在盾構(gòu)底部，位移朝向基坑；杭臨線襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.9 mm，發(fā)生在隧道右側(cè)，位移方向朝上；均小于地方標(biāo)準(zhǔn)[6]對(duì)軌交結(jié)構(gòu)變形最嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)5 mm，表明現(xiàn)有支護(hù)措施能有力保證盾構(gòu)區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)圖9所示主應(yīng)力分析結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力為512 kPa，發(fā)生在隧道襯砌底部，壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，且未出現(xiàn)拉應(yīng)力，表明襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.3 下穿高架低擾動(dòng)支護(hù)技術(shù)

主路隧道在里程D/XK0＋730.00—D/XK0＋800.00處兩線分離下穿杭徽高速匝道橋和主線橋，影響3個(gè)匝道橋墩和3個(gè)主線橋墩?；邮┕て陂g需注意對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的保護(hù)。

3.3.1 匝道橋支護(hù)方案

匝道橋與主線隧道交角約80°，受影響匝道橋墩號(hào)為1#、2#、3#，橋底距現(xiàn)狀地面凈高約13 m，均采用640 cm×250 cm×200 cm矩形承臺(tái)，下設(shè)3根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基，其中1#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高6.80 m、樁長(zhǎng)16.2 m，2#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高6.40 m、樁長(zhǎng)15.8 m，3#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高5.10 m、樁長(zhǎng)22.4 m，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。

東線隧道基坑內(nèi)邊線距離1#承臺(tái)邊約2.5 m，距離2#承臺(tái)邊約3.5 m；西線隧道基坑內(nèi)邊線距離2#承臺(tái)邊約8.8 m，距離3#承臺(tái)邊約1.2 m。其中，3#承臺(tái)與西線隧道平面相擾，大部分承臺(tái)基礎(chǔ)位于西線隧道內(nèi)部，承臺(tái)樁基會(huì)阻礙隧道基坑開(kāi)挖施工。

本節(jié)點(diǎn)基坑開(kāi)挖深度約12.5 m，為保護(hù)兩側(cè)橋墩承臺(tái)，基坑采用直徑1 000 mm鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)合3道內(nèi)支撐（第1道為鋼筋混凝土支撐、第2、第3道為帶軸壓伺服系統(tǒng)鋼支撐）的強(qiáng)支護(hù)形式；并選用MJS旋噴樁施工套打止水帷幕，加強(qiáng)隔水效果；同時(shí)，對(duì)承臺(tái)和樁基上部填土及黏土層采用全方位高壓旋噴注漿（MJS）加固置換，深度至全風(fēng)化粉砂巖，以減少基坑開(kāi)挖引起的承臺(tái)與樁基位移。此外，為避免卸載不均衡引起的側(cè)向附加變形，施工期間要求東、西線基坑同步開(kāi)挖施工，且兩坑開(kāi)挖面高差始終不得超過(guò)1 m。

其中，3#承臺(tái)沖突節(jié)點(diǎn)原考慮采用拆除重建方案，即先拆除該段匝道橋，待隧道結(jié)構(gòu)施工完成后再行重建。由于東西大道為城區(qū)主干道，車(chē)輛通行頻繁，交通流量巨大，建設(shè)方要求隧道穿越施工必須保證高架的正常交通能力，因此排除了重建方案的可行性，而線路坡度的限制與承臺(tái)樁基的布置使得隧道無(wú)法從樁基下方或中間穿越，經(jīng)多方案比選最終決定按一次轉(zhuǎn)換進(jìn)行橋墩托換施工，在托換施工完成后保護(hù)性開(kāi)挖隧道基坑。

3.3.2 主線橋支護(hù)方案

主線橋與主線隧道基本正交，受影響主橋墩號(hào)為344#、345#、346#，橋底距現(xiàn)狀地面凈高約13 m，均采用740 cm×630 cm×200 cm工字形承臺(tái)，下設(shè)4根直徑1.5m鉆孔灌注樁基，其中344#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高7.80 m、樁長(zhǎng)24.7 m，345#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高7.30 m、樁長(zhǎng)21.3 m，346#橋墩承臺(tái)頂標(biāo)高6.900、樁長(zhǎng)15.6 m；上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜腹式整體箱梁。

東線隧道基坑內(nèi)邊線距離344#承臺(tái)邊約1.1 m，距離345#承臺(tái)邊約7.1 m；西線隧道基坑內(nèi)邊線距離345#承臺(tái)邊約1.0 m，距離346#承臺(tái)邊約1.8 m。

本節(jié)點(diǎn)基坑開(kāi)挖深度約12.5 m，為保護(hù)兩側(cè)橋墩承臺(tái)，采用的支護(hù)方案基本同前述匝道橋節(jié)點(diǎn)。此外，在第1道鋼筋混凝土支撐澆筑時(shí)，另從頂圈梁向外局部施作一塊素混凝土傳力板帶頂住鄰近承臺(tái)側(cè)面，以進(jìn)一步限制主橋承臺(tái)側(cè)移。

3.4 狹窄空間保護(hù)性支護(hù)技術(shù)

主線隧道中段D/XK0＋820.00—ZK1＋360.00里程范圍緊貼庭院深深小區(qū)建筑，從小區(qū)中部穿過(guò)，小區(qū)建筑包括東區(qū)7棟15—25層高層住宅和西區(qū)6棟11—26層高層住宅，均帶1層地下室（埋深約4.2 m），地下室采用梁板式筏板基礎(chǔ)，樁基分別選用抗拔錨桿（東區(qū)）和鉆孔灌注樁（西區(qū)），以中/強(qiáng)風(fēng)化巖層作為持力層。

該區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)由東西分離合并為雙孔箱涵，隧道基坑內(nèi)邊線距離建筑5.7～15.2 m，基坑挖深12.6～17.0 m，基坑施工應(yīng)注意對(duì)小區(qū)建筑的保護(hù)。

為保護(hù)兩側(cè)住宅建筑，本區(qū)段基坑采用直徑1 000 mm鉆孔灌注樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并按照開(kāi)挖深度的增加情況設(shè)置3～4道鋼筋混凝土/鋼管支撐作為支撐體系；同時(shí)為滿足施工期間出行需求，結(jié)合西線隧道頂部第1道鋼筋混凝土支撐布設(shè)半幅臨時(shí)棧橋，采用半蓋挖順作法施工。

此外，本區(qū)段北側(cè)XK0＋865.80位置處的西線隧道緊貼小區(qū)現(xiàn)狀圍墻敷設(shè)，最小間距僅742 mm（圖10），難以施工設(shè)計(jì)寬度的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因此考慮在空間逼仄部位換用直徑700 mm鉆孔灌注樁，采用MJS樁套打施工兼作止水。影響范圍內(nèi)的圍護(hù)樁均同時(shí)作為使用階段主體結(jié)構(gòu)的一部分形成強(qiáng)化復(fù)合外墻，灌注樁的施工與驗(yàn)收按永久結(jié)構(gòu)國(guó)家有關(guān)規(guī)范規(guī)程要求實(shí)施，滿足100年合理使用年限。施工單位在該區(qū)段施工前亦應(yīng)做好現(xiàn)場(chǎng)的量測(cè)與施工準(zhǔn)備，施工時(shí)盡可能減少對(duì)既有圍墻的影響，對(duì)于因施工作業(yè)需要，局部需侵入圍墻的情況，施工單位應(yīng)提前反饋給建設(shè)各方，并與小區(qū)所在街道、業(yè)委會(huì)充分溝通對(duì)接后，采取切實(shí)可行的拆除復(fù)建方案。

圖10 庭院深深小區(qū)北側(cè)節(jié)點(diǎn)平面示意

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)城區(qū)軌道交通深基坑開(kāi)挖過(guò)程中面臨的施工空間局促狹小、周邊環(huán)境敏感復(fù)雜等難題，以杭州地區(qū)某快速通道深基坑工程為背景，對(duì)其建設(shè)過(guò)程中根據(jù)不同挖深、環(huán)境、施工條件，綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、便捷等因素，制定的具有針對(duì)性的基坑支護(hù)技術(shù)與環(huán)境保護(hù)措施進(jìn)行詳細(xì)闡述，能夠極大降低基坑工程建設(shè)對(duì)周邊環(huán)境的不良影響，具有較好的工程意義和社會(huì)效益。