清涼門隧道上跨既有地鐵2號線深基坑施工技術(shù)

雷 輝

（中鐵四局集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況

城西干道清涼門隧道在漢中門段（里程K2+999~K3+043）上跨南京市地鐵二號線盾構(gòu)區(qū)間隧道。地鐵二號線該區(qū)域為單洞單線盾構(gòu)隧道的區(qū)間，埋深為14.5m，現(xiàn)已開通運營。沿線建構(gòu)筑物密集，地下管線眾多。交通繁忙，車流量較大。

上跨地鐵段隧道基坑最大開挖深度9.4m，平均挖深9.1m，開挖基坑底部距離地鐵頂部最小垂直距離5.1m，隧道與地鐵二號線斜交75°。

基坑開挖區(qū)域自上而下土層為：

①-1雜填土：由粉質(zhì)粘土混碎磚，厚度2.5-3.4m；

①-2素填土：粉質(zhì)粘土局部夾植物根系，埋深2.5-3.4m；

②-1粉質(zhì)粘土：含少量腐植物，局部夾薄層粉土，埋深5.4-7.3m；

②－2粉質(zhì)黏土：軟流塑、部分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，韌性、干硬度中等，埋深7.5-9.5m。

③-1粉質(zhì)黏土：灰黃色-棕紅色，可塑，局部硬塑，含鐵錳結(jié)核，干強(qiáng)度中等，層頂埋深約12.7m，層厚約4m；

④-2殘積土：棕紅色，由泥巖、泥質(zhì)粉砂巖經(jīng)劇烈風(fēng)化而成，以硬塑狀態(tài)為主，土質(zhì)不均，浸水極易軟化。層頂埋深約20.8m，層厚約0.9m。

⑤－1強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、棕紅色、風(fēng)化強(qiáng)烈、局部夾少量中風(fēng)化巖塊，屬極軟巖，遇水極易軟化，層厚約2.5m；

⑤－2a中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、棕紅色、泥質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)及粉粒狀結(jié)構(gòu)層狀構(gòu)造，巖質(zhì)軟硬相間，有裂隙發(fā)育，屬極軟巖，層厚約20m。

圖1 基坑圍護(hù)及加固平面圖

施工區(qū)域西側(cè)約60m為秦淮河，常年水位標(biāo)高約6.5m（吳淞高程）。對工程和施工有影響的地下水主要為淺層潛水、弱承壓水、基巖風(fēng)化裂隙水。淺層潛水主要賦存于人工填土及新近沉積的②層土中，人工填土厚度3-4m，水量豐富，透水不均，總體上屬于弱透水層~透水地層。潛水穩(wěn)定水位埋深在地面以下5m左右。

2 工程難點

2.1 隧道保護(hù)要求高

南京地鐵2#線隧道采用裝配式結(jié)構(gòu)，在保護(hù)區(qū)內(nèi)工程施工必將對其產(chǎn)生影響，輕則引起管片接縫張開、環(huán)縫或通縫漏水；重則引起管片開裂、鋼筋銹蝕縮短隧道使用壽命。為確保保護(hù)區(qū)內(nèi)工程施工對隧道不產(chǎn)生損壞，特制定以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤20mm；

（2）隧道變形曲線的曲率半徑R15000m；

（3）相對彎曲不大于1/2500；

（4）收斂變形小于20mm。

2.2 基坑開挖引起隧道隆起量大

基底與隧道頂凈距僅5.1m，為接近工程實際，采用有限元法對基坑卸載過程進(jìn)行模擬，根據(jù)地層損失原理對實際荷載和相應(yīng)系數(shù)進(jìn)行修正。計算結(jié)果表明，僅開挖期間隧道頂部最大附加變形量為12.52mm，加之前期施工隧道隆起量，隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施必將受到影響，甚至影響地鐵安全運營。

2.3 施工區(qū)域地質(zhì)條件差

對應(yīng)地鐵隧道結(jié)構(gòu)施工區(qū)域狀況不良，歷史上曾發(fā)生過一定程度的沉降和變形，目前累計沉降量較大。

3 設(shè)計措施

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

上跨地鐵二號線區(qū)段的隧道基坑四周采用φ1000@800的咬合樁圍護(hù)，形成封閉基坑。東西兩側(cè)為φ1000@2000的雙排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)8m范圍兩地鐵盾構(gòu)隧道之間以及地鐵盾構(gòu)隧道兩側(cè)分別設(shè)三排φ1000@800的咬合樁與基坑圍護(hù)樁相連，其與圍護(hù)樁通過冠梁連接形成整體，成“丁”狀，以增強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.2 地基加固

φ850的三軸攪拌樁滿堂加固，樁底標(biāo)高為-9.5m，深入地鐵底板標(biāo)高以下至少0.7m，地鐵保護(hù)限界之內(nèi)的圍護(hù)樁樁底距離隧道頂1.0m。地基加固的目的是防止基坑開挖期間盾構(gòu)隧道上浮。

3.3 支撐體系

基坑深度范圍內(nèi)設(shè)三層支撐，其中第一層支撐為鋼筋砼支撐，共設(shè)4道支撐梁及6道輔助的琵琶撐。第二、三層均為Φ609mmδ16mm鋼管樁支撐。第二道支撐施加191.22kN，第三道支撐施加23.36kN。

3.4 主體結(jié)構(gòu)

圖3 基坑縱向開挖順序圖

上跨地鐵二號線段隧道主體分為三節(jié)施工，長度分別為15m、14m、15m。節(jié)與節(jié)之間做施工縫處理。

4 施工流程

兩側(cè)地基加固、圍護(hù)樁施工（地基加固完成后進(jìn)行雨污水管施工）→中間部分封堵頭、地基加固、抗拔樁施工→冠梁、第一層砼支撐施工→第一、二層土方開挖、鋼支撐安裝→第三層中間10m區(qū)域土方開挖→中間10m區(qū)域墊層、底板施工→分兩次開挖第三層兩側(cè)剩余的土方→兩側(cè)墊層、底板施工→拆第三層鋼支撐→邊墻施工→將第二道鋼支撐換撐至側(cè)墻位置→頂板施工→頂板防水層→拆第二道鋼支撐、鑿除第一道砼支撐→土方回填。

5 主要施工技術(shù)

5.1 地基加固

地基加固采用三軸攪拌樁。因地鐵保護(hù)限界內(nèi)地基加固樁底距離地鐵頂部最小距離僅1m，為確保施工精度，減小對地鐵的干擾，采用在三軸攪拌樁鉆桿上設(shè)橫向限位桿的方式確保精度，施工順序為：

第一步：虎踞路車輛從中間通行，施工兩側(cè)的三軸攪拌樁。首先施工地鐵保護(hù)限界外的攪拌樁，然后再施工地鐵保護(hù)限界以內(nèi)的攪拌樁。樁基垂直于隧道布置，北半幅的樁基從南向北推進(jìn)，南半幅的樁基從北向南推進(jìn)。

第二步：虎踞路車輛從兩側(cè)通行，施工中間剩余的三軸攪拌樁，施工順序同第一步。

圖4 基坑開挖及底板施工順序圖

5.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

三軸攪拌樁施工完成后方可進(jìn)行咬合樁的施工。地鐵保護(hù)限界之外的圍護(hù)樁φ1000@800的鉆孔咬合樁采用120°全套筒鉆機(jī)施工。地鐵保護(hù)限界內(nèi)的圍護(hù)樁樁底距離地鐵頂部僅1.5m，采用旋挖鉆施工，以減少對地鐵的影響。為防止旋挖鉆施工出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，待三軸攪拌樁樁體強(qiáng)度達(dá)到70%以上再采用旋挖鉆進(jìn)行咬合樁施工，如圖1、圖2所示。

5.3 支撐結(jié)構(gòu)

基坑深度范圍內(nèi)設(shè)三層支撐，其中第一層支撐為鋼筋砼支撐，共設(shè)4道支撐梁及6道輔助的琵琶撐。采用18mm的竹膠板做模型，對拉拉桿加固，鋼筋砼支撐達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的100%后方可進(jìn)行基坑土方的開挖。第二、三層均為Φ609mmδ16mm鋼管樁支撐。第二道支撐施加191.22kN，第三道支撐施加23.36kN。

5.4 基坑降水

為減少對地鐵的擾動，本區(qū)域基坑降水不采用井點降水方式，基坑開挖的同時采取挖集水坑明排的方式來解決地表水和地下水問題。

5.5 配重設(shè)置

主體土方開挖過程中，由于覆土被卸載，可能導(dǎo)致地鐵在地下水浮力作用下產(chǎn)生上浮或位移，在開挖階段通道內(nèi)配重、底板施工完成后將配重卸載，開挖及配重（主體結(jié)構(gòu)施工及卸載）同步進(jìn)行。配重根據(jù)與卸載土相同重量的原則，采用2m的預(yù)制混凝土塊加載實施。

5.6 基坑開挖

根據(jù)“時空效應(yīng)”理論和地下工程施工及驗收規(guī)范的要求，嚴(yán)格遵守“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的施工原則。清涼門隧道和地鐵二號線交叉段的基坑尺寸為：長×寬×深＝43m×28m×9.1m，四周全是圍護(hù)樁，根據(jù)設(shè)計文件制定施工參數(shù)如下：

開挖分層的層數(shù)：每層開挖深度2m~4m，開挖層數(shù)3層，每段最后人工配合機(jī)械清底20cm；每層分4~5個區(qū)段，每個區(qū)段寬度8-10m，開挖完一個區(qū)段及時安裝鋼支撐。

圖5 底板施工及反壓預(yù)制混凝土塊布置圖

圖6 基坑豎向變形曲線圖

圖7 基坑測斜深度位移變化曲線圖

每層分部開挖的數(shù)量：V＝300~600m3；

分部開挖的時間限制：Tc＝12~14h；

分部開挖后完成支撐的時間限制：Ts＝1~2h；

鋼支撐預(yù)加軸力：N＝設(shè)計計算軸力的70%；

每部開挖的長度B和高度H：B＝8~10m（兩根鋼支撐），H＝鋼支撐層距3m。

每部開挖卸載后無支撐暴露時間：Tr＝14~ 16h；

選用2臺長臂挖掘機(jī)、2臺普通挖機(jī)、2臺小挖掘機(jī)進(jìn)行開挖，日完成挖土方約400 m3。在圍護(hù)樁兩側(cè)設(shè)隔離圍擋，作為機(jī)械運行、停放和車輛行駛通道的場地，土方利用自卸汽車運出，棄于指定地點。

每段縱向開挖分層長度最大10m、最小為8m，深度以每道鋼支撐的高度為一層，鋼支撐的安裝和預(yù)應(yīng)力的施加控制在16小時以內(nèi)，分段土方開挖到設(shè)計標(biāo)高后快速澆筑底板砼墊層及底板砼，確保基坑安全。

基坑底以上3m范圍內(nèi)土方開挖及底板施工：為減小地鐵上浮力，第三層土方分三次開挖，第一次開挖中間10m區(qū)域的土方，開挖完畢及時進(jìn)行該區(qū)域的底板施工，開挖的同時在兩側(cè)進(jìn)行堆載；第二、三次分別開挖兩側(cè)剩余的土方，開挖完畢及時進(jìn)行該區(qū)域的底板施工，開挖的同時在中間進(jìn)行堆載。如圖3、圖4所示。

5.7 底板混凝土澆筑

為節(jié)約單幅底板施工時間，鋼筋接頭采用機(jī)械連接，采用斜面分層下料，分層澆筑，踏步式向后推進(jìn)，每層厚度控制在50cm左右，每臺泵車配備4~6臺插入式振動棒，要求不出現(xiàn)夾心層。在單幅底板混凝土初凝前，隧道上方的混凝土表面鋪設(shè)九夾板，用預(yù)先準(zhǔn)備的預(yù)制混凝土塊進(jìn)行回壓，防止基底回彈帶動隧道隆起。從土體開挖至混凝土底板澆筑完畢，時間要求控制在7h內(nèi)。如圖5所示。

5.8 信息化施工

隧道內(nèi)采用人工及自動監(jiān)測相結(jié)合方式進(jìn)行信息化施工，確保數(shù)據(jù)及時準(zhǔn)確，能起指導(dǎo)施工的作用。

6 施工中各階段隧道變形情況分析

地鐵隧道上方進(jìn)行土體加固過程中，隧道產(chǎn)生下沉趨勢，最大沉降量約-3.4mm；第一層土開挖結(jié)束時，隧道隆起增量為1.6mm，第二層土開挖結(jié)束時，隧道隆起增量為2.86mm。整個挖土期間，隧道隆起量最大值為4.8mm。底板澆筑完畢后，結(jié)構(gòu)回筑至頂板的20d施工中，隧道呈現(xiàn)隆起趨勢，隆起量為1.36mm。基坑從圍護(hù)施工開始至底板混凝土澆筑完畢后20d，地鐵隧道收斂變形、曲率半徑及相對彎曲等各項指標(biāo)均滿足地鐵安全運營的保護(hù)要求。工程實施過程中，對該區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行普查，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫及滲漏水等異常現(xiàn)象。如圖6、圖7所示。

結(jié)語

在施工過程中，部分監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報警值，應(yīng)及時調(diào)整施工方案，通過合理安排施工進(jìn)度，尤其在開挖過程中通過控制挖土?xí)r間、做好開挖和配重的控制、預(yù)先放置模板、預(yù)制鋼筋籠、每小塊底板鋼筋采用機(jī)械連接、澆筑早強(qiáng)、微膨脹混凝土，并在16h內(nèi)完成預(yù)制混凝土塊回壓，最終有效控制了運營中地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形，取得了一些可供參考的設(shè)計與施工經(jīng)驗。

[1]龔曉南.深基坑工程設(shè)計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

[2]李志高，劉國彬，曾遠(yuǎn)，吳小將.基坑開挖引起下方隧道的變形控制[J].地下空間與工程學(xué)報，2006（06）：430-433.

[3]王如路，等.地鐵運營隧道上方深基坑開挖卸載施工的監(jiān)控[J].地下工程與隧道，2005（01）.

[4]張柏平，葉耀東.地鐵隧道上方基坑支護(hù)與挖土施工[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2004（04）.