海滄海底隧道上跨基坑開挖對隧道的影響

張建斌

廈門路橋工程投資發展有限公司，福建 廈門 361026

0 引言

廈門第二西通道海滄海底隧道是國內第3座以鉆爆法施工的海底隧道，是連接廈門島外海滄區和廈門本島的重要交通公路。由于海底地質條件復雜，易出現安全事故，而且在海滄海底隧道石鼓山立交段需上跨廈門地鐵1號線區間隧道，施工難度很大[1]。為盡量減少對運營地鐵隧道的影響，通過建立精細化數值計算模型，預測基坑開挖地下區間隧道豎向位移；重點控制鉆孔樁施工，坑底注漿加固，采用分層分塊開挖，加強地下區間隧道監測，在區間隧道內建立自動化監測，輔以人工校核手段，有效控制地鐵區間隧道的隆起[2-3]。

1 工程概況

本項目上跨地鐵明挖基坑地處廈門本島石鼓山立交段，該路段是島內外互通的咽喉，交通極為繁忙，基坑平面位置如圖1所示。基坑開挖深度約為13 m，圍護結構采用鉆孔灌注樁、1道混凝土支撐、2道鋼支撐，其中隧道上方樁長15 m，距隧道拱頂約2.4 m，隧道兩側樁長21 m?；又顾捎弥睆?00~1 000 mm高壓旋噴樁止水帷幕，坑底用袖閥管注漿加固，按1 000 mm×1 000 mm梅花型布置，加固厚度為4 m。上跨基坑為典型非對稱偏壓基坑，西側緊鄰嘉禾路主干道，基坑場平標高與道路標高差3~4 m，道路邊線離基坑外邊線僅1 m左右（靠嘉禾路一側為偏壓側，其他均為非偏壓側），不僅存在邊坡、道路的較大偏壓超載，還會受到來往車輛動荷載影響?；痈浇叵鹿芫€密集，其中基坑南側管線由近至遠依次為電力管線、給水管線、通信管線和雨水管線等，沿基坑縱向布置。本工程基坑安全等級為一級，基坑環境保護等級為特級[4-5]。

地鐵1號線火炬園站-殿前站區間隧道采用礦山法施工，為單洞單線馬蹄形斷面。區間隧道埋深約20 m，隧道拱頂距坑底最近距離約6.4 m。隧道結構采用復合式襯砌，初支采用鋼筋網、格柵鋼架及噴射混凝土聯合支護，二襯為防水鋼筋混凝土結構。其中在隧道下穿待建第二西通道處加厚二襯，加厚段范圍為75 m。地鐵隧道施工期間地下水異常豐富，施工時采用地面強降水措施，并且采用注入雙液漿進行地層加固[6]。上跨基坑開挖及暗埋結構澆筑期間，地鐵區間隧道已經鋪軌完成，正處于地鐵1號線的列車試運營階段。在基坑開挖之前，針對隧道現狀開展了初始狀態調查，隧道主要存在滲水和結構性裂縫病害[7]。其中滲水點分布離散，主要表現為腰部和拱頂滲水，右線隧道病害狀況比左線嚴重。

2 難點分析

（1）地質條件復雜對基坑施工安全不利。上跨基坑場區內地下水位較淺，分布有較厚的花崗巖殘積土土層，主要為殘積砂質黏土，該土層結構性明顯，土體孔隙率高，水穩性差，遇水易軟化崩解，強度急劇降低。在施工擾動和動水壓力作用下，易出現突泥和塌坍現象，從而引起較大環境變形甚至出現風險事故。

（2）基坑場地環境復雜，加大了施工風險系數?；訄龅刂車d過大，尤其在基坑外西北側存在大面積的施工重材料堆載，靠近嘉禾路一側基坑場平標高與道路標高高差達4~5 m，道路離基坑外邊線僅1 m左右。嘉禾路作為廈門交通主要干道，有大量重載車和集裝箱車通過，存在因基坑水平位移過大而引起較大路面沉降的風險。

（3）隧道上方圍護結構嵌固深度不足，施工風險較大。由于下臥地鐵隧道的影響，隧道正上方的基坑圍護樁嵌固深度不夠，僅為4.2 m，可能會發生圍護樁踢腳破壞等基坑失穩風險。

（4）已建成的廈門地鐵1號線區間隧道控制標準嚴格，保護難度大。石鼓山立交段基坑上跨已建成的軌道交通1號線火炬園站-殿前站區間隧道，受制于公路隧道整體坡度及埋置深度，隧道底距礦山法區間頂最小覆土約為6.4 m，施工過程中地鐵區間豎向變形控制值為10 mm，安全控制難度很大[8]。

3 風險評估

為有效預測上跨基坑開挖對下臥礦山法地鐵區間隧道的影響，建立考慮地質起伏的精細化數值計算模型，如圖2所示。

圖2 考慮地質起伏的精細化數值計算模型

圖3 隧道拱頂豎向位移分布

圖3為隧道拱頂在開挖過程中的豎向變形分布，其中開挖1~6分別為開挖步驟序號。由圖3可知，下穿隧道豎向變形在空間上呈現下凹形分布，隨著基坑開挖隧道向上隆起，其豎向位移最大處位于基坑正下方隧道拱頂位置，并隨著基坑距離的增加而不斷減??；同時隨著上跨基坑開挖的進行，其豎向位移不斷增加。左右線隧道由于所處的地質條件不同，豎向變形亦有所不同，右線隧道具有更大的豎向隆起。基坑開挖結束后，左線隧道最大隆起約3.5 mm，右線隧道最大隆起約5 mm。施工證明采用坑底注漿加固以及分層分塊開挖方法，滿足了地鐵區間隧道變形控制要求。

4 施工關鍵技術

4.1 鉆孔樁施工對隧道拱頂的影響

在鉆孔灌注樁的施工中，須精確地控制樁基長度，嚴格控制進尺尺寸及鉆進速度，按照設計樁長進行鉆孔成樁，避免樁基超鉆影響隧道拱頂安全。在距離樁底設計標高1 m時，每鉆進30 cm進行1次孔深測量，保證樁長在設計范圍內，避免樁基施工超鉆影響地鐵1號線隧道拱頂安全。采用全套管鉆機進行鉆孔樁成孔，利用套管與土體摩擦原理取土，從而減少對土體的擾動。

4.2 坑底土體微擾動加固

為了最大程度減小上跨基坑施工開挖對礦山法區間隧道的影響，確保隧道區間在石鼓山立交基坑施工中的安全，在基坑坑底下4 m范圍內采用袖閥管注漿加固土體，梅花形布置，加固面積約1 454 m2。加固后土體強度均大于1.2 MPa，起到了增加基坑底土體的強度以控制基底隆起和地鐵隧道拱頂上浮的目的。

4.3 基于卸載平衡效應的土方開挖

根據“時空效應”及土體卸載平衡效應理論，上跨基坑采用分層開挖，深度為1~2 m，分塊開挖寬度為6 m，土方開挖時，先中間拉槽，保留兩側約6 m寬土體，以減少圍護結構暴露時間，控制基坑變形；然后再快速開挖兩側土體，及時架設支撐，施加預應力。分塊分層的“跳倉式”開挖方法的具體施工工序如圖4所示。此外，要加強基坑內井點降水，主體結構基坑開挖前20 d采用基坑內降水井對坑底進行預降水、疏干，確保水位疏干至開挖面以下1 m。同時承壓井降水采取按需降水原則，根據開挖面標高，逐步降低承壓水頭，盡可能減少承壓降水對周邊環境的影響。

4.4 隧道變形監測

圖4 基坑開挖過程

在基坑開挖期間，地鐵1號線處于試運營階段，為了及時反饋和分析基坑開挖對區間隧道變形的影響，實現信息化施工，確保區間隧道的安全，在基坑開挖前對隧道左右線開展了初始狀態普查工作，在初始狀態調查過程中發現隧道內存在裂縫和滲漏水等情況[9-10]。為了滿足保護地鐵的目的，對隧道的左右線結構進行監測，建立自動化監測系統，左右線分別監測29個斷面，并輔以人工校核[11]。

5 實施效果

地鐵1號線上方基坑從開挖到結構施工結束，左、右線2條區間隧道的豎向變形累計峰值分別為3.43 mm和6.4 mm，由地鐵保護規范要求的控制值為10 mm可知，施工過程有效地控制了隧道變形[12-13]。隧道隆起最大的右線各階段沉降變化曲線如圖5所示。

在基坑開挖及底板施工階段，由于上方土體卸荷，隧道開始明顯上浮，累計最大變形量達到6.4 mm，變化最大點位于基坑正下方附近；在后續結構施工階段，由于上覆結構的自重，隧道發生小幅沉降，累計最大變形值減小為5.11 mm；延續觀測階段隧道豎向位移不斷減小，直至觀測結束累計最大變形為4.6 mm。

6 結語

海滄海底隧道石鼓山立交段基坑跨越廈門地鐵1號線號線火炬園站-殿前站區間隧道，是整個工程的難點之一。工程地質環境復雜，隧道上方圍護結構嵌固深度不足，對基坑施工安全不利。

圖5 右線隧道整體沉降變化曲線

（1）利用精細化數值計算模型，對下部隧道在開挖過程中的豎向變形分布進行分析，評估開挖基坑對地鐵區間隧道的影響。

（2）施工過程中，精確控制樁基長度，距離樁底設計標高1 m時，控制進尺尺寸及鉆進速度，每鉆進30 cm進行一次孔深量測，保證樁長在設計范圍內。

（3）在基坑坑底以下4 m范圍內土體采用袖閥管注漿加固，梅花形布置。加固后土體強度均要求大于1.2 MPa。

（4）上跨基坑采用分層開挖，深度為1~2 m，分塊開挖寬度為6 m，中間拉槽，保留兩側約6 m寬土體，以減少圍護結構暴露時間，控制基坑變形；再快速開挖兩側土體，及時架設支撐，施加預應力。

（5）對隧道的左右線結構進行監測，建立自動化監測系統，并輔以人工校核。對明挖法外部作業的工程影響分區，一般影響區為3.0H（H為基坑深度），左右線地鐵隧道各180 m。左右線分別監測29個斷面，分別監測隧道豎向位移、隧道水平位移、隧道凈空收斂、道床與軌道變位、襯砌內力等。及時反饋和分析基坑開挖對區間隧道的變形的影響，實現信息化施工。

（6）本工程的順利實施對今后廈門地區乃至全國類似工程的策劃和施工具有積極的借鑒作用。

[1] 陳衛軍,朱忠隆.近距離鄰近隧道研究現狀及評析[J].現代隧道技術,2002,39(1):42-46．

[2] CHEN R P,ZHUN J,LIU W, et al. Ground Move Ment Induced by Parallel EPB Tunnels in Silty Soils [J]. Tun Neling and Underground Space Technology,2011,26 (1):163-171.

[3] CHEN R P,MENG F Y, LI Z C, et al. Investigation of Response of Metro Tunnels due to Adjacent Large Excavation and Protective Measures in Soft Soils [J].Tunneling and Underground Space Technology,2016,58:224-235.

[3] 胡海英,張玉成,楊光華,等.基坑開挖對既有地鐵隧道影響的實測及數值分析[J].巖土工程學報,2014,36(S2):431-439.

[4] 郭陜云.關于我國海底隧道建設若干工程技術問題的思考[J].隧道建設,2007,27(3):1-5.

[5] 王夢恕.廈門海底隧道設計、施工、運營安全風險分析[J].施工技術,2005(S1):7-10.

[6] 孫 鈞.海底隧道工程設計施工若干關鍵技術的商榷[J].巖石力學與工程學報,2006,25(8):1513-1521.

[7] 王夢恕,皇甫明.海底隧道修建中的關鍵問題[J].建筑科學與工程學報,2005,22(4):1-4.

[8] 鄭 剛,劉慶晨,鄧 旭.基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數值分析與變形控制研究[J].巖土力學,2013,34(5):1459-1468.

[9] 王 霆.南京長江漫灘區基坑開挖與降水對既有地鐵隧道影響的數值分析[J].都市快軌交通,2016,29(3):81-86.

[10] 李廣軍.基坑開挖對既有地下隧道影響的數值分析[J].天津建設科技,2011(2):33-35.

[11] 孫 超,許成杰.基坑開挖對既有地鐵隧道影響的數值分析[J]. 吉林建筑大學學報, 2017, 34(5):33-36.

[12] 楊 虎.基坑開挖與鄰近隧道相互影響數值分析[D].武漢:武漢理工大學,2015.

[13] 劉斯琴,余曉琳,顏全勝.基坑開挖對下方既有地鐵影響數值分析[J].廣東土木與建筑,2009(6):19-20.