軟土地區運營地鐵隧道正上方基坑微擾動卸荷控制技術

謝小林

同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司 上海 200092

隨著城市軌道交通運營里程的增加，出現了越來越多的運營地鐵隧道正上方的基坑工程。該類基坑工程具有坑底距地鐵隧道近、工程風險大的特點。特別是在像上海這樣的飽和軟土地區，其淺部土層具有孔隙比及壓縮性大、抗剪強度低、靈敏度高、呈軟塑或流塑狀等特點，土體受擾動后固結穩定時間較長[1]。在這樣的土層中進行工程活動，一旦土體受到擾動，極易產生較大的變形。因此，軟土地區的此類基坑工程的風險和挑戰被進一步放大，如若控制不當，很有可能導致下臥地鐵隧道的變形滲漏甚至停運檢修，從而造成極大的社會影響。

本文將結合上海中心城區軌交2號線運營區間隧道正上方的一個基坑工程，介紹基于飽和軟土特性的基坑微擾動卸荷控制技術。

1 工程概況

背景工程位于上海市中心城區的核心地段，四周緊鄰市政道路和房屋，場地內擬建1層和4層的休閑商業廣場。基坑面積約4 300 m2，開挖深度3.95～4.55 m，采用SMW工法樁作為圍護結構。

1.1 本工程與軌交2號線運營隧道的關系

本工程場地內有軌交2號線運營隧道從場地東西方向穿越，位于基坑下方的區間隧道長度約為100 m（圖1）。區間隧道直徑為6.2 m，管壁厚度350 mm，隧道頂埋深約9.0 m，本工程基坑底部距離運營隧道凈距為4.05～4.65 m（圖2）。

圖1 工程總平面

圖2 本工程基坑與地鐵區間隧道關系剖面

由于地鐵是城市的重要生命線，擔負著城市客運交通的重任，其重要性不言而喻，因此其保護要求也非常嚴苛。具體的變形控制標準如下：地鐵結構的最終絕對沉降量、隆起及水平位移量＜10 mm，施工引起的地鐵結構變形＜0.5 mm/d，且不得影響其安全正常使用；兩軌道橫向高差＜4 mm，軌道偏差和高低差最大尺度值＜4 mm（每10 m）；隧道變形曲線的曲率半徑≥15 000 m，相對彎曲≤1/2 500。

1.2 工程地質條件

本基坑工程所涉及的主要土層自上而下為：①填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④1淤泥質黏土、⑤1a黏土、⑤1b粉質黏土、⑤3粉質黏土、⑥粉質黏土。

本基坑開挖深度為3.95～4.55 m，坑底位于③淤泥質粉質黏土層；區間隧道頂埋深約9.0 m，直徑6.2 m，因此隧道完全位于④淤泥質粉質黏土層內。可以看到，坑底和區間隧道所在的③層和④層土均為淤泥質土，且厚度達14 m。這些土層的特點是高含水量、高壓縮性、低強度，具有較明顯的觸變及流變特性，受擾動后土體強度極易降低，因此對于基坑和區間隧道的變形控制極為不利。

1.3 工程重、難點分析

本基坑下臥段地鐵運營區間隧道長達100 m，且基坑底與隧道凈距僅4.05～4.65 m。同時，基坑底及隧道位于淤泥質土土層內，基坑大面積卸荷后極易產生較大變形。因此，如何有效控制基坑開挖卸荷引起的下臥地鐵隧道隆沉變形以及隧道縱向變形曲率、相對彎曲和隧道橫斷面真圓度，使開挖卸荷引起的地鐵變形控制在允許范圍內是本工程的重中之重，也給本基坑的設計和實施帶來了極大的風險和挑戰。

2 基坑微擾動卸荷控制措施

結合本工程的項目特點和地質條件，為滿足地鐵區間隧道的保護要求，在本基坑的設計和實施中采取了地鐵隧道正上方基坑微擾動卸荷綜合控制措施，其中的核心有：門式加固、限時分塊土方開挖以及底板施工技術。

2.1 門式加固

通過靜止側壓力系數K0試驗儀（TK-ST K0）對上海軟土（第④、⑥、⑦、⑧層土）進行了K0卸荷試驗[2]，對其卸荷回彈特性及影響深度范圍進行了研究。結果顯示：基坑卸荷引起的坑內土體回彈存在強回彈區；應用側向應力松弛法和E0-R法得出，強回彈區范圍為開挖面以下0.25～0.45H（H為基坑開挖深度），回彈區深度為開挖面以下2.0～2.5H。同時，有限元計算分析也印證了以上的結論（圖3）。

圖3 土體卸載坑內回彈變形

基于上述研究結果，基坑設計時沿隧道兩側設置φ850 mm三軸攪拌樁門式加固（圖4），上側“門楣”加固體深度至坑底以下3.55 m，約為0.9H（H為基坑開挖深度），覆蓋強回彈區范圍，加固體底部距隧道頂1.1 m；兩側“門框”加固體水平向距隧道2 m，豎向覆蓋③層和④層淤泥質土范圍，深度至坑底以下13.05 m，約為2.9H，覆蓋回彈區范圍。通過加固以改善土體特性，提高其抗力。同時，加固體與抗隆沉工程樁結合為一體，以進一步提升整體剛度及抗變形能力，從而有效減少在基坑開挖卸荷以及結構回筑再加載過程中對下臥隧道的影響。

圖4 門式加固剖面布置

2.2 限時分塊土方開挖及底板施工技術

上海等軟土地區的基坑開挖變形具有明顯的“時空效應”規律，即基坑圍護結構與周圍地層變形具有時間、空間的特點。對于下方有地鐵隧道的基坑來說，一次性開挖面積越大，開挖越深，從開挖到完成底板及壓載的時間越長，則基坑下方隧道的向上隆起變形量就越大。如果將基坑劃分為小塊，每一塊依次開挖施工，則每一塊施工所產生的隧道隆起變形量均較小，并且可避免互相之間的變形累計疊加，起到“化整為零”的效果。經有限元計算分析（圖5、圖6），本基坑如整體一次性開挖所導致的隧道隆起將達36.8 mm，而在分塊開挖的情況下，隧道的隆起變形為7.8 mm，僅為整體一次性開挖情況下的1/5左右。

因此，為有效控制變形，保護地鐵運營隧道，本工程中要求結合“時空效應”原理限時分塊進行土方開挖卸荷及結構底板施工。

“限時”主要體現在每一塊土體從開挖卸荷到底板施工再加載這一過程應在晚間地鐵停運期間完成，即控制在6 h以內。晚間限時施工，既可減小土體和隧道的變形，又避開了地鐵運營時段，進一步減小了工程風險。

“分塊”要求每一塊土體開挖面積控制在100 m2左右，整個基坑細分為42個分塊依次施工（圖7）。分塊施工既是“時空效應”原理的體現，同時又是滿足“限時”要求的需要。

圖5 一次性開挖與分塊開挖對比

圖6 分塊開挖情況下有限元計算結果

圖7 基坑分塊開挖平面布置

為達到限時和分塊的高要求，在本基坑的設計和施工中采取了一些必要的技術措施：

1）提高坑內土體加固要求并加強現場施工質量管控，以滿足土體垂直開挖要求，在減少土方開挖卸荷量的同時節省挖土時間。

2）常規墊層施工無法滿足6 h時間節點要求，因此改用厚10 cm的EPS板和厚2 cm九夾模板作墊層使用（圖8）。

圖8 EPS板及木底模鋪設

3）每一塊底板的鋼筋籠在開挖前事先在場地內綁扎施工完畢，待墊層鋪設完畢后整體吊放至坑內，節省底板施工時間。

4）底板外防水施工由于無法滿足6 h要求，因此取消底板外防水，改用每分塊放置膨脹止水條＋底板內防水的形式。

5）要求提前做好樁基驗收準備、混凝土泵車預先就位、現場應急預案和應急物資充分配備等，以確保限時分塊土方開挖及底板施工的順利完成。

3 地鐵隧道變形監測結果及分析

在采取上述地鐵隧道正上方基坑微擾動卸荷綜合控制措施的基礎上，輔以信息化實時監測監控等技術，確保了本項目的順利、安全實施。

本工程基坑在實施順序上可分為3個階段：6月20日之前為樁基圍護施工階段；6月20日—10月19日為下行線區間隧道正上方土體開挖施工階段；10月19日—12月11日為上行線區間隧道正上方土體開挖施工階段。

監測結果顯示，上、下行線區間隧道的最終隆起變形量分別為9 mm和12.2 mm，隧道直徑收斂累計最大值為7 mm，處于安全可控的狀態。其中，在本基坑土方正式開挖之前（6月20日之前），地鐵隧道已累計達一定量的變形（主要發生在樁基圍護施工階段），上、下行線區間隧道隆起變形分別為5.8 mm和7.2 mm；在土方開挖及底板施工階段（6月20日—12月11日），上、下行線區間隧道隆起變形量相對較小，分別為3.2 mm和5 mm。可以看到，門式加固、限時分塊土方開挖及底板施工等措施有效地控制了隧道正上方基坑卸荷所造成的土體回彈，減小了地鐵區間隧道的變形量。

4 結語

運營地鐵隧道正上方的基坑工程具有極大的風險和挑戰，特別是在上海等飽和軟土地區，工程活動一旦對土層造成擾動，極易產生較大的變形。因此該類基坑工程若控制不當，將導致下臥地鐵隧道的變形滲漏甚至停運檢修。

本文結合上海地鐵2號線運營隧道正上方的基坑工程實例，采用基坑微擾動卸荷控制技術，包括門式加固、限時分塊土方開挖及底板施工，并輔助信息化實時監測監控等，確保了本基坑工程的順利實施，并將下臥地鐵隧道變形控制在較小的范圍，保障了地鐵的安全運營。可以看到，本文所介紹的軟土地區地鐵隧道正上方基坑微擾動卸荷控制技術對下臥隧道的變形控制和保護具有很好的效果，可為同類工程提供一定的借鑒。