淺埋區間盾構上部基坑開挖保護施工技術

梁亞華 趙 華 趙 維 楊永華 孫長飛 李 歡 靳 隆

中國建筑第八工程局有限公司南方公司 廣西 南寧 530028

由于工期不同，成形地鐵區間隧道上部基坑開挖情況在國內地鐵施工中較為常見。通過研究發現，目前此類工況的地鐵隧道保護措施主要以堆載為主，通過堆載材料的自重抵消因上方基坑卸載造成的土體回彈，而依靠單一堆載并不能提高盾構管片的剛度，單一管片的剛度仍會因為差異沉降出現破壞現象。南寧某工程僅采用隧道內進行堆載的措施，在基坑開挖后原隧道管片仍出現較大的差異沉降問題，后期結構出現通縫與滲漏，保護效果未達到要求。

為提高同類情況下隧道保護的成功率，減少后期結構出現通縫與滲漏的問題，本文以南寧市軌道交通4號線那洪立交站為研究案例，在隧道保護時除了堆載外，創新性地采用內支撐增強管片剛度，并采用槽鋼將管片整體連接。該保護方案實施后效果顯著，卸載后的隧道未出現通縫、滲漏及明顯位移現象，保護效果得到各方認可，也為后續類似工程的施工提供了借鑒。

1 工程概況

南寧市軌道交通4號線那洪立交站為4號線與5號線兩線換乘車站，2號風亭位于那洪立交站東南象限，南北方向長56.55 m，東西方向長67.65 m，風亭基坑深度6.9～8.9 m。

因工籌需要，5號線區間隧道已提前貫通，盾構位于2號風亭正下方1.8 m處下穿，盾構直徑5.4 m，厚度0.3 m，為寬1.5 m標準盾構管片。

根據地勘報告，風亭主體處于圓礫填土與含黏性土圓礫層中，其中圓礫層為強透水層，滲透系數為27 m/d；5號線區間隧道主要處于泥巖與泥質粉砂巖互層中，隧道頂部分處于粉質黏土層中。

場地地下水主要為上層滯水、孔隙潛水、碎屑巖類裂隙水。水位埋深為5.2～6.2 m，抗浮水位取116.5 m。開挖基坑主要處于含黏性土圓礫層。

2 施工特點

2.1 施工工期緊

由于風亭移交機電單位需要，2號風亭開挖至封頂時間僅為71 d，而2號風亭體量為常規風亭的3倍，考慮到工序交叉問題，且大規模開挖施工會對下方隧道產生影響，考慮諸多因素，該風亭施工對施工要求較高。

2.2 隧道與風亭凈距小

5號線隧道與風亭底板凈距為1.8～1.9 m，開挖后隧道周邊土體容易受到擾動出現位移，引起隧道變形。

2.3 降水難度高

由于施工期間為雨季，降雨后由于圓礫層的滲透系數較大，容易導致雨水滲入基坑內，地下水的流入會增加水的浮力，導致隧道上浮增加。

3 方案比選

結合工期要求進行綜合考慮分析，2號風亭土方開挖共有3種方案進行對比選擇，分別為整體開挖、分3條跳倉開挖及分6條跳倉開挖。為了確定開挖方案，開挖前采用Midas GTX NX三維有限元巖土分析軟件對3種開挖工況進行建模分析比較（圖1），分析結果為：整體開挖方案最大上浮量為11.72 mm，分3條跳倉開挖方案最大上浮量為7.54 m，分6條跳倉開挖方案最大上浮量為5.78 mm。

圖1 2號風亭土方開挖模擬

根據三維數值模擬開挖工況結論，采用分條開挖方式可以較好地利用時空效應降低開挖對隧道上浮的影響。由于分6條跳倉開挖所需時間較長，結合工期要求與可實施性考慮，決定采用分3條跳倉開挖方案進行基坑開挖。

4 隧道保護措施

4.1 保護工藝原理

基坑開挖施工時，由于土體大量卸載，坑底土體應力釋放，產生坑底隆起。土體卸載，豎向自重應力減少，隧道上部受力減小，導致隧道受到向上的附加應力，產生豎向隆起，同時橫截面產生收斂變形。

根據隧道變形原理，在基坑開挖前通過對隧道進行逐級加載的方式，以平衡土方卸載對盾構的影響，同時為了防止隧道水平不均勻收斂，在變形較大處（如土方開挖邊界和跨中）設置門架來限制盾構區間水平收斂，并設置縱向拉緊槽鋼增強盾構管片的整體性，降低水平力對結構的損害。同時為了降低地下水浮力作用的影響，應在開挖前完成止水帷幕的施工并將基坑降水至基底以下，以及通過抗拔樁與土體間的摩擦力減少土體回彈量。

4.2 施工工藝流程

施工準備→降水施工→抗拔樁施工→盾構管片拉緊→門架安裝→監測點布設→一級配重運輸及堆載→先挖段第一級土方開挖→二級配重運輸及堆載→先挖段第二級土方開挖→先挖段底板澆筑→后挖段土方開挖→后挖段底板澆筑→措施拆除及卸載

4.3 降水施工

地下水的浮力對結構上浮影響十分明顯。根據地勘報告，2號風亭基底以上土層為含黏土圓礫，以下為泥巖，含黏土圓礫土層水滲透系數為27 m/d，為強透水層。為了防止坑外地下水進入基坑內部，需采用高壓旋噴樁止水帷幕截水，配合坑內疏干井進行降水，在坑外設置降水井以降低內外水頭壓力差（圖2）。

圖2 基坑降水平面布置

4.4 抗拔樁施工

降水施工結束后，沿盾構隧道走向在隧道左右兩側施作抗拔樁（圖3），抗拔樁嵌入基底下15 m，通過抗拔樁與土體間摩擦力減少基坑開挖后隧道下方的土體回彈量。

圖3 抗拔樁平面布置

4.5 盾構管片拉緊

由于每一環管片受到的豎向力與水平力不一致，為了減少管片的變形差異，提高管片整體性，采用槽鋼將管片拉緊的方式加固（圖4）。

圖4 縱向拉緊槽鋼布置剖面

拉緊槽鋼宜根據管片的類型及隧道凈空尺寸設置間距及布置道數，并滿足盾構管片螺栓間縱向平直要求。因基坑邊界存在較大的不均勻變形，槽鋼縱向拉緊裝置長度應超出卸載范圍4～5環。

4.6 門架安裝

為限制盾構區間上方卸載后產生的水平收斂變形，結合受力數值模擬，位于土方開挖分段處及每個施工段跨中位置的管片收斂變形最大，故需對以上位置設置鋼桁架門架（圖5），以加強局部盾構管片的剛度，減少管片變形。

圖5 門架結構示意

鋼桁架的設計需要支撐點布置均勻，荷載傳遞合理，且中間凈空至少需要保持凈寬3 m、凈高3.5 m，以滿足中間堆載材料運輸行車需求。門架采用工字鋼作為主要傳力支架，配合槽鋼斜拉形成鋼桁架，為避免工字鋼骨架直接接觸盾構管片，改善管片與桁架傳力，需要在桁架外墊1塊環形薄鋼板。

4.7 監測點布設

開挖過程中，需對成形盾構管片進行定期監測，動態了解盾構變形情況，并形成預警機制，及時采取措施保護盾構安全，避免發生結構安全風險事故。主要監測項目包括管片水平位移、凈空收斂、管片沉降、管片差異沉降、盾構差異沉降、環間錯臺。其中，沉降監測點僅布置于頂部，監測點間距可根據實際情況適當調整，建議按照5 m一個取值，底部因與堆載材料沖突無法設置。收斂監測使用激光測距儀測點，每5～10 m設置一個監測點。具體監測指標及預警指標按照GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》執行。

4.8 一級配重運輸及堆載

完成縱向拉緊及門架安裝后，需在盾構內堆載，以抵消上方土體卸載導致的盾構上浮。堆載材料應具備密度大且均勻、方便運輸堆放、可回收利用、對盾構損害小等特點，可采用碎石粉、砂子以及型鋼等材料。

為避免土方開挖前因荷載一次性加載到位導致盾構片向下沉降，堆載分兩級進行。第一級堆載的配重根據第一級土方開挖深度卸載模擬驗算確定。為提高可操作性，第一級土方開挖可取3 m深度。

堆載材料進場后，用鏟車將材料通過漏斗灌至盾構井位置，再使用鏟車將材料運輸至盾構指定位置。堆載由前往后倒退推進，為防止中間后挖段堆載材料無法運輸，同時考慮分段間坡度的卸載效應，縱向堆載不分段。碎石粉材料堆載前，應先鋪設1層麻布作為保護層，以保護盾構管片質量。

在超出開挖分界線范圍，堆載需要線性過渡減少，長度可選4～5環管片。

4.9 先挖段第一級土方開挖

在第1道冠梁支撐施工完成，強度達到要求，且盾構內一級堆載完成后，即可開始先挖段第一級土方開挖（圖6），第一級土方開挖深度與一級荷載相對應。采用挖機沿單方向倒退開挖的方式出土。為保證先挖段與后挖段之間邊坡的安全性，邊坡坡度需要根據巖土結果計算確定，并進行鋼筋網噴射混凝土支護，以防止邊坡坍塌。為減少因放坡而增加后挖段的土方荷載卸載，在保證邊坡安全的情況下，坡度應盡量取大值。

圖6 先挖段土方開挖平面示意

4.10 二級配重運輸及堆載

先挖段第一級土方開挖到位后，立即開始盾構內第二級配重堆載，堆載高度同樣需要根據卸載驗算和堆載材料密度計算確定。堆載方法與第一級類似，使用鏟車倒退推進，應注意因第二級堆載高度較大，如堆載順序不當，門架凈空將限制鏟車行車。

4.11 先挖段第二級土方開挖

第二級堆載到位后，基坑組織先挖段第二級土方開挖，直至先挖段見底。先挖段第二級土方開挖出土方式與第一級類似，但隨著坡度加深，段間坡度應重新通過邊坡穩定計算確定，確保邊坡安全，并隨著邊坡開挖及時采取噴錨等護坡措施，必要時需要設置放坡臺階。

4.12 先挖段底板澆筑

先挖段土方見底后，立即組織墊層、底板防水以及底板施工，減少基坑暴露時間。根據監測數據分析，墊層澆筑后，通過上方底板施工的結構壓重控制隧道上浮量。

4.13 后挖段土方開挖

先挖段底板均澆筑完成后，應立即組織底板以上結構施工。為加快施工工期，此時可分析盾構變形數據，如已基本穩定，即可同步組織后挖段土方出土?？紤]后挖段范圍盾構的二級堆載已加載到位，后挖段土方開挖無需分級開挖。

4.14 先挖段底板澆筑

后挖段基底見底后，同樣需要立即組織墊層、防水及底板施工，最大限度地減少基坑暴露時間。

4.15 盾構卸載

在2號風亭結構施工完成后，需要卸除盾構內原堆載材料。監測結果顯示，當每一開挖段頂板澆筑完成后，其管片上浮量均可以穩定在±1 mm內上下浮動變化。考慮到在風亭回填前卸載會引起管片二次上浮，因此卸載選取在風亭土方回填完成后采用一次卸載方式進行。

5 應用效果

根據監測數據，截至2號風亭封頂，管片左線最大上浮量為22.85 mm，右線管片最大上浮量為20.77 mm，和數值模擬結果出現差異的主要原因為地下水影響。通過對盾構隧道在基坑開挖前與封頂后的質量進行調查，基坑開挖過程中盾構管片未出現明顯錯臺與通縫現象，管片保護效果良好。

6 結語

本文以南寧市地鐵4號線那洪立交站2號風亭開挖為背景，深入研究了基坑開挖對下方5號線盾構隧道的影響。通過結合相關案例，并采用有限元分析軟件對工況進行模擬驗算，從多角度出發，制定了最佳土方開挖方案及相應的隧道保護措施，在保證工期的前提下最大限度地減少了土方開挖對隧道上浮的影響，為其他類似工程提供較好的借鑒，推廣價值高。