超深基坑關鍵技術與管理理念在鄰近高鐵施工中的運用

王玉石 中國鐵路上海局集團有限公司東華地鐵公司

富含承壓水的深基坑，在沒有有效隔水層情況下，為防止基坑突涌，常采取降低承壓水水位的方法，確保開挖階段基坑安全，但降水施工對基坑周邊環境影響較大，土體位移、沉降明顯。機場聯絡線工程兼做盾構始發井的1 號風井長156.4 m，深16.6 m～25.5 m，距離滬昆高鐵路基最小距離僅為10.6 m，是目前國內外鄰近時速350 km 高鐵路基最近、最深的基坑，也是全線重要的控制性工程。風井基坑地質水文條件很差，土層以粉質粘土、淤質粉土和粉砂為主，滲透系數大，無有效的隔水黏土層，坑底埋深約30 m處的（7）-1、（7）-2層是承壓水層，水頭壓力達25 m，自然狀態下開挖坑底存在突涌風險。

規范要求一級基坑圍護結構變形不大于開挖深度的1.4‰（本工程為36 mm），坑外土體沉降不大于開挖深度的1.0‰（本工程為26 mm）。上海為典型的軟土地區，根據相關數據表明，同規模基坑周邊的土體沉降一般在30 mm 以上，有的甚至超過100 mm。為確保高鐵運行安全，軌道變形要求控制在2 mm 內，相當于一枚硬幣的厚度，相當于規范允值的十幾分之一，技術難度十分巨大，因此，施工過程中必須解決以下幾個問題：

（1）基坑開挖過程中采用何種措施，控制高鐵軌道變形在2 mm內。

（2）根據《鐵路安全管理條例》第三十五條明確規定“高速鐵路線路200 m范圍內禁止抽取地下水”，同時開挖期間坑外水位下降不能超過30 cm。降水高鐵有危險，不降水基坑有危險。那么采用何種措施，在不降承壓水的情況下，保證基坑安全順利開挖。

（3）面對極高標準的環境變形控制要求，如何提高監測效能，做到提前預警、快速反應。

1 以鐵路位移控制為目標的基坑支護方案

1#風井最顯著的特點就在于緊鄰滬昆高鐵，2 mm的變形控制量是研究基坑設計和施工方案的“目標導向”。本工程采取的特殊技術措施與管理理念總結如下。

1.1 隔離樁對基坑周邊土體位移的阻隔作用

在基坑圍護結構與高鐵之間先行施作一排鉆孔隔離樁，與地連墻每隔6 m 用系梁連接，形成整體受力，作為保護措施，用來消減地墻成槽和基坑開挖階段對高鐵路基的“輻射”影響，控制鐵路變形。土體測斜監測表明，基坑開挖前期，高鐵側土體擾動較小，隔離樁內外側土體變化差異性較大，阻隔作用明顯，基坑開挖接近基底，隔離樁內外側土體變化趨于接近，隔離樁作用相對減弱。也就是說隔離樁的存在對于限制上部土體水平向位移效果較為明顯，但對于深層土體位移的控制，需要配合其他措施進一步加強（圖1）。

圖1 隔離樁與1號風井、滬昆高鐵相對位置關系

1.2 跳倉開挖減少基坑暴露面積

采用地下連續墻作為分隔墻，將156 m的長基坑分割為5個30 m左右的短基坑，進行跳坑開挖，一期開挖1#、3#、5#坑，待主體結構全部回筑完全成后，再開挖二期2#、4#坑，通過縮短開挖面來減少周邊土體變形。同時在基坑開挖深度至6 m以下直至主體結構回筑完成，鄰近滬昆高鐵限速120 km/h（圖2）。

圖2 1#風井兩期開挖平面圖

1.3 靠鐵路側采用超厚地下連續墻

根據基坑一級環境保護等級的變形控制要求，上海地區類似基坑圍護體的常規連續墻厚度為1.2 m。但為了滿足高鐵變形控制標準，將鐵路側的地連墻加厚到1.5 m，提高了圍護體的剛度和整體穩定性。通過最深基坑5#坑監測顯示，鐵路側比非鐵路側地連墻最大測斜數據小12 mm，表明地連墻厚度的增加對圍護結構整體變形控制具有一定效果。

1.4 運用鋼支撐侍服系統主動調控地下連續墻變形

本基坑所有鋼支撐均安裝伺服系統，由硬件設備與軟件程序共同組成的一套智能基坑水平位移控制系統，在基坑開挖過程中，可以24 h 實時監控，低壓自動伺服、高壓自動報警，能有效控制圍護結構變形,支護效果優越，對基坑提供全方位多重安全保障。同時，還通過物聯網技術，將支撐軸力監測值自動上傳系統，實時推送監測數據。

1.5 “時空效應”理念在基坑開挖過程中的運用

根據時空效應規律加快施工節奏，用時間換空間。通過首層開挖、支撐工況，結合地墻、周邊土體變形監測分析總結，撐握基坑圍護結構變形規律，合理配置勞動力和機械設備，科學緊湊的排布施工流程，24 h 三班制作業，挖一層土、裝一道鋼支撐，用時3 天；挖一層土、澆筑一道砼支撐，用時6天。這樣快挖快撐快封底，利用時空效應減少土體變形，取得了較好的效果（圖3）。

圖3 基坑開挖“時空效應”規律圖

2 鄰近高鐵深基坑的承壓水控制方案

為防止因降水造成的高鐵路基沉降，基坑開挖期間，控制承壓水的總體思路是“隔水”，即：基坑全封閉，形成桶式結構，坑內開挖不影響周邊水土穩定，具體措施如下。

2.1 地連墻接縫采用十字鋼板止水帶

地墻采用十字鋼板接頭，較難安裝，但止水效果優于其他類型接頭。開挖面以上的地連墻兩側采用三軸攪拌樁進行槽壁加固，止水同時保護上部土體穩定，開挖面以下的地墻接縫采用RJP 工法樁止水，進一步提高圍護體的隔水性。這一步確保了桶式結構的四壁隔水效果（圖4）。

圖4 地連續墻接縫止水斷面圖

2.2 N-jet超高壓旋噴樁水平隔水層

從國外引進適合于砂層的N-jet工法，在3、4、5號坑底部的承壓水層進行 5 m 厚滿堂加固，1、2 號坑采用 4 m 厚 RJP 工法滿堂加固，制造人工隔水層，與地連墻一起形成全封閉的“木桶”底部結構，隔斷坑內外的承壓水滲流通道。

N-jet 工法是一種新型超高壓噴射攪拌工藝，其噴射壓強達40 MPa,在50 m 深的土層成樁直徑能達5 m。但目前國內還沒有施工規范和驗收標準，用于坑底深層滿堂加固隔水的案例也很少，我們先通過試驗取芯，確定其成樁質量和滲透系數滿足要求后，取得關鍵施工參數，再進行正式施工（圖5）。

圖5 N-jet封底隔水層平斷面及效果圖

2.3 多種管井有效組合運用

在坑內設降壓井和觀測井，對承壓水層進行封閉式降水，坑外設觀測井和應急回灌井。先做降水試驗，滿足條件后開挖。開挖期間采用常壓自動控制回灌裝置，維持坑外承壓水水位基本穩定，以確保高鐵路基不下沉（圖6）。

圖6 降壓井、觀測井平面布置圖

3 深基坑與高鐵聯動的智能化監測技術應用

高鐵運營期間不允許人員上道檢查，而基坑施工期間，必須24 h 不間斷觀測軌道變形。常規的人工監測方式費時費力，監測頻率、響應速度、準確程度都無法滿足需求，嚴重耽誤最佳處置時機。為解決上述難題，利用BIM+GIS+5G 物聯網、數據分析等信息技術，開發了高鐵與深基坑智能監測預警系統，實現對高鐵的全天候毫米級盯控。

在高鐵沿線8.5 km 布置40 多個萊卡自動監測站和1200多個位移監測點，并將1號風井區域的測點進行雙倍加密，實時測量鐵路變形，同時在由BIM 模型和GIS 地形組成的電子沙盤中，把每個測點演化成一張“娃娃臉”放在對應位置。一旦發生預警，笑臉迅速變成哭臉并同步發送微信提醒。同時，系統會彈出報警地點對應的監控視頻，及時了解現場情況。第三，系統兼容了基坑鋼支撐侍服系統、水位觀測系統、測斜系統，通過調用多家監測單位、十幾種、數百個監測數據，進行智能分析，推送給參建各方。根據分析數據，召開應急會議，快速查找和確認原因，制定應對措施。第四，迅速啟動應急預案，控制基坑與鐵路變形。比如通過信息化手段遠程增減支撐軸力、啟動地下水回灌等，也可以根據需要增設臨時鋼支撐，快速處置問題（圖7）。

圖7 深基坑與高鐵聯動的智能化監測平面圖

4 實施效果及總結

本項目通過隔離樁、超厚地連墻、分坑跳挖、伺服系統、快速施工等措施，解決了“土”的問題；通過墻縫止水、坑底隔水、坑內降壓坑外回灌等措施，解決了“水”的問題；通過智能自動、高效精準的監測預警系統，解決了快速響應和應急處置問題。

目前，1號風井各個基坑已經全線封底，隧道主體結構回筑完成。鐵路側基坑最大變形僅21 mm，在上海地區同類基坑中表現突出，軌道變形控制在2 mm 以內，確保了滬昆高鐵運營安全。

隨著我國市域鐵路的蓬勃發展，考慮集約用地、快速換乘等需要，鄰近既有國鐵或市域鐵路的深基坑工程還會出現，因次上海機場聯絡線1 號風井的技術方案將會有一定的參考價值。