軟土地區低凈空上跨運營地鐵盾構區間隧道的基坑開挖施工技術研究

劉 雷，張崗平，徐啟良，劉家俊

（浙江華東工程建設管理有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，城市人口的增加，城市地鐵的建設蓬勃發展，各大型城市既有地鐵線路均高達數百公里，地鐵網絡日益密集。在既有運行地鐵附近或者上方修建建筑物已成為越來越多城市不可避免的問題，由于建筑物基坑開挖導致土體卸荷必然會引起對周邊地層的擾動，致使地鐵區間隧道隆起變形，嚴重威脅地鐵隧道安全。為確保地鐵隧道結構的安全，對地鐵隧道的變形要求極為嚴格，其容許變形量與隧道的直徑、管片結構及連接方式等密切相關。而投入運行中的地鐵隧道結構位移可能產生軌道偏差從而影響線路平順性，嚴重時將影響列車的運行安全，隧道容許變形量往往要求更嚴格。因此，既有運行地鐵隧道上方建筑物施工技術的合理性、可行性以及對地鐵隧道變形的控制措施是此類工程的重點和關鍵點。

本文針對杭州市文一西路提升改造工程項目施工的特點，通過對上跨已經運行的地鐵五號線創景路-葛巷站盾構區間上方的快速路隧道基坑開挖方案研究，結合相關地基加固、基坑圍護措施并采用二維計算軟件進行基坑開挖模擬分析，提出適合軟土區域類似項目的經濟、合理、安全的技術方案。

1 工程概況

文一西路提升改造工程明挖隧道沿文一西路東西向布置，途經創景路路口需正交上跨杭州地鐵五號線創景路站～葛巷站盾構區間隧道，區間隧道沿創景路成南北向布置，目前已正常投入運營。上跨隧道基坑樁號為k3+184.2～k3+229.4，基坑長43.7 m，寬29.3 m，深9.3 m～10.0 m，基坑底部距離地鐵區間隧道頂部最小凈間距為4.9 m，隧道結構為現澆鋼筋混凝土結構。文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區間隧道相對關系見圖1、圖2。

圖1 文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區間隧道相對關系平面圖圖

文一西路項目隧道基坑范圍場地為湖沼積平原區，地貌類型單一，土層為典型的杭州地區軟弱土層。上跨基坑處地質情況由上至下為：①1雜填土、③淤泥質粘土、④2粉質粘土與粉土互層、⑤淤泥質粘土、⑥1粉質粘土、⑥2粉質粘土、⑧4圓礫、⑩22強風化角礫巖、⑩23中風化角礫巖，各層土的物理力學性能指標見表1。其中上跨基坑主要位于：①1雜填土、③淤泥質粘土、④2粉質粘土與粉土互層土中。本場地承壓水主要分布于⑧4層圓礫中，由圖2可知上跨基坑位于承壓水位以上。

表1 土層物理力學性能表

圖2 文一西路隧道基坑與杭州地鐵五號線區間隧道相對關系立面圖

2 關鍵施工技術

2.1 地基加固及圍護結構設計

上跨基坑位于5 號線隧道正上方，基坑長43.7 m，寬29.3 m，深9.3 m～10.0 m，采用鉆孔灌注樁/雙排樁+內支撐的支護體系，隧道兩側采用鉆孔灌注樁，隧道上方采用雙排樁。鉆孔灌注樁樁徑Φ1000 mm，間距1200 mm；雙排樁樁徑Φ1000 mm，間距1200 mm，兩排樁間距3200 mm。位于隧道上方雙排樁樁底距離隧道頂1.5 m，位于兩隧道之間區域雙排樁樁長25 m，其余圍護結構鉆孔灌注樁樁長均為25 m。基坑豎向共設兩道混凝土支撐，支撐尺寸800 mm×1000 mm；基坑底采用MJS滿堂強加固，水泥摻量40%，φ2200@1800，加固深度至隧道底以下3 m（隧道頂 1m，兩側1.5 m～2 m范圍內不加固）；雙排樁區域采用MJS強加固，加固深度從地面至隧道上方1 m；基坑以上第二道支撐以下土采用MJS滿堂弱加固，水泥摻量20%。基坑底設置3 排φ1100抗浮樁，間距3 m，樁長25 m，樁底進入8-4圓礫層，樁基距離隧道最小凈距約3.0 m。

圖3 上跨基坑圍護結構及支護平面圖

圖4 上跨基坑圍護結構及支護縱斷面圖

2.2 基坑開挖施工技術方案

2.2.1 總體原則

本次施工以“分層、分塊、分段、對稱、平衡、限時”為總體原則進行基坑開挖施工，基坑面積約1300 m2，分兩次開挖到底：第一次開挖至第二道混凝土支撐底部，分成5 小塊開挖，基坑挖至支撐標高后，6 小時內完成鋼支撐架設，36 小時內完成砼支撐澆筑；第二次開挖至基坑底部，分成20 小塊進行對稱跳倉開挖，每塊開挖后立即澆筑底板進行封閉，并于抗拔樁相連，每塊底板達到強度后采用配重塊增加堆載，確保土地均勻、均速卸荷，保持地鐵盾構區間穩定。

2.2.2 第一次土方開挖

（1）基坑分層分塊開挖，每層開挖深度不超過3 m，第二道混凝土支撐底部距地面約5.1 m，這部分土方分兩層進行開挖，第一層開挖深度3 m，第二層開挖深度2.1 m。整體開挖順序為：Ⅰ-①第一層、Ⅰ-②第一層、Ⅱ-①第一層、Ⅱ-②第一層、Ⅰ-①第二層、Ⅰ-②第二層、Ⅱ-①第二層、Ⅱ-②第二層、Ⅲ開挖。

（2）第二道支撐底部以上土方分兩層進行開挖，Ⅰ、Ⅱ開挖時，采用一臺PC200 挖機站在地面從北往南進行土方開挖，第一層開挖深度3 m，開挖出的土方直接裝車外運；第一層開挖完成后，挖機進入坑內進行第二層土方開挖，開挖深度2.1 m，開挖的土方轉運至基坑邊，由站位于地面基坑邊的另一臺PC200 挖機裝車外運。

（3）土方分層開挖時，先開挖的Ⅰ、Ⅱ處土方與后開挖的Ⅲ處土方按照1∶1進行放坡。土方開挖時，支撐下的土方進行掏挖。

（4）Ⅲ處土方開挖時，先采用PC200 挖機從北往南開挖第一層土（3 m），開挖一段距離后，另一臺PC200 挖機進入基坑內，開挖剩余2.1 m深度土方，與第一臺挖機形成臺階開挖，開挖出的土體由站位于地面的挖機裝車外運。開挖示意圖見圖5。

圖5 第一次土方開挖平面示意圖

2.2.3 第二次土方開挖

（1）第二道砼支撐施工完成并達到設計強度后，開始進行基底以上土方開挖。該層土方按照Ⅰ-①…Ⅰ-④、Ⅱ-①…Ⅱ-④、Ⅲ-①…Ⅲ-④、Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④的順序分塊進行土方開挖。

（2）第二道支撐底至基底以上土方分層分塊進行開挖，每層開挖深度不大于3 m，該層土方深度約4.1 m，分兩層進行開挖，第一層開挖深度2 m，第二層開挖深度2.1 m。

（3）因該層土體部分施工了MJS工法樁，土體已經進行了提前加固，穩定性較高，因此該層土體開挖時各區塊之間按照1∶0.3進行放坡，土方開挖時由站位于基坑內的PC200挖機將單個區塊內的土體分層開挖到基坑底，并將開挖出的土體轉移至基坑邊，由站位于地面基坑邊的另一臺PC200挖機裝車外運。對于Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④位置的土體，直接采用長臂挖機或液壓抓斗進行該處區塊土方開挖外運。

（4）每個區塊開挖到底，分塊施工墊層和底板，底板與抗拔樁相連，底板達到強度后，在底板上設置多塊預制混凝土塊進行反壓，單塊預制混凝土塊尺寸1.5 m×1.5 m×1 m，單塊重量5.625 t，確保壓載不小于50 kPa后，再開挖下個區塊。開挖示意圖見圖6。

圖6 第二次土方開挖平面示意圖

3 數值模擬

3.1 地鐵區間隧道容許變形量

目前關于地鐵隧道結構容許變形量研究較少，國內不同城市結合當地的建設工程經驗給出了不同的標準。本項目位于杭州市余杭區，因此本次分析主要以浙江省工程建設標準《城市軌道交通結構安全保護技術規程》為準，從《規程》中可以看出，區間隧道的保護范圍分2 個等級分別為控制保護區和特別保護區。本工程隧道上跨5 號線隧道，開挖部分位于隧道正上方，因此本工程位于杭州地鐵5 號線區間的特別保護區范圍，軌道交通結構安全保護等級為A級。

本工程上跨的地鐵創景路站～葛巷站區間盾構隧道已運營，根據浙江省《城市軌道交通結構安全保護技術規程》規定，標準環錯縫隧道，當水平位移、豎向位移、徑向收斂等累計變形均小于30 mm，但某一項指標超過20 mm時，結構安全狀況可劃分為Ⅱ類，盾構隧道累計豎向位移控制值為10 mm，沉降控制值5 mm，水平位移5 mm，相對收斂5 mm。

3.2 數值模擬及分析

目前，計算機軟、硬件技術飛速發展，許多地下工程理論得以數值實現。本次二維數值模擬采用Plaxis2 D巖土有限元模擬軟件，計算主要是對區間盾構隧道進行二維數值模擬，并對圍護結構及盾構隧道的位移進行驗算。工況劃分表見表1。

表2 二維模型分析工況表

由于模型分析步數較多，在此僅表述控制性的“工況 7、9、11、13”工況下模型水平、豎向位移云圖，見圖7。

圖7 各工況水平、豎向位移圖

表3 各工況變形統計表 單位：mm

4 結論

由palxis有限元軟件模擬分析結果可知，文一西路隧道施工對杭州地鐵5號線創景路站～葛巷站區間盾構隧道產生了一定影響，盾構隧道出現了一定量的水平位移、豎向位移以及收斂變形。隨著隧道上跨基坑土方開挖，上方卸載，盾構隧道隆起增大，收斂量增大。隨著開挖深度的加深，變形趨勢加劇，隧道水平變形峰值受開挖分區與隧道位置關系出現一定波動。底板堆載對控制豎向變形具有一定效果。隨著主體結構施工及覆土回填，隧道變形再次變小。總體結果顯示隧道變形水平位移、豎向位移以及收斂值均在控制值范圍內，隧道結構安全可控。本次開挖施工方法科學可行。

本次研究結果，解決了軟土地區低凈空上跨運營地鐵盾構區間隧道的基坑開挖關鍵施工技術，可為軟土地圖同類型工程設計和施工提供有力參考和借鑒價值。