臨運(yùn)營(yíng)地鐵深基坑施工技術(shù)

摘要：為控制三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)中地鐵隧道的影響，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了多層止水帷幕系統(tǒng)，控制地下水水位變化、土體荷載變化對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道周邊土地的擾動(dòng)。為確保地鐵隧道及基坑的安全，對(duì)地鐵隧道及基坑變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)施工過(guò)程地鐵盾構(gòu)變形的數(shù)據(jù)，及時(shí)調(diào)整土方開(kāi)挖部位、深度，以確保地鐵盾構(gòu)變形在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：深基坑；地鐵隧道；止水帷幕；監(jiān)測(cè)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)在運(yùn)營(yíng)中地鐵線路的地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)施工的工程實(shí)例已經(jīng)不少，劉衛(wèi)末[1]通過(guò)變形控制設(shè)計(jì)方法，輔以FLAC3D數(shù)值模擬安全評(píng)估等手段，完成國(guó)貿(mào)中心東樓改造及交通一體化基坑工程。龔達(dá)[2]種采用平行分區(qū)方案，運(yùn)用二維建模等方法，成功完成臨近上海地鐵10號(hào)線的同濟(jì)大學(xué)某教學(xué)樓的施工。

三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目的基坑工程為武漢市首個(gè)橫跨運(yùn)營(yíng)地鐵的深基坑。目前，房建項(xiàng)目橫跨運(yùn)營(yíng)地鐵的深基坑工程在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)。為控制三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目基坑施工對(duì)運(yùn)營(yíng)中地鐵隧道變形的影響，本文設(shè)計(jì)多層止水帷幕系統(tǒng)，以控制地下水水位變化、土體荷載變化對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道周邊土地的擾動(dòng)。

1 工程概況

三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目的基坑工程位于武漢市江漢區(qū)青年路與解放大道交匯處，為武漢市鬧市區(qū)，人流量、車流量大，周邊臨近建筑物多，交通情況復(fù)雜，橫跨運(yùn)營(yíng)中的武漢地鐵2號(hào)線，地鐵隧道經(jīng)項(xiàng)目地塊西北角向東南角穿過(guò)。線路列車采用6節(jié)編組B型列車，為武漢市最繁忙的地鐵線路，日均客流量高達(dá)120萬(wàn)人次，發(fā)車運(yùn)營(yíng)間隔僅2.9min，且為武漢市第一條地鐵線路，修建時(shí)間早運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，盾構(gòu)日常維護(hù)工作壓力較大。

項(xiàng)目地塊由3棟超高層住宅及1棟辦公樓組成，地下室結(jié)構(gòu)為4層，地鐵隧道將項(xiàng)目基坑分為住宅和辦公區(qū)兩部分，其中住宅區(qū)基坑開(kāi)挖面積約1.9萬(wàn)m2，辦公區(qū)基坑開(kāi)挖面積約1萬(wàn)m2，基坑開(kāi)挖深度都為18.7m。地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂部覆土厚度約12～14.6m，平均埋深為14.5m，距基坑邊最近距離為10.5m。

2 基坑設(shè)計(jì)狀況

本項(xiàng)目基坑支護(hù)設(shè)計(jì)為多層止水帷幕，并在基坑豎直方向布置了4道混凝土支撐。為最大限度控制基坑施工對(duì)地鐵的擾動(dòng)，使地鐵盾構(gòu)區(qū)土壓力及地下水位處于原始穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)項(xiàng)目巖層情況，設(shè)計(jì)止水帷幕支護(hù)體系。止水帷幕支護(hù)結(jié)構(gòu)體系為Φ850@600攪拌樁、地連墻（臨地鐵側(cè)1200mm，不臨地鐵1000mm）、800mm水泥攪拌墻，其中地連墻、水泥攪拌墻設(shè)計(jì)深度為進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖1m。

本項(xiàng)目根據(jù)建筑物規(guī)劃排布，基坑及地下室沿軌道交通2號(hào)線區(qū)間隧道劃分為南北兩區(qū)，其中北區(qū)住宅主樓部分為北一區(qū)，北區(qū)地下室及商業(yè)劃分為北二區(qū)。南北區(qū)基坑支護(hù)止水帷幕均設(shè)置豎向四道臨時(shí)混凝土支撐，支撐形式為角撐加對(duì)撐的布置的形式。

北區(qū)住宅區(qū)面積較大，為確保止水帷幕體系效果，擬分兩期施工，中間隔斷為鉆孔灌注樁、三軸攪拌樁止水帷幕，先開(kāi)挖北一區(qū)基坑，北一區(qū)建筑結(jié)構(gòu)出地面后，再開(kāi)挖北二區(qū)基坑，基坑土層情況如表1所示。

3 基坑施工方法

3.1 地鐵隧道變形、沉降控制要求

基坑開(kāi)挖是基坑土體卸荷的過(guò)程，卸荷會(huì)引起坑底土體產(chǎn)生以向上為主的位移，同時(shí)也引起圍護(hù)墻在兩側(cè)壓力差作用下而產(chǎn)生水平方向位移和因此產(chǎn)生的墻外側(cè)土體位移。

在進(jìn)行三鎮(zhèn)中心深基坑工程開(kāi)挖施工的過(guò)程中，由于土體卸荷效應(yīng)，基坑分步開(kāi)挖的空間位置、開(kāi)挖體量和已挖區(qū)域暴露時(shí)間，與周圍墻體、土體位移存在一定的關(guān)聯(lián)性，需遵循開(kāi)挖過(guò)程時(shí)空效應(yīng)規(guī)律，并根據(jù)基坑狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整開(kāi)挖施工順序及位置。

基坑變形包括止水帷幕的變形、坑底沉降及基坑周圍土體位移。墻后地層縱向呈不均勻沉降，沉降最大點(diǎn)大約在距墻邊0.7H處（H為開(kāi)挖深度）。加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作可以可靠而合理地利用土體自身在基坑開(kāi)挖過(guò)程中控制土體位移的變化而達(dá)到穩(wěn)定地鐵盾構(gòu)隧道。

根據(jù)新建構(gòu)筑物對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響，進(jìn)行可靠性分析計(jì)算，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，確定施工中下隧道變形應(yīng)滿足下列要求：隧道任意點(diǎn)位移和沉降≤20mm；施工過(guò)程中地鐵隧道的附加曲率半徑≥15000m，結(jié)構(gòu)相對(duì)彎曲曲率≤1/2500；由于各因素所引起的地鐵隧道外壁附加荷載≤20kPa；臨近地鐵隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移≤30mm，坑外地表最大沉降≤30mm。

3.2 止水帷幕的施工

項(xiàng)目止水帷幕施工前，應(yīng)根據(jù)隧道保護(hù)控制指標(biāo)值，確保止水帷幕能起到工程效果。進(jìn)行等厚水泥土攪拌墻、地連墻試成槽施工，模擬圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，對(duì)地鐵擾動(dòng)選取保守的參數(shù)[3]。

水泥攪拌樁施工設(shè)備選用MC-920型三軸攪拌機(jī)施工，采用二噴二攪的施工工藝，即采用跳孔式重復(fù)搭接施工方法（搭接寬度為150mm）。該方法有利于降低偏鉆問(wèn)題，確保攪拌樁連續(xù)性及止水效果，使樁體范圍內(nèi)水泥攪拌均勻。

將地連墻外側(cè)槽壁加固設(shè)計(jì)為800mm厚水泥土攪拌墻，水泥攪拌墻設(shè)計(jì)深度根據(jù)地質(zhì)巖層勘察情況，設(shè)計(jì)深度為53.55～58m，且以進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖1.0m為準(zhǔn)。本項(xiàng)目使用TRD-EN工法進(jìn)行水泥土攪拌墻施工。施工時(shí)，首先將鏈鋸型切削刀具插入地基，再將挖掘液注入土體中，并持續(xù)橫向掘削、攪拌，水平推進(jìn)，掘削至墻體設(shè)計(jì)深度，然后注入固化劑，固化劑為P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥參量25%，水灰比建議1.5。挖掘液、固化液具體水泥、膨潤(rùn)土摻量及水灰比等，根據(jù)試成墻試驗(yàn)制定。

將本工程地連墻厚度參數(shù)設(shè)計(jì)為1000mm（非地鐵側(cè)）、1200mm（近地鐵側(cè)）。將混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)為水下C35（抗?jié)B等級(jí)為P10）。將豎向主筋保護(hù)層厚度迎土面設(shè)計(jì)為70mm，迎坑面設(shè)計(jì)為70mm。地連墻槽段間采用H型鋼板剛性連接。

地下連續(xù)墻共分為地鐵側(cè)和非地鐵側(cè)兩種槽段形式，共劃分為194幅槽段（北區(qū)108幅、南區(qū)84幅），地連墻深度要求進(jìn)入中風(fēng)化巖不小于1m。施工方法為地連墻常規(guī)施工方法，主要工序包括導(dǎo)墻施工、連續(xù)墻成槽與泥漿護(hù)壁、連續(xù)墻鋼筋籠綁扎與吊裝、混凝土澆筑及連續(xù)墻槽底注漿等。

3.3 降水施工

本工程基坑內(nèi)約每700m2布置一口疏干降水井，北區(qū)1分區(qū)布置18口，北區(qū)2分區(qū)布置10口，南區(qū)布置14口，共布置42口降水井（其中14口井兼做觀測(cè)井）。

為減少降水井成井施工時(shí)對(duì)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響，基坑地下連續(xù)墻與地鐵區(qū)間隧道之間按照間距20m，布置18口回灌井。回灌井作為應(yīng)急措施，通過(guò)坑內(nèi)抽水，坑外水位監(jiān)測(cè)方式，若地連墻和等厚度水泥攪拌墻止水帷幕效果良好，滿足地鐵保護(hù)需求，可不使用回灌井。

3.4 基坑土方施工

本區(qū)基坑采用盆式開(kāi)挖，遵循“分層、分塊、留土護(hù)壁、對(duì)稱、限時(shí)開(kāi)挖支撐”的總原則，利用時(shí)空效應(yīng)原理，減少基坑無(wú)支撐的暴露時(shí)間，嚴(yán)格控制基坑變形。

現(xiàn)場(chǎng)土方開(kāi)挖按照3個(gè)獨(dú)立止水帷幕體系基坑進(jìn)行開(kāi)挖，劃分為北一區(qū)基坑、北二區(qū)基坑、南區(qū)基坑。土方先施工北一區(qū)和南側(cè)基坑，因保護(hù)地鐵需要，北二區(qū)基坑需等到北一區(qū)基坑地下結(jié)構(gòu)施工完后，并根據(jù)地鐵變形情況決定其施工順序及周期。各區(qū)域分5層逐層開(kāi)挖基坑土方，每挖一層土方布置一道支撐，并在基坑成型前對(duì)基坑變形、支撐荷載及地鐵盾構(gòu)變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足地鐵變形要求后開(kāi)挖下一層土方。

4 變形監(jiān)測(cè)與施工效果分析

4.1 變形參數(shù)理論計(jì)算

根據(jù)施工方案進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，北一區(qū)及南區(qū)開(kāi)挖完成后，基坑地連墻變形可控制在15mm以內(nèi)。該過(guò)程地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的水平位移約7.6mm，道床沉降約3.4mm，收斂約1.3mm，數(shù)據(jù)分析及建模見(jiàn)圖1。該數(shù)值計(jì)算結(jié)果僅為理論值，未考慮基坑施工過(guò)程中的地連墻滲漏、墻底繞流和坑內(nèi)降水等影響。基坑施工對(duì)既有隧道的影響復(fù)雜，理論計(jì)算難以完全準(zhǔn)確模擬實(shí)際情況，與實(shí)際施工會(huì)存在一定差異[4]。

4.2 變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目依據(jù)施工方法，止水帷幕施工及北一區(qū)、南區(qū)土方開(kāi)挖完成，四道支撐體系形成，主體建筑結(jié)構(gòu)完成工程樁及底板，根據(jù)止水帷幕結(jié)構(gòu)經(jīng)鉆芯檢測(cè)，TRD水泥攪拌墻和地連墻質(zhì)量滿足要求。

根據(jù)地鐵隧道盾構(gòu)管片變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，左線區(qū)間隧道拱頂累計(jì)最大沉降13.5mm，右線區(qū)間隧道拱頂累計(jì)最大沉降15.2mm。左線區(qū)間隧道道床累計(jì)最大沉降9.7mm，右線區(qū)間隧道道床累計(jì)最大沉降11.0mm。地鐵盾構(gòu)左線區(qū)間水平位移累計(jì)最大值+8.9mm（向北區(qū)基坑方向）。右線區(qū)間水平位移累計(jì)最大值-7.1mm（向南區(qū)基坑方向）。左線區(qū)間徑向收斂累計(jì)最大值+9.5mm（徑向變大）。右線區(qū)間徑向收斂累計(jì)最大值+9.5mm（徑向變大），均在隧道變形控制允許范圍內(nèi)。

4.3 施工效果分析

根據(jù)施工時(shí)間及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，北一區(qū)、南區(qū)的表層土方至第三層土方開(kāi)挖及第一、第二道支撐施工的期間，地鐵隧道盾構(gòu)沉降變形速率最大，體現(xiàn)為該施工期間內(nèi)地鐵拱頂沉降變形最大單一盾構(gòu)管片的沉降速率為-0.1181mm/d，道床沉降速率為-0.0945mm/d。基坑地連墻施工期間，則表現(xiàn)為地鐵盾構(gòu)水平位移及盾構(gòu)隧道收斂變形速率最快，水平位移變形最大單一盾構(gòu)管片在此期間速T7HC4Is5Ql85yQreOSTcVQ==率達(dá)0.0640mm/d，徑向收斂速率達(dá)0.0697mm/d。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及地鐵變形情況分析，基坑止水帷幕地連墻的混凝土施工過(guò)程，會(huì)對(duì)土體形成一定的側(cè)壓力，該部分側(cè)壓力會(huì)對(duì)地鐵隧道側(cè)的水平向的土體進(jìn)行擾動(dòng)。基坑土方在隧道埋深范圍內(nèi)的開(kāi)挖過(guò)程，土體的土壓力處于卸荷狀態(tài)，會(huì)對(duì)地鐵隧道上下方土體進(jìn)行擾動(dòng)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際開(kāi)挖數(shù)據(jù)對(duì)比截至北一區(qū)和南區(qū)基坑土方開(kāi)完完成，地鐵2號(hào)線盾構(gòu)變形值均接近地鐵隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，但未超過(guò)控制值，繼續(xù)進(jìn)行北二區(qū)基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵盾構(gòu)的安全有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

北二區(qū)臨基坑繼續(xù)施工前，需采用微擾動(dòng)注漿等措施，對(duì)隧道已產(chǎn)生水平位移、道床沉降和收斂進(jìn)行處理，使隧道健康度恢復(fù)至4級(jí)以下（水平收斂值＜54mm）狀態(tài)后，可繼續(xù)進(jìn)行開(kāi)挖。

5 結(jié)束語(yǔ)

三鎮(zhèn)中心項(xiàng)目基坑通過(guò)先布置多層止水帷幕，降低施工對(duì)地鐵隧道周邊土體的擾動(dòng)，并按照計(jì)劃工序開(kāi)展施工，高度重視基坑和地鐵隧道的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋結(jié)果及時(shí)采取地鐵保護(hù)措施，并運(yùn)用到信息化施工。實(shí)時(shí)根據(jù)地鐵隧道變形值的變化，合理布置、調(diào)整開(kāi)挖土方順序及速度，通過(guò)合理的降水方法，完成項(xiàng)目主樓區(qū)基坑及地下室底板結(jié)構(gòu)工程，保證了2號(hào)線地鐵盾構(gòu)隧道的安全，可為今后類似工程的施工提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)

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