运营地铁隧道上方基坑施工技术研究

上海市繁华市区某广场, 地下室下方有正在运营的地铁一号线通过, 基坑直接影响地铁隧道长度约38m, 设地下一层车库, 基底距离隧道顶部距离仅4m。 基坑开挖区域自上而下土层为: ①填土, 夹碎砖、石子等杂物, 下部以素填土为主, 土质不均匀, 层厚约1.2 m; ②褐黄色粉质粘土, 中- 高压缩性, 含云母及铁锰结核, 层厚约1.1m;③灰色淤泥质粉质粘土, 高压缩性,夹粉砂薄层, 含云母, 层厚约6.2m;④灰色淤泥质粘土, 高压缩性, 切面光滑, 夹薄层粉砂, 层厚约8.5m; ⑤粘土, 高压缩性, 含贝壳碎屑, 局部夹淤泥质粘土, 层厚约4m。 1 工程难点 1.1 隧道保护要求高 上海地铁隧道采用装配式结构, 在保护区内工程施工必将对其产生影响, 轻则引起管片接缝张开、环缝或通缝漏水; 重则引起管片开裂、钢筋锈蚀缩短隧道使用寿命。为确保保护区内工程施工对隧道不产生损坏,特制定以下标准: (1) 地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm; (2) 隧道变形曲线的曲率半径R>15000m; (3) 相对弯曲不大于1/2500; (4) 收敛变形小于20mm。 1.2 基坑开挖引起隧道隆起量大 基底与隧道顶净距仅4m, 为接近工程实际, 采用有限元法对基坑卸载过程进行模拟, 根据地层损失原理对实际荷载和相应系数进行修正。计算结果表明, 仅开挖期间隧道顶部最大附加变形量为12.25mm, 加之前期施工隧道隆起量, 隧道结构设施必将受到影响, 甚至影响地铁安全运营。 1.3 施工区域地质条件差 对应地铁隧道结构施工区域状况不良, 历史上曾发生过一定程度的沉降和变形, 目前累计沉降量较大。 2 设计措施 (1) 坑内满堂加固, 控制隧道变形: 基坑围护结构采用SMW工法桩, 隧道上方工法桩内型钢在基坑施工结束后不拔除; 隧道上方0.5～2.0m范围内采用旋喷桩加固, 隧道侧0.7 m外SMW工法桩满堂加固, 以控制基坑底板隆起。 (2) 超长钻孔灌注桩, 减少上部荷载对隧道产生影响: 隧道上方建筑物高4层, 为减少建成后建筑物对隧道的直接影响, 桩基选用钻孔灌注桩, 持力层选择⑨1层, 桩长74.9m。 (3) 隧道自身沉降量大, 开挖前基坑施工区域内不采取井点降水。 3 施工技术措施 3.1 地基加固 3.1.1 旋喷桩加固 为改善土体的力学性能, 隧道顶部以上0.5～2.0m范围内在列车停运后实施高压旋喷桩加固。参照其他类似成功经验并结合工程自身特点选择施工参数, 通过控制桩位、喷浆压力、钻孔深度及钻速, 减少旋喷桩施工对地铁隧道的影响。基坑开挖前对加固的地基进行取芯检验, 土体无侧限抗压强度基本达到1.5MPa。 3.1.2 SMW工法桩满堂加固 最靠近隧道侧的SMW工法桩内插26m型钢, 并掺入2%左右的早强剂, 在列车运营前2h完成。隧道侧工法桩遵循“先近后远”原则进行施工, 以减少土体挤压对隧道水平方向位移的影响。在插入型钢的适当位置设置预埋件, 以期基坑开挖时与主体结构连接, 控制隧道上浮。基坑加固剖面如图1。 3.2 支撑施工 基坑开挖深度为5.4 m, 结合围护设计要求, 支撑采用H700×300×13×24(mm) 双拼型钢支撑, 呈对撑和角撑布置, 支撑系统标高为- 2.450m, 为增强围护桩整体刚度, 在桩体顶部设置一道截面为1200mm×800mm混凝土压顶圈梁。钢立柱采用4 120×12角钢格构柱结合H700×300×12×14(mm)型钢立柱。 3.3 土体开挖 基坑面积约1400m2, 挖土总方量约7500m3。为确保施工期间地铁安全运营, 基坑分两层开挖, 第1层土大开挖至标高- 2.000 m, 其余土体按“分区、分块、对称、平衡、限时”原则进行施工。 3.3.1 挖第1层土 工程周边环境复杂, 施工场地狭小, 总体上按由东向西的次序进行挖土。为减少基坑卸载对隧道的影响,施工中严禁超挖土体。采取可靠的施工技术措施, 以防挖土机碰撞围护墙及钢立柱。 3.3.2 挖第2层土 根据大量类似工程的成功经验, 该层土体开挖严格遵循时空效应——分区、分块、对称、平衡、限时原则进行, 第2层土分块开挖平面布置如图2。 采用2台1 m3挖机同时挖土, 单块土体在当晚21∶30前挖除隧道两侧土体, 避开列车运营高峰期后挖除隧道正上方土体。严格按标高进行机械开挖, 坑底留10 cm厚土体由人工铲除。为使地铁隧道免受振动影响, 隧道侧的工程灌注桩顶部分混凝土采用人工凿除。 3.4 钢筋绑扎 为节约单幅底板施工时间, 钢筋接头采用机械连接, 施工前根据分块施工图进行钢筋放样, 按尺寸加工螺纹及套筒。 3.5 底板混凝土浇筑 采用斜面分层下料, 分层浇筑, 踏步式向后推进,每层厚度控制在50cm左右, 每台泵车配备4～6台插入式振动棒, 要求不出现夹心层。在单幅底板混凝土初凝前, 隧道上方的混凝土表面铺设九夹板, 用预先准备的砂袋进行回压, 防止基底回弹带动隧道隆起。从土体开挖至混凝土底板浇筑完毕, 时间要求控制在7h内。 3.6 信息化施工 隧道内采用人工及自动监测相结合方式进行信息化施工, 确保数据及时准确, 能起指导施工的作用。 4 施工中各阶段隧道变形情况分析 隧道上方0.5～2.0 m处进行旋喷桩加固过程中, 隧道略有上抬, 最大隆起量为2.3 mm; 在坑底至隧道上方2.0 m范围内的土体进行搅拌桩加固时, 隧道产生下沉趋势, 最大沉降量约- 1.6 mm; 土体开挖前各种施工引起的隧道最大隆起和沉降差量达到4.1 mm, 第一层土开挖结束时, 隧道隆起增量为1.8 mm, 第二层土开挖结束时, 隧道隆起增量为2.86 mm。整个挖土期间, 隧道隆起量最大值为4.8 mm。底板浇筑完毕后, 结构回筑至顶板的20 d施工中, 隧道呈现隆起趋势, 隆起量为1.36 mm。基坑开挖期间隧道变形曲线如图3、4所示。 基坑从围护施工开始至底板混凝土浇筑完毕后20d, 地铁隧道收敛变形、曲率半径及相对弯曲等各项指标均满足地铁安全运营的保护要求。工程实施过程中,对该区间隧道结构进行普查, 未发现结构裂缝及渗漏水等异常现象。 5 结束语 施工过程中, 部分监测数据达到报警值, 施工单位及时调整施工方案, 通过合理安排施工进度, 尤其在开挖过程中通过控制挖土时间、预先放置模板、预制钢筋笼、每小块底板钢筋采用机械连接、浇筑早强、微膨胀混凝土, 并在16h内完成砂袋回压, 最终有效控制了运营中地铁隧道结构变形, 取得了一些可供参考的设计与施工经验。 参考文献 [1] 刘建航, 侯学渊.基坑工程手册.北京: 中国建筑工业出版社, 1997. [2] 王如路, 等.地铁运营隧道上方深基坑开挖卸载施工的监控.地下工程与隧道, 2005(1). [3] 夏才初, 潘国荣.土木工程监测技术.北京: 中国建筑工业出版社,2001. [4] 胡中雄.土力学与环境工程学.上海: 同济大学出版社, 1997. [5] 张柏平, 叶耀东.地铁隧道上方基坑支护与挖土施工.建筑技术开发, 2004(4). 信息来源于：中国城市轨道交通网