段 超

(中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安 710054)

1 概述

隨著國家對(duì)地下空間的進(jìn)一步開發(fā)與利用，城市地鐵迅猛發(fā)展，截止到2020年底，我國地鐵總里程數(shù)已達(dá)4 511.3 km。地鐵數(shù)量及規(guī)模的增加，使得大量深基坑開挖近接既有運(yùn)營地鐵線路的情況不斷涌現(xiàn)，如不能有效控制基坑開挖對(duì)既有運(yùn)營隧道的影響，極易導(dǎo)致隧道的變形失穩(wěn)，進(jìn)而帶來一系列安全事故[1-4]。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和有效控制基坑開挖對(duì)既有近接隧道的影響已成為城市安全建設(shè)的決定性因素。

近年來，諸多學(xué)者針對(duì)基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響展開研究，吳劍秋等[5]以深圳地鐵11號(hào)線為背景，利用有限元軟件Plaxis 3D研究了“跳倉法”及施作轉(zhuǎn)換板結(jié)構(gòu)對(duì)下臥隧道變形的影響；陳仁朋等[6]研究了地下通道開挖過程中下臥隧道的上浮規(guī)律；鄭剛、溫鎖林、李健津等[7-9]則針對(duì)基坑施工對(duì)下臥運(yùn)營隧道的變形提出了一系列的控制措施，并利用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行驗(yàn)證；魏綱[10]分析了多個(gè)基坑開挖對(duì)下臥隧道的變形影響，并依此提出了隧道最大隆起量的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式。劉國彬等[11]結(jié)合軟土地基變形計(jì)算方法，提出了考慮時(shí)空效應(yīng)的控制基坑下隧道上浮變形的方法。

綜上，關(guān)于基坑開挖對(duì)下臥隧道的變形影響已有大量研究，但對(duì)于基坑開挖對(duì)密貼下臥既有運(yùn)營地鐵隧道的影響及上浮控制措施卻鮮有報(bào)道。本文依托西安地鐵火車站站修建工程，通過對(duì)既有隧道兩側(cè)土體加固、設(shè)置臨時(shí)抗浮梁、分段開挖及預(yù)留核心土反壓等措施，輔以在全程中對(duì)隧道變形采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，分析了基坑開挖對(duì)密貼下臥既有運(yùn)營地鐵隧道變形的影響。研究成果可為類似工程的修建提供參考。

2 工程概況

西安地鐵四號(hào)線是一條已運(yùn)營的西安市軌道交通骨干線路，北起于未央?yún)^(qū)北客站，終點(diǎn)止于長安區(qū)航天新城站，全長35.2 km，均為地下線?；疖囌菊緸榈罔F四號(hào)線的一個(gè)換乘車站，受西安火車站整體改造的影響，暫未開通?；疖囌菊竟こ讨饕謨善谶M(jìn)行，其中二期工程包含明挖車站主體、附屬風(fēng)亭、通道、換乘通道及車站與一期既有隧道的聯(lián)絡(luò)通道，分為南北兩側(cè)施工，平面布置見圖1。北側(cè)地鐵施工主要包含明挖車站主體A區(qū)、地鐵Ⅲ號(hào)出入口、換乘通道及聯(lián)絡(luò)通道。南側(cè)地鐵施工主要包含明挖車站主體B區(qū)、地鐵Ⅱ號(hào)通道、地鐵Ⅰ號(hào)(南廣場(chǎng))出入口、1號(hào)風(fēng)亭、安全疏散通道及聯(lián)絡(luò)通道。

火車站站Ⅲ號(hào)出入口為地下一層箱型框架結(jié)構(gòu)，基坑長36.1 m，寬37.035 m，底板埋深約為11 m，采用明挖順作法施工，橫跨已運(yùn)營的地鐵四號(hào)線隧道。Ⅲ號(hào)出入口通道底板距離隧道拱頂初支最近只有80 mm(見圖2)，施工過程中極易導(dǎo)致運(yùn)營中的地鐵隧道上浮，抗浮控制直接關(guān)系到四號(hào)線運(yùn)營安全。此外，車站所處地段，地質(zhì)條件復(fù)雜，多為飽和軟黃土，地下水位較高，降水難度大，基坑開挖易產(chǎn)生變形失穩(wěn)，工程地質(zhì)剖面見圖3。

3 既有隧道兩側(cè)土體加固措施

3.1 旋噴樁地基加固措施

在Ⅲ號(hào)出入口修建時(shí)，對(duì)既有的四號(hào)線隧道兩側(cè)土體進(jìn)行了加固，加固區(qū)域如圖4所示。常用的地基加固方案主要有基底滿堂加固和隧道“門式”加固兩種類型，考慮到本次工程的復(fù)雜性，為減小臨近施工對(duì)已有運(yùn)營隧道的影響，采用基底滿堂加固。加固采用三重管高壓旋噴樁，樁徑為800 mm，漿液采用強(qiáng)度等級(jí)為P.O42.5的硅酸鹽水泥漿，加固深度16.1 m，具體樁體布置如圖5所示。

在施作旋噴樁加固土體時(shí)，水泥漿液被噴射到樁體周圍的土體中，能填充土體內(nèi)部的孔隙，使土體相互咬合連成整體，提高了地基土體的強(qiáng)度和剛度，控制基坑變形。同時(shí)地基加固可有效解決地基土體的回彈問題，有利于控制基坑下方隧道的上浮。

3.2 臨時(shí)抗浮梁措施

除采取地基加固措施外，工程中還設(shè)置臨時(shí)抗浮梁來平衡基坑開挖卸荷后地鐵四號(hào)線隧道產(chǎn)生的浮力。在基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，迅速施作墊層、防水層及Ⅲ號(hào)出入口通道結(jié)構(gòu)底板，然后在通道底板之上施作1 200 mm×1 000 mm的抗浮梁與φ1 200 mm抗拔樁，使抗浮梁與抗拔樁連成整體，抗浮梁和抗拔樁剖面如圖6所示。待整個(gè)Ⅲ號(hào)出入口通道施工完畢，回填上覆土后，拆除抗浮梁。

如圖6所示，抗拔樁和抗浮梁緊密固接，組成一種類似于“門字形”結(jié)構(gòu)，將既有的四號(hào)線隧道牢牢鎖進(jìn)土體中。當(dāng)隧道上浮時(shí)，其對(duì)抗浮梁產(chǎn)生向上的浮力，而抗拔樁對(duì)抗浮梁則產(chǎn)生向下的拉力，這兩個(gè)力互相抵消，達(dá)到了力的平衡?？拱螛吨饕獮殂@孔灌注樁，樁身和土體緊密接觸，土體對(duì)樁產(chǎn)生摩擦力作用，達(dá)到了抗拔的效果。

4 分段及預(yù)留“核心反壓土”開挖措施

4.1 基坑分段開挖

火車站站Ⅲ號(hào)通道采用明挖順作法施工，在基坑未開挖之前，隧道結(jié)構(gòu)整體平衡，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損毀變形。若對(duì)基坑采取一次性全部開挖施工，會(huì)使四號(hào)線隧道上覆土層壓力驟然消失，壓力失衡導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生上浮變形破壞。故在實(shí)際施工中為保證四號(hào)線運(yùn)營安全和Ⅲ號(hào)通道施工安全，采取分段開挖方式修建Ⅲ號(hào)通道，即將整個(gè)Ⅲ號(hào)通道施工過程分三個(gè)施工段、五個(gè)步驟進(jìn)行，具體的開挖施工步驟為：

第一步：施工基礎(chǔ)樁、抗拔樁，加固隧道兩側(cè)土體，當(dāng)基坑降水至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)開挖第一個(gè)施工段?；佑覀?cè)按照2級(jí)自然放坡開挖，開挖過程中，由上而下破除附屬與主體連接部位圍護(hù)樁、止水帷幕以及國鐵三角區(qū)支護(hù)樁、止水帷幕，直至開挖至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高，割除暗挖隧道管棚及錨桿，如圖7所示。

第二步：待第一施工段挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，迅速施工墊層、防水層及通道結(jié)構(gòu)底板，并在第一施工段施工1 200 mm×1 000 mm抗浮梁和φ1 200 mm抗拔樁，及時(shí)封閉基坑底部，如圖8所示。

第三步：待第一施工段底板及抗浮梁達(dá)到強(qiáng)度后，開挖第二施工段，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后迅速施工墊層、防水層、通道結(jié)構(gòu)底板、樁基承臺(tái)和第二施工段抗浮梁，及時(shí)封閉基坑底部(同時(shí)施工第一施工段側(cè)墻、頂板)，待第一施工段結(jié)構(gòu)達(dá)到要求后，回填第一施工段覆土，如圖9所示。

第四步：待第二施工段底板及抗浮梁達(dá)到強(qiáng)度后，開挖第三施工段，開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后迅速施工墊層、防水層及通道結(jié)構(gòu)底板，及時(shí)封閉基坑底部(同時(shí)施工第二施工段梁、柱、頂板)，第二施工段結(jié)構(gòu)達(dá)到要求后，回填第二施工段覆土，如圖10所示。

第五步：施作第三施工段梁、柱、頂板、側(cè)墻，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，回填剩余基坑，停止降水，拆除抗浮梁，如圖11所示。

4.2 預(yù)留核心反壓土

此外，在分段開挖的基礎(chǔ)上，為減少下臥隧道暴露時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)采取“預(yù)留核心反壓土”的方法組織開挖(見圖12)，即在分段開挖時(shí)，預(yù)留下臥隧道上方范圍(寬為隧道邊墻以外1 m，高4 m，長為每一段開挖的基底長度)反壓土，先行組織兩側(cè)土體開挖、平整及墊層施工，最后集中開挖預(yù)留反壓土部分及此范圍的墊層施工。此措施充分利用“時(shí)空效應(yīng)”原理，最大程度減少隧道在開挖階段的暴露時(shí)間，從而控制和減少上浮變形。

5 隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)措施

5.1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本次監(jiān)測(cè)采用測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，系統(tǒng)由測(cè)量機(jī)器人(徠卡TS60/TS50/TM50磁懸浮式自動(dòng)化全站儀)、信號(hào)控制器和工業(yè)用計(jì)算機(jī)組成，其系統(tǒng)工作流程如圖13所示。該系統(tǒng)可在無人值守的情況下，實(shí)現(xiàn)全天24 h自動(dòng)監(jiān)測(cè)，克服了傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，具有測(cè)量精度高、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、報(bào)表輸出及提供圖形等優(yōu)點(diǎn)。

5.2 隧道監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

于火車站站二期工程施工期間，根據(jù)主要(0 m～15 m)和次要(15 m～42 m)影響分區(qū)在既有四號(hào)線隧道部分布置測(cè)點(diǎn)，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵隧道的變形情況。其中，二期工程北側(cè)施工時(shí)，既有四號(hào)線隧道左線ZDK17+712～ZDK17+991,既有隧道右線YDK17+762～YDK17+995為基坑影響區(qū)，其中主要影響區(qū)隧道里程為：左線ZDK17+746～ZDK17+977,右線YDK17+788～YDK17+963。在基坑主要影響區(qū)按5 m間距，局部地區(qū)按3 m間距，次要影響區(qū)按10 m間距布設(shè)隧道監(jiān)測(cè)斷面，如圖14所示，則在隧道左線計(jì)有56個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，主要影響區(qū)47個(gè)；右線計(jì)有44個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，主要影響區(qū)32個(gè)。在各隧道監(jiān)測(cè)斷面布置傳感器，主要進(jìn)行如表1所示的監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

表1 地鐵隧道自動(dòng)化監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、測(cè)點(diǎn)布置及監(jiān)測(cè)精度

5.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由圖14可知，Ⅲ號(hào)出入口施工時(shí)，主要對(duì)左線運(yùn)營隧道產(chǎn)生影響，其影響的隧道左線里程為： ZDK17+806～ZDK17+841。該里程內(nèi)共布設(shè)8個(gè)隧道監(jiān)測(cè)斷面，在各監(jiān)測(cè)斷面內(nèi)于拱頂布設(shè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)編號(hào)與隧道里程號(hào)一一對(duì)應(yīng)，為Z806～Z841。本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)日期始于2020年9月12日，截止于2021年3月22日，監(jiān)測(cè)跨度達(dá)192 d，為減少工作量及控制文章篇幅，每隔7 d選取一組數(shù)據(jù)，計(jì)27組數(shù)據(jù)，分析Ⅲ號(hào)出入口施工時(shí)左線隧道拱頂沉降變化情況，如圖15所示。

從圖15可知，Ⅲ號(hào)出入口施工期間，地鐵四號(hào)線左線隧道表現(xiàn)出先上浮后下沉的現(xiàn)象。其中，從2020年9月18日到2021年1月22日，隧道持續(xù)上浮，于2021年1月22日前后隧道拱頂沉降累計(jì)值達(dá)到峰值，約為3.3 mm；自2021年1月22日至2021年3月19日，隧道一直保持下沉的趨勢(shì)，并在2021年3月19日前后拱頂沉降累計(jì)變化值保持穩(wěn)定。該現(xiàn)象說明，Ⅲ號(hào)出入口施工過程中，隨著基坑開挖等工作的進(jìn)行，隧道上覆荷載減小，隧道不可避免的發(fā)生上浮現(xiàn)象，但通過采取地基土體加固、設(shè)置臨時(shí)抗浮梁及分段開挖等措施，隧道的上浮總體可控，其最大上浮量?jī)H3.3 mm，低于控制值3.5 mm，隧道運(yùn)營安全。隨著Ⅲ號(hào)出入口主體結(jié)構(gòu)施作完畢，上覆土體回填，隧道又在緩慢下沉，直至穩(wěn)定。

6 結(jié)論

依托西安地鐵四號(hào)線火車站站上跨既有運(yùn)營隧道工程，通過地基加固、設(shè)置臨時(shí)抗浮梁、分段施工等措施控制隧道上浮量，輔以施工全過程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)來反饋施工，主要得出如下結(jié)論：

1)于施工中采取旋噴樁加固土體及設(shè)置臨時(shí)抗浮梁等措施，可增強(qiáng)土體剛度和強(qiáng)度，平衡土體卸荷時(shí)隧道上浮力，減小隧道上浮量。

2)采用分段和“預(yù)留核心反壓土”的方法組織開挖，最大限度的控制隧道挖土卸荷后的暴露時(shí)間，避免了隧道上覆土體突然卸載危及運(yùn)營隧道安全和基坑施工安全。

3)施工過程中，自動(dòng)化精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道沉降情況，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示隧道拱頂上浮量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，最大上浮量?jī)H為3.3 mm，在合理區(qū)間內(nèi)，施工完成后隧道下沉，且趨于穩(wěn)定。