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运营地铁隧道上方基坑施工技术研究
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内容提示： 采用高压旋喷桩及SMW工法桩加固隧道上方软土地基, 可减少基坑土体卸载在时间和空间上的不均衡性引起隧道纵向产生不均匀的变形; 运用时空效应理论进行分析, 确定一次性卸载量、卸载范围及沿隧道纵向的卸载次序, 拟定基坑开挖方案; 施工阶段结合监测数据进一步优化、调整开挖次序, 使隧道变形曲线趋于缓和。
摘 要: 采用高压旋喷桩及SMW工法桩加固隧道上方软土地基, 可减少基坑土体卸载在时间和空间上的不均衡性引起隧道纵向产生不均匀的变形; 运用时空效应理论进行分析, 确定一次性卸载量、卸载范围及沿隧道纵向的卸载次序, 拟定基坑开挖方案; 施工阶段结合监测数据进一步优化、调整开挖次序, 使隧道变形曲线趋于缓和。（参考《建筑中文网》）
关键词: 基坑; 软土地基; 卸载
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).
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200809/9111.htm
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