上穿既有电力隧道条件下基坑开挖技术研究

单 亚（上海申通地铁集团有限公司, 上海 200030）

近年来随着城市建设的加速，全国范围内正在进行大规模的地铁建设，路网将越来越复杂。同时，地下交叉施工繁多，势必会出现部分地铁车站、区间等新建线路建设施工位于既有地下建筑结构上、下的案例。本文以上海市轨道交通大世界站上穿既有西藏南路电力隧道为例，采用隧道内型钢加固、地墙围护、坑内加固、液氮冰冻、分坑开挖等组合加固措施。液氮冰冻是第一次作为一项独立施工措施应用于基坑开挖过程中，最终根据现场监测分析地铁车站在多种组合措施下对上穿既有电力隧道的影响。其研究结果对类似工程具有指导意义[1]。

1 工程概况

1.1 工程背景

上海市轨道交通某号线大世界站主体位于金陵东路和金陵中路下，骑跨西藏南路、柳林路，东起云南路，西至龙门路。本站为地下二层岛式站台车站，与地铁 8 号线“T”型换乘。其中，中间换乘节点 8 号线南端头井已建成投入使用。车站主体规模 227.0 m × 19.6 m，站台中心处顶板覆土约 2.48 m，底板埋深约 15.69 m。车站共设 2 个出入口，2 组风亭。基坑安全等级为一级，环境保护等级为一级，即围护墙最大水平位移 ≤ 0.14%H，坑外地表最大沉降 ≤0.1%H，H为基坑开挖深度。其中，东段施工段 B 区基坑尺寸为 12.0 m × 20.1 m，开挖深度 15.62 m，坑底位于第④ 层灰色淤泥质黏土与 ⑤1-1 层灰色黏土交界处，采用明挖顺作法施工，如图 1 所示。

图1 大世界站平面图

西藏路电力隧道位于西藏南路东侧，下穿某号线大世界站，处于车站东侧施工区 B 区正下方。电力隧道外径 3 200 mm，内径 2 700 mm。顶标高为 –13.098～–13.033 m，距离开挖面净距约 500 mm，车站施工过程中要对电力隧道进行重点保护。

1.2 电力隧道与大世界地铁车站 B 区关系

穿越段 B 区基坑上跨电力隧道，开挖面距电力隧道净距约 0.5 m，电力隧道两侧围护结构采用 800 mm 厚地下连续墙，深 35 m，墙底位于 ⑤3-1 灰色粉质黏土层，插入比为 1:1.23。电力隧道上方南、北两侧四幅地下墙为跷脚幅，短墙深 15.62 m，距离电力隧道顶 0.5 m，其余范围墙深 35 m。基坑内沿电力隧道方向分为 3 个基坑，采用全方位高压喷射工法(Metro Jet System，MJS)内插型钢形式进行分隔。内插 H 型钢。电力隧道上方桩深15.62 m，避开电力隧道范围桩深 35 m。基坑开挖施工时，MJS 内插型钢起分仓作用兼做电力隧道压重措施，避免因土方卸载造成电力隧道上浮。电力隧道与基坑 B 区位置剖面图如图 2 所示。

图2 电力隧道与基坑 B 区位置剖面图

2 工程特点、难点

大世界站东段施工段 B 区基坑下有 1 根 3 200 mm 的电力隧道横穿整个基坑，导致基坑南、北两侧地墙无法在电力隧道下方封闭。地墙插入比不足，且未隔断 ⑤2 层承压水，所以需要采取相应措施将电力隧道下方封闭，同时起到挡土受力及隔水作用。

此外，由于电力隧道距离车站基坑开挖面只有约 0.5 m，距离太近，上部基坑进行围护结构施工、土方开挖等施工都会对电力隧道稳定性产生影响，所以施工过程中需对电力隧道进行重点保护。

3 针对电力隧道保护要求对应的基坑开挖技术措施

3.1 型钢连接成整体

大世界站东区施工前，基坑正下方位置的电力隧道内部四周采用型钢焊接连接，将电力隧道连接成整体，增加整体抗浮能力，且管片接缝位置采用钢板焊接，减少不均匀沉降[2]。

3.2 地下连续墙施工

地墙施工前对电力隧道位置进行探孔。先根据图纸坐标，在场地内放样出南北两侧地墙范围内电力隧道位置。再用带三叶钻钻头的钻机进行探孔，探出电力隧道两侧及正上方位置及标高，场地内表明隧道位置，确保电力隧道位置准确。

车站围护结构在电力隧道位置采用跷脚幅的形式，地墙接头采用 H 型钢接头。跷脚幅短墙墙深 15.62 m，墙底距电力隧道顶 0.5 m。

（1）成槽前对成槽机司机进行安全技术交底。成槽时严格控制成槽深度，严禁超挖。电力隧道正上方短墙开挖至14 m 后，每挖一斗，人工复测一下成槽深度。若开挖过程中遇到障碍不能继续开挖，需及时上报，探明障碍物性质，方可进行后续开挖。避开电力隧道段跷脚幅施工时，注意控制与电力隧道的保护距离 0.5 m。

（2）严格控制导墙施工质量，包括导墙厚度、深度，跷脚幅位置导墙制作深导墙。导墙达到设计要求后方可进行槽段开挖，避免吊放钢筋笼、浇筑混凝土时，导墙产生下沉。

（3）成槽完成后，严格控制清孔质量，采用反循环法吸除沉积在槽底部的土碴淤泥，保证沉渣厚度在规范要求范围内，避免沉渣过厚造成后期地下墙沉降。

（4）严格按照设计要求埋设注浆管，并采取相应措施对其进行保护，保证注浆管通畅。待地下墙施工完成并达到设计强度要求后，按照设计及规范要求进行墙趾注浆。

（5）地下墙及后续开挖施工过程中，严禁将钢筋堆场等荷载较大的材料、设备堆场布置在电力隧道上方，减小地表沉降和地下墙沉降对电力隧道造成的影响。

3.3 液氮冰冻施工

地墙短墙下方未封闭段利用冻土作为围护结构受力及隔水。设计冻结板块有效厚度为 3.0 m，深度 35.0 m，地面9.1 m 以下局部冻结高度 25.9 m，平均温度T≤–15 ℃。南侧距地连墙 400 mm 的距离布置第一排 2 个孔深 35 m 垂直冻结孔，北侧距地连墙 300 mm 的距离布置第一排 2 个孔深 35 m 垂直冻结孔。南侧在与第一排间距 1 000 mm 处布置第二排 2 个孔深 35 m 垂直冻结孔，北侧因基坑外侧距既有 8 号线出入口间隙为 1 m，在与第一排间距 400 mm 处布置第二排 2 个孔深 35 m 垂直冻结孔。南侧在电力隧道正上方距地连墙外侧 313 mm 处布置 1 个孔深 15.7 m 垂直冻结孔，北侧在电力隧道正上方距地连墙外侧 905 mm 处布置1 个孔深 15.7 m 垂直冻结孔。冻结管选用φ127 mm × 5 mm 的 R304 不锈钢管。供液管规格选用φ32 mm × 3 mm的 R304 不锈钢管。

为准确掌握冻结温度变化情况，在南、北侧做地连墙时各预埋 3 个垂直测温孔，靠近地连墙处各布置 1 个垂直测温孔，每天监测。在南、北侧电力隧道内冻结壁范围共布置 12 个测点，每隔 7～15 d 监测一次，监测冻结壁的发展速度、分析计算冻结壁厚度及平均温度。垂直测温管选用φ60 mm×4 mm 无缝钢管。冻结孔剖面图布置如图 3 所示。

图3 冻结孔剖面布置图

3.4 坑内地基加固施工

电力隧道所在的基坑坑内采用 MJS 满堂加固。基坑南、北两侧各 4.2 m 范围内加固深度从第 2 道支撑至地墙墙底35.0 m 处，中间 11.9 m 宽度加固深度从第 2 道支撑至电力隧道底 3.0 m。基坑在电力隧道两侧底板下加设 700 mm 抗拔桩，全套筒施工，桩长 35.0 m，距离隧道净距 1 500 mm。

3.5 “弹钢琴”法施工

根据基坑开挖时空效应原理，为了尽量减小电力隧道上方土体卸载量，同时考虑现场作业条件，根据电力隧道穿越段基坑的开挖宽度、深度关系，在基坑内宽度范围内打设 2排 SMW 工法桩，作为分坑围护桩，将基坑分为 3 个独立的小基坑。

本工程采用了沿基坑纵向设置分隔墙，将大基坑划分为独立的小基坑，跳仓进行施工的方法。每一阶段小基坑开挖结构施工时，相邻小基坑尚未开挖或结构中板已完成，从而大幅提高了施工安全系数，减小了施工难度。具体施工流程如图 4 所示。

图4 电力隧道上方基坑“弹钢琴”法施工流程图

基坑设计为 4 道支撑，每个阶段小基坑第四道支撑以上土体分层盆式开挖并安装支撑，剩余最后一层土体约2.7 m，约 230 m³土方。为了减小隧道上方土体卸载和坑底的自由暴露时间，将隧道上方土体快速置换，必须确保从土体开挖到底板混凝土浇筑（土方开挖、垫层浇筑、钢筋绑扎、底板混凝土浇筑）在 72 h 内完成[3]。每层土方开挖计划表如表 1 所示。

表1 开挖进度安排表

4 监测数据及效果分析

4.1 监测数据分析

根据第三方监测数据显示，大世界站东段施工段 B 区基坑（正下方为电力隧道 165 环～178 环）2019 年 8 月开始进行清障，至 2020 年 1 月底地下连续墙完成、坑底加固施工完成为止，电力隧道的环片最大沉降位移为 –33.62 mm，环片最小沉降位移为 –20.69 mm，环片的平均沉降位移为–30.55 mm。电力隧道整体呈中间沉降最大，两边沉降最小的均匀沉降状态，但电力隧道环片沉降趋势基本一致。电力隧道环片相应数据曲线如图 5 所示。

图5 西藏南路电力隧道环片沉降数据曲线图

2020 年 3 月开始西藏南路电力隧道周边土体冻结施工，至 2020 年 7 月大世界站东段施工段 B 区基坑土方开挖及底板浇筑完成为止。电力隧道环片最大沉降位移为–29.48 mm，环片最小沉降位移为 –18.16 mm，环片的平均沉降位移为 –24.06 mm。电力隧道整体呈北侧沉降最小、南侧沉降最大的沉降趋势，与大世界站东段施工段 B 区基坑的开挖次序有一定的联系。由于前期西藏南路电力隧道周边土体冻结施工完成，导致电力隧道环片沉降速率较小，且趋势基本一致。相应数据曲线如图 6 所示。

图6 西藏南路电力隧道环片沉降数据曲线图

4.2 施工效果分析

本工程通过冻结西藏南路电力隧道周边土体及“弹钢琴”法施工，减弱了主动区的土压力对西藏南路电力隧道的影响。最终使得西藏南路电力隧道沉降在后期大世界站东段施工段 B 区基坑土方开挖施工期间较小，成功地减小了对西藏南路电力隧道的负面影响[4-5]。

5 结 语

本文为新建地铁车站上穿既有电力隧道过程中介绍一种效果良好的组合加固施工措施，重点在帮助城市地下工程建设过程中，如何尽可能减小对既有地下建筑物结构安全的影响。此方法的核心在于内外措施如何协调一致的组合达到最大效益，以及采用液氮冰冻进行地墙封闭止水的方案。希望本文能为今后同类工程的施工树立典型并提供借鉴。