上跨地铁运营线基坑施工对隧道变形控制研究

段 超

(中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，陕西 西安 710054)

1 概述

随着国家对地下空间的进一步开发与利用，城市地铁迅猛发展，截止到2020年底，我国地铁总里程数已达4 511.3 km。地铁数量及规模的增加，使得大量深基坑开挖近接既有运营地铁线路的情况不断涌现，如不能有效控制基坑开挖对既有运营隧道的影响，极易导致隧道的变形失稳，进而带来一系列安全事故[1-4]。因此，准确预测和有效控制基坑开挖对既有近接隧道的影响已成为城市安全建设的决定性因素。

近年来，诸多学者针对基坑开挖对下卧地铁隧道的影响展开研究，吴剑秋等[5]以深圳地铁11号线为背景，利用有限元软件Plaxis 3D研究了“跳仓法”及施作转换板结构对下卧隧道变形的影响；陈仁朋等[6]研究了地下通道开挖过程中下卧隧道的上浮规律；郑刚、温锁林、李健津等[7-9]则针对基坑施工对下卧运营隧道的变形提出了一系列的控制措施，并利用数值模拟的方式进行验证；魏纲[10]分析了多个基坑开挖对下卧隧道的变形影响，并依此提出了隧道最大隆起量的经验预测公式。刘国彬等[11]结合软土地基变形计算方法，提出了考虑时空效应的控制基坑下隧道上浮变形的方法。

综上，关于基坑开挖对下卧隧道的变形影响已有大量研究，但对于基坑开挖对密贴下卧既有运营地铁隧道的影响及上浮控制措施却鲜有报道。本文依托西安地铁火车站站修建工程，通过对既有隧道两侧土体加固、设置临时抗浮梁、分段开挖及预留核心土反压等措施，辅以在全程中对隧道变形采取自动化监测，分析了基坑开挖对密贴下卧既有运营地铁隧道变形的影响。研究成果可为类似工程的修建提供参考。

2 工程概况

西安地铁四号线是一条已运营的西安市轨道交通骨干线路，北起于未央区北客站，终点止于长安区航天新城站，全长35.2 km，均为地下线。火车站站为地铁四号线的一个换乘车站，受西安火车站整体改造的影响，暂未开通。火车站站工程主要分两期进行，其中二期工程包含明挖车站主体、附属风亭、通道、换乘通道及车站与一期既有隧道的联络通道，分为南北两侧施工，平面布置见图1。北侧地铁施工主要包含明挖车站主体A区、地铁Ⅲ号出入口、换乘通道及联络通道。南侧地铁施工主要包含明挖车站主体B区、地铁Ⅱ号通道、地铁Ⅰ号(南广场)出入口、1号风亭、安全疏散通道及联络通道。

火车站站Ⅲ号出入口为地下一层箱型框架结构，基坑长36.1 m，宽37.035 m，底板埋深约为11 m，采用明挖顺作法施工，横跨已运营的地铁四号线隧道。Ⅲ号出入口通道底板距离隧道拱顶初支最近只有80 mm(见图2)，施工过程中极易导致运营中的地铁隧道上浮，抗浮控制直接关系到四号线运营安全。此外，车站所处地段，地质条件复杂，多为饱和软黄土，地下水位较高，降水难度大，基坑开挖易产生变形失稳，工程地质剖面见图3。

3 既有隧道两侧土体加固措施

3.1 旋喷桩地基加固措施

在Ⅲ号出入口修建时，对既有的四号线隧道两侧土体进行了加固，加固区域如图4所示。常用的地基加固方案主要有基底满堂加固和隧道“门式”加固两种类型，考虑到本次工程的复杂性，为减小临近施工对已有运营隧道的影响，采用基底满堂加固。加固采用三重管高压旋喷桩，桩径为800 mm，浆液采用强度等级为P.O42.5的硅酸盐水泥浆，加固深度16.1 m，具体桩体布置如图5所示。

在施作旋喷桩加固土体时，水泥浆液被喷射到桩体周围的土体中，能填充土体内部的孔隙，使土体相互咬合连成整体，提高了地基土体的强度和刚度，控制基坑变形。同时地基加固可有效解决地基土体的回弹问题，有利于控制基坑下方隧道的上浮。

3.2 临时抗浮梁措施

除采取地基加固措施外，工程中还设置临时抗浮梁来平衡基坑开挖卸荷后地铁四号线隧道产生的浮力。在基坑开挖至设计标高后，迅速施作垫层、防水层及Ⅲ号出入口通道结构底板，然后在通道底板之上施作1 200 mm×1 000 mm的抗浮梁与φ1 200 mm抗拔桩，使抗浮梁与抗拔桩连成整体，抗浮梁和抗拔桩剖面如图6所示。待整个Ⅲ号出入口通道施工完毕，回填上覆土后，拆除抗浮梁。

如图6所示，抗拔桩和抗浮梁紧密固接，组成一种类似于“门字形”结构，将既有的四号线隧道牢牢锁进土体中。当隧道上浮时，其对抗浮梁产生向上的浮力，而抗拔桩对抗浮梁则产生向下的拉力，这两个力互相抵消，达到了力的平衡。抗拔桩主要为钻孔灌注桩，桩身和土体紧密接触，土体对桩产生摩擦力作用，达到了抗拔的效果。

4 分段及预留“核心反压土”开挖措施

4.1 基坑分段开挖

火车站站Ⅲ号通道采用明挖顺作法施工，在基坑未开挖之前，隧道结构整体平衡，不会产生结构损毁变形。若对基坑采取一次性全部开挖施工，会使四号线隧道上覆土层压力骤然消失，压力失衡导致隧道结构产生上浮变形破坏。故在实际施工中为保证四号线运营安全和Ⅲ号通道施工安全，采取分段开挖方式修建Ⅲ号通道，即将整个Ⅲ号通道施工过程分三个施工段、五个步骤进行，具体的开挖施工步骤为：

第一步：施工基础桩、抗拔桩，加固隧道两侧土体，当基坑降水至设计标高时开挖第一个施工段。基坑右侧按照2级自然放坡开挖，开挖过程中，由上而下破除附属与主体连接部位围护桩、止水帷幕以及国铁三角区支护桩、止水帷幕，直至开挖至坑底设计标高，割除暗挖隧道管棚及锚杆，如图7所示。

第二步：待第一施工段挖至设计标高后，迅速施工垫层、防水层及通道结构底板，并在第一施工段施工1 200 mm×1 000 mm抗浮梁和φ1 200 mm抗拔桩，及时封闭基坑底部，如图8所示。

第三步：待第一施工段底板及抗浮梁达到强度后，开挖第二施工段，开挖至设计标高后迅速施工垫层、防水层、通道结构底板、桩基承台和第二施工段抗浮梁，及时封闭基坑底部(同时施工第一施工段侧墙、顶板)，待第一施工段结构达到要求后，回填第一施工段覆土，如图9所示。

第四步：待第二施工段底板及抗浮梁达到强度后，开挖第三施工段，开挖至设计标高后迅速施工垫层、防水层及通道结构底板，及时封闭基坑底部(同时施工第二施工段梁、柱、顶板)，第二施工段结构达到要求后，回填第二施工段覆土，如图10所示。

第五步：施作第三施工段梁、柱、顶板、侧墙，待混凝土强度达到设计要求后，回填剩余基坑，停止降水，拆除抗浮梁，如图11所示。

4.2 预留核心反压土

此外，在分段开挖的基础上，为减少下卧隧道暴露时间，现场采取“预留核心反压土”的方法组织开挖(见图12)，即在分段开挖时，预留下卧隧道上方范围(宽为隧道边墙以外1 m，高4 m，长为每一段开挖的基底长度)反压土，先行组织两侧土体开挖、平整及垫层施工，最后集中开挖预留反压土部分及此范围的垫层施工。此措施充分利用“时空效应”原理，最大程度减少隧道在开挖阶段的暴露时间，从而控制和减少上浮变形。

5 隧道自动化监测措施

5.1 自动化监测系统简介

本次监测采用测量机器人自动化监测系统进行，系统由测量机器人(徕卡TS60/TS50/TM50磁悬浮式自动化全站仪)、信号控制器和工业用计算机组成，其系统工作流程如图13所示。该系统可在无人值守的情况下，实现全天24 h自动监测，克服了传统测量方法的不足，具有测量精度高、测量结果准确，自动进行数据处理、数据分析、报表输出及提供图形等优点。

5.2 隧道监测方案设计

于火车站站二期工程施工期间，根据主要(0 m～15 m)和次要(15 m～42 m)影响分区在既有四号线隧道部分布置测点，自动实时监测地铁隧道的变形情况。其中，二期工程北侧施工时，既有四号线隧道左线ZDK17+712～ZDK17+991,既有隧道右线YDK17+762～YDK17+995为基坑影响区，其中主要影响区隧道里程为：左线ZDK17+746～ZDK17+977,右线YDK17+788～YDK17+963。在基坑主要影响区按5 m间距，局部地区按3 m间距，次要影响区按10 m间距布设隧道监测断面，如图14所示，则在隧道左线计有56个监测断面，主要影响区47个；右线计有44个监测断面，主要影响区32个。在各隧道监测断面布置传感器，主要进行如表1所示的监测内容。

表1 地铁隧道自动化监测项目、测点布置及监测精度

5.3 监测数据分析

由图14可知，Ⅲ号出入口施工时，主要对左线运营隧道产生影响，其影响的隧道左线里程为： ZDK17+806～ZDK17+841。该里程内共布设8个隧道监测断面，在各监测断面内于拱顶布设竖向位移监测点，测点编号与隧道里程号一一对应，为Z806～Z841。本项目监测日期始于2020年9月12日，截止于2021年3月22日，监测跨度达192 d，为减少工作量及控制文章篇幅，每隔7 d选取一组数据，计27组数据，分析Ⅲ号出入口施工时左线隧道拱顶沉降变化情况，如图15所示。

从图15可知，Ⅲ号出入口施工期间，地铁四号线左线隧道表现出先上浮后下沉的现象。其中，从2020年9月18日到2021年1月22日，隧道持续上浮，于2021年1月22日前后隧道拱顶沉降累计值达到峰值，约为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趋势，并在2021年3月19日前后拱顶沉降累计变化值保持稳定。该现象说明，Ⅲ号出入口施工过程中，随着基坑开挖等工作的进行，隧道上覆荷载减小，隧道不可避免的发生上浮现象，但通过采取地基土体加固、设置临时抗浮梁及分段开挖等措施，隧道的上浮总体可控，其最大上浮量仅3.3 mm，低于控制值3.5 mm，隧道运营安全。随着Ⅲ号出入口主体结构施作完毕，上覆土体回填，隧道又在缓慢下沉，直至稳定。

6 结论

依托西安地铁四号线火车站站上跨既有运营隧道工程，通过地基加固、设置临时抗浮梁、分段施工等措施控制隧道上浮量，辅以施工全过程自动化监测来反馈施工，主要得出如下结论：

1)于施工中采取旋喷桩加固土体及设置临时抗浮梁等措施，可增强土体刚度和强度，平衡土体卸荷时隧道上浮力，减小隧道上浮量。

2)采用分段和“预留核心反压土”的方法组织开挖，最大限度的控制隧道挖土卸荷后的暴露时间，避免了隧道上覆土体突然卸载危及运营隧道安全和基坑施工安全。

3)施工过程中，自动化精确监测系统可实时监测隧道沉降情况，监测结果显示隧道拱顶上浮量呈现先升后降的趋势，最大上浮量仅为3.3 mm，在合理区间内，施工完成后隧道下沉，且趋于稳定。