基坑非常规分块对盾构下穿的风险控制研究

余海兵

（腾达建设集团股份有限公司，上海 201204）

1 引言

随着城市建设的快速发展，基坑所处位置日趋闹市化（周围有大量构建筑物、地下管线错综复杂），基坑施工与其对周边环境影响的矛盾日渐凸显，尤其是在软土地区，该矛盾不仅出现在施工与环境之间，还出现在不同施工工程之间。通过回顾各种工程实例，由基坑施工引起外侧土体变形造成周边建构筑物和管线损坏的事件时有发生。例如，基坑非常规分块，需采用非常规的支护体系、非常规的开挖方式，这增加了基坑施工过程中周边环境保护的难度和突发事件产生的可能性。基坑的非常规分块施工使得结构回筑在时间上存在先后、空间上存在连接问题，极易使不同分块结构之间产生不均匀沉降，造成结构接缝漏水、周边环境破坏。再加上盾构穿越对结构的影响，各类因素综合叠加，更加体现出对这种特殊复杂基坑控制研究的意义。

为此，本文以东西通道工程为依托工程，针对纵向分坑的通道基坑施工过程中自身结构施工及盾构从通道结构底穿越推进过程中对已完成结构的影响进行技术分析，从盾构下穿推进过程中已完地道结构沉降风险控制、对非常规分块基坑结构产生差异沉降控制等方面展开研究，研究对于中心城区基坑施工控制和邻近施工工程具有重要的参考价值。

2 工程概况

东西通道DY1～DY2 基坑位于后续施工的地铁14 号线盾构区间上方，西接新建地铁14 号线车站结构（主体结构已完成），东侧向南开口连接出口匝道，基坑长50 m，宽28.8～34 m，开挖深度9.4～11.2 m。受管线影响，设纵向封堵墙分坑施工。后期地铁14 号线区间盾构沿地道方向从结构下方穿越。DY1～DY2 平面图见图1。

图1 DY1～DY2 平面示意图

本工程基坑外侧止水帷幕兼挡土墙采用Φ1000 型钢水泥土搅拌墙，三轴搅拌桩施工工艺同坑内加固三轴搅拌桩。受北侧围护管线影响，先施工南侧和中间围护，待南侧基坑施工完毕后施工北侧围护。采用非常规纵向设缝，分块施工。

根据基坑特点、周边环境条件和工程地质情况，为保证安全，控制基坑变形，对基坑进行一定范围的地基加固，加固采用Φ850 mm 三轴水泥土搅拌桩，桩间搭接250 mm。阴角采用三重管旋喷桩（Φ1 000 mm、Φ800 mm）进行加固，桩间搭接250 mm。加固范围分别于靠近侧墙5 m 范围、中间4 m 宽抽条加固，坑底加固深度为坑底以下3 m。西侧靠近已建14 号线车站11 m 范围为进出洞加固，加固深度为坑底至-22.8 m。

通道结构设纵向变形缝。南侧设置900 mm 厚内衬墙，北侧设置1 200 mm 厚内衬墙，顶板厚度为1 400 mm，底板厚度为1 400 mm。规划14 号线区间隧道距离结构底板4.65～5.42 m。结构横断面图见图2。

图2 结构横断面图

3 计算模型的建立

采用有限元分析软件分别建立DY1～DY2 基坑南、北两个结构与盾构区间相应的三维有限元模型，分别对盾构上下行穿越南、北结构过程进行数值模拟计算，得出穿越过程两个基坑的沉降模拟数据，通过模拟数据分析评价穿越过程对基坑结构的影响，便于设置预防措施。

现以基坑长方形为X 轴，以垂直基坑长边方向为Y 轴，竖直方向为Z 轴建立三维模型并进行计算分析。南北坑计算模型见图3。

图3 计算模型示意图

有限元数值模拟是基于一定的假设和模型简化进行的。其认为土层为均质水平分布，同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内。模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型4 个侧面均只有约束方向，其余方向自由无约束。通道基坑坑底主要位于灰色淤泥质粘土层，新建盾构区间位于灰色粘土层。

为准确地模拟基坑开挖过程中周边地表及围护结构的变形情况[1]，根据上下行穿越的不同工况，可采用动态模拟施工过程的计算方法。具体穿越分为两个时段：

初始地应力平衡，上行线盾构推进：穿越过程5 天。

下行线盾构推进：穿越过程5 天。

新建地铁14 号线区间盾构上下行施工间隔预计1 个月左右，先行施工上行线，根据施工经验，盾构掘进按平均每天8 环计算，则穿越北侧48 m 通道结构按5 天计算。上行线盾构进洞后，下行线推进到通道结构下方间隔1 个月，穿越南侧48 m 通道结构也按5 天计算。

4 盾构下穿前的措施

4.1 通道结构沉降观测

在基坑设计时，在考虑基坑本身安全的同时，应尽量减少施工对邻近设施的影响。基于预留反压土台的分段、分层、分阶段开挖方法，可在不增加造价的同时有效控制基坑变形。当各种原因引起的结构间沉降差异超过安全控制允许值，当检测数据即将达到安全控制允许值时，一般采取改变挖土速度、改变挖土顺序位置、加临时钢支撑、个别地方可采取注浆和补强加固等措施进行控制。当控制后监测数据变化速率在可控范围内时，可在开挖最后一层土时加快基坑落底，及时浇筑混凝土垫层，并根据现场情况可适当增加混凝土垫层厚度，加快结构底板制作。在底板砼浇筑完成后，及时在底板设置沉降控制点，根据沉降数据指导施工。可控制上部结构施工荷载或停止上部结构施工进行沉降差异的控制，确保整个施工过程的安全。现场结构底板监测点布置图见图4。

图4 底板沉降监测点布设图

考虑到结构设纵向变形缝，在规划地铁区间隧道下穿土层时，隧道上方土体由于隧道掘进过程中的土层损失而出现沉降，土层越深，越接近隧道，土层的竖向变形越大，而且上下行隧道掘进产生的土层沉降变化不尽相同，从而对上方南北两个通道结构的影响也不尽相同。通过对变形缝南北两侧通道结构分别进行沉降观测，确定二者差异沉降值，对因隧道下穿引起的地道结构风险控制起到至关重要的作用。

4.2 设置注浆孔

在地铁盾构隧道中心轴线正上方及两隧道中心连线中点的正上方通道底板处共预留3 个注浆孔[2]（兼作卸压孔），沿纵向间距2 m 设一组注浆孔横断面，以满足盾构推进时通道底板下注浆充填的要求，控制通道沉降和隆起，确保通道结构安全。

预留注浆孔采取2 寸钢管预埋在底板内。为避免预埋钢管处通道底板渗水，预埋钢管设置两道止水钢板，钢管距底板底应保留250 mm 厚的混凝土结构，后期注浆时放入注浆管时凿除。

5 穿越过程中的模拟

5.1 上行线盾构推进

地铁区间上下行线施工间隔1 个月左右，先行施工上行线。上行线盾构从东向西推进，穿越地道结构用时5 天。从数据可以看出，盾构穿越第一天即图5第一天中，北地道结构东侧沉降点N2 沉降数据为1.7 mm，相应位置南地道沉降点S1 沉降数据为1.6 mm。二者差异沉降较小，且距离盾构区间隧道距离越近沉降数据越大。图5第二、三和四天中，随着盾构推进，日沉降量最大值西移，盾构穿越后地道日变化量趋缓。图5第五天中，盾构已经穿越地道结构投影，沉降日变化量越来越小，脱离盾构区间推进的影响，累计沉降量逐渐趋同。

图5 上行线盾构下穿南北结构沉降数据对比图

5.2 下行线盾构推进

下行线盾构到达通道结构前，通道结构沉降数据趋于平稳。下行线盾构穿越沉降数据见图6，沉降数据变化趋势与上行线相似，下行线沉降数据大于上行线，但二者差异沉降较上行线小。随着盾构推进，日沉降量最大值西移，但相对于上行线变化偏小，盾构穿越后地道日变化量趋缓。

图6 下行线盾构下穿南北结构沉降数据对比图

根据模拟数据分析，地铁盾构区间下穿对基坑沉降造成一定影响，地道南北基坑得益于抗拔桩、地基加固及进出洞加固等措施已提前考虑盾构穿越。本次基坑在盾构穿越过程中总体沉降未超过10 mm，差异沉降未超过5 mm。故穿越影响较小，且南北基坑的差异沉降控制较好。根据现场监测成果，实测沉降值变化趋势与模型数值分析沉降值基本吻合。本工程的沉降控制措施及最终达到的控制指标对后续类似工程具有一定的参考意义。结合本工程实际经验，相关参数可作为类似盾构下穿引起基坑沉降的管控指标，基坑整体沉降为10 mm，差异沉降为5 mm。但仍需盾构穿越前做好预防准备措施，包括对地道结构纵缝出现渗水等破坏现象的封堵、使用注浆孔进行注浆补救等准备措施。

6 结论与展望

①相关部门要根据地质情况、工程特点及周边建构筑物等，合理地进行施工作业。通过数据指导来确保基坑围护及结构的稳定，同时，可以有效地控制周边建筑物和管线的沉降和变形。

②新建隧道穿越地铁车站、地下通道、地下管线等进行“近接”施工时，首先对既有构建筑物进行安全评估，提前做好穿越前的各种施工措施；其次通过有限元等方法进行数值计算，预测该地道的变形量，通过变形量评估地道结构的安全性，进而确定盾构推进过程中的变形控制指标；最后在盾构隧道穿越过程中进行变形监测，通过监测数据来验证盾构穿越对既有构建筑物的影响，确保该影响在安全可控的范围内[3]。

③利用有限元数值模拟分析方法对盾构推进过程进行数值模拟分析，可以实现对推进过程中的各个重点部位进行超前了解，从而有效指导现场施工。

④通过模拟数据分析，地道对盾构穿越采取必要的加固、留注浆孔等安全措施，确保措施安全有效，并在后期结合现场实测数据加以论证，为类似穿越工程提供有效的施工借鉴。