盾构隧道上方基坑施工关键技术

陈 欢

（长沙市轨道交通集团有限公司，湖南长沙 410000）

1 引言

目前研究显示，开挖面以下土体在基坑开挖过程中呈现出垂直卸荷作用，可能引发坑底土体发生回弹；且在土体压力下，基坑围护结构促使基坑开挖面之下的结构朝着坑内发生位移，对坑内土体进行挤压，进而增加坑底土体应力，促使土体向上隆起[1]；基于此，掌握和应用盾构隧道上方基坑施工关键技术尤为重要。本文结合工程实例，针对盾构隧道上方基坑施工关键技术进行分析研究，具有重要现实意义。

2 工程概况

长沙市轨道交通5号线1期工程高桥北站—芙蓉区政府站盾构区间（以下简称“高芙区间”）下穿人民路处规划有下穿隧道一条。节点主体结构设置双向4车道，中间采用中隔墙分开。人民路下穿隧道节点平面尺寸30.4 m×22.4 m，节点基坑采用明挖法施工，支护为钻孔灌注桩+双排旋喷桩。主体结构底板下设桩基础；桩基础兼做基础桩和抗拔桩；桩基础同时避开5号线和6号线区间隧道。本节点处各构造物位置关系从上至下依次是：人民路下穿隧道、5号线区间隧道、6号线区间隧道；节点主体结构底板与5号线区间隧道净距约1.3 m。综合考虑工期、管线改迁、围护结构稳定性影响，选择盾构施工完成后再进行节点施工。

3 工程地质和水文条件

高芙区间隧道结构拱顶地层主要为混凝土路面和杂填土；洞身地层主要为粉质黏土，粉细砂；隧底地层主要为卵石。本区间场地工程地质条件、水文地质条件均属中等复杂。地下水类型主要为第四系松散层中的孔隙水。含水层厚度在1.8～5.6 m之间，以卵石为主，局部为粉细砂和圆砾，地下水具承压性，而上层滞水及基岩裂隙水水量甚微。临近芙蓉区政府站地段孔隙水对隧道施工影响较大。根据长沙区域水文地质资料、场地土层及地下水的赋存条件，本区间地下水类型为松散岩层孔隙水及红层孔隙裂隙水2大类型。其含水层厚度为2.1～8.1 m和0.9～8.5 m。地层水水位年变化幅度为3～4 m。本工程处地下水水位在地面下2 m左右。

4 工程重难点分析

（1）在盾构隧道施工完成后，本基坑在其上方施工。盾构隧道上方围护结构无法穿过管片，导致此位置处围护结构无法入岩，呈现不稳定状态。因此，需对隧道正上方围护结构采取特殊措施，保证基坑的整体安全性与可靠性。

（2）止水帷幕在盾构管片穿越段无法施做隔水层；基坑在隧道穿越段处的防水结构不能做到完整封闭，地下水不能被完全阻隔，导致地下水渗入基坑；基坑在开挖过程中存在风险。

（3）受基坑开挖卸荷与地下水的影响，盾构隧道管片存在上浮的风险。管片上浮原因有2个：第一，随着基坑土体开挖，隧道上部开始卸荷，周边围岩的原始应力场发生改变，围岩在无约束和无加固状态下会发生应力调整，然后再次达到平衡[2]，围岩在应力再次平衡过程中会发生变形，从而使位于围岩里的隧道一起发生位移变形，导致管片受挤压而发生上浮；第二，本基坑所处位置地下水水位较高，位于地表以下2 m左右，本基坑在隧道附近处止水效果比较薄弱，不能完全达到截流效果，因此地下水在基坑施工过程中的水位一直处于较高位置。当基坑土层的开挖卸载，盾构隧道上部抗浮力逐渐减小，管片从而发生上浮[3]。

5 围护结构稳定性措施及验算

为保证围护结构整体稳定性，该节点基坑开挖时设置3道支撑。第一道支撑为钢筋混凝土冠梁支撑；第二、三道加强钢筋混凝土连接梁将隧道顶部短围护桩与其周围长围护桩连接成整体；第二道支撑在两洞门中心处各架设2根钢支撑；第三道支撑在角部设置钢筋混凝土斜撑，围护结构如图1所示。

本基坑安全等级为1级，安全系数1.1。为验证围护结构的稳定性，采用专业软件对基坑开挖、支撑实际工况进行模拟，分析开挖工序过程中的最不利工况情形，便于指导施工。

开挖过程中模拟工况显示，开挖至距原地面4.5 m 位置，第一道连接加强环梁之前，围护结构变形很小，最大变形量为4.66 mm ；第一道连接加强环梁及第一道内撑之后，开挖至8 m 位置，第二道连接加强环梁之前，围护结构变形最大位置在短围护桩底，最大变形量为13.18 mm，在可控范围内；第二道连接加强环梁及第二道内撑之后，开挖至基坑底位置，围护结构变形最大位置在基坑长边中心位置，最大变形量为8.81 mm，在可控范围内，具体情况如图2所示。

基坑开挖到底时，围护桩弯矩最大值为499.9 kN · m。隧道顶短围护桩底部弯矩较小，计算配筋合理；环梁弯矩最大值为1706 kN · m，位于第一道连接加强环梁四角，隧道顶短围护桩范围弯矩较小，详见图3。

支撑拆除时模拟工况显示，拆除第二道支撑时，最大弯矩为 410.3 kN · m，桩承载力满足要求，基坑稳定；拆除第一道支撑时，最大弯矩为 499.9 kN · m，位于短桩中心附近，详见图4。

综上所述，基坑开挖过程和支撑拆除时的工况模拟实验结果显示，本基坑围护结构整体稳定，开挖过程及拆撑过程中围护结构变形满足要求，内力大小适中，基坑稳定安全。最危险工况为从距地面4.5 m开始继续下挖至第二道支撑生效前；此过程基坑围护结构变形最大，需严格按照相关方案及技术要求进行施工，并加强监测。

6 施工措施

6.1 测量准备

盾构隧道贯通且成型稳定以后，组织测量人员对基坑范围内的每环盾构管片的中线位置、边线位置、隧道外径标高等参数以及原始地面标高进行测量，整理成原始数据。测量计算次数不少于3次，以确保相关数据的真实性与准确性。

6.2 设备选择

本基坑围护结构施工时需尽量减少对管片的压力；在灌注桩施工工艺中，正循环与反循环施工工艺是对地层扰动最小、对管片压力最小的工法。但由于基坑西侧位于高架桥之下，桥下净空高度9 m，施工时桥下净空不满足正循环或反循环施工桩机的机械高度；故而不能采用正循环与反循环的施工工艺。

根据钻孔灌注桩的技术要求和场地内的工程地质状况，钻孔桩拟采用小型旋挖钻机成孔；该钻机通过钻斗的旋转、削土、提升、卸土，反复循环而成孔，适用于黏性土、粉质土、砂土等土层施工，并具有功率大、钻孔速度快、移位方便、定位准确、工作效率高、噪声小、环保的特点[4]。

人民路节点基坑西侧侵入万家丽高架桥下约6 m；桥下区域范围内共有32根桩。结合芙蓉区政府站车站围护结构的施工经验，桥下范围内的围护桩施工采用山东利达工程机械有限公司所产的DL-190履带式旋挖钻机；此机械在多种基础工程中应用广泛[5]，适用于砂土、黏性土、粉质土以及部分含卵石地层，最大成孔直径1400 mm，最大成孔深度20 m，满足围护桩桩径800 mm，桩深14.8 m的施工需要。机械尺寸大小为 9 m×2.6 m×3.1 m （最大展开尺寸）；在路面破除以后，此旋挖机展开后的尺寸大小满足在高架桥下的净空9 m的施工条件，并且与传统大型旋挖机比较，有更多优势。

高架桥下的围护桩施工受桥下净空的的影响，桥下围护桩需分多节吊装；每节钢筋笼长度按照实际情况以3～5 m一节吊装施工[6]。由于桥下围护桩钢筋笼分节较多，需严格控制钢筋笼的焊接接头施工，采用双面焊进行焊接搭接，焊缝长度不小于5d（d为钢筋直径）；焊接时需按照工艺规范进行焊接并及时检测；检测通过以后方可继续进行焊接施工。

6.3 围护结构施工措施

（1）对施工场地进行平整，机械设备行进区域进行地面硬化，使地基坚实稳定，确保桩机在施工过程中不会因地基沉降而发生倾斜与剧烈晃动，同时保证围护桩的垂直度，确保围护桩不侵限。

（2）盾构隧道正上方围护短桩施工时，选用振动小的小型旋挖钻机，将桩底标高与隧道顶距离控制在50 cm；这样既能减小围护桩施工对管片的扰动，又能保证万家丽高架桥下方围护桩施工时的净空要求。

（3）每根桩成孔前，对孔位进行定位，严格控制位置偏差。成孔前用铅垂线、水平尺等工具对桩机垂直度进行矫正，保证桩机垂直。

（4）围护桩施工前，按照测量整理出来的高程、位置数据，计算出每根桩的施打长度，在成孔过程中安排专人对孔深进行测量与记录。孔深的测量采取钻杆长度预判，测绳实际测量的方式进行高程控制。在施工前，在钻杆上标示出长度；在施工过程中，遵循两铲一测量的原则。钻杆标示的高程用于预判钻头离管片的距离，然后用测绳实测孔深。测绳端部宜悬吊质量较大的圆锥体，防止孔底沉渣带来的误差，保证管片安全[7]。

（5）洞门两侧桩在定位时适当外放，保证围护桩与管片的净空距离。洞门两侧桩在施工过程中实时调整桩机垂直度；每完成一铲挖掘，进行一次桩基垂直度验证，保证洞门两侧桩不发生倾斜，从而保证桩机钻头不会打到隧道管片，保证管片安全。

6.4 止水帷幕封闭措施

为保证止水效果，基坑止水帷幕采用双排旋喷桩，从隧道内向外注浆加固隧道外土体，开挖时对桩间进行喷锚支护。

（1）根据工程情况,旋喷桩采用两重管高压旋喷，双排布置。第一排采取桩间插桩，桩径为800 mm，桩中心间距1000 mm。第二排采用桩径800 mm，桩中心间距600 mm的咬合桩帷幕的形式。旋喷桩采用PO.42.5普通硅酸盐水泥，长度为12.5 m；位于隧道断面范围的旋喷桩无法施工到基坑底部。

（2）盾构隧道在基坑区域内采取特殊设计的管片，通过管片上的预留注浆孔从隧道内向外注浆；注浆加固范围为管片外3.0 m。 围护结构短桩两侧各4环管片采用全环注浆加固；基坑范围内其余隧道部分采取上部注浆加固。加固管片外土体，既能有效阻隔地下水，保证止水效果，又能加固基坑底及被动土压区土地并稳固隧道，防止基底变形，同时又加强围护结构的稳定性，控制管片的上浮，增强了基坑与隧道的安全性及稳定性[8]，如图5所示。

（3）在基坑开挖过程中，随着基坑的开挖，进行桩间挂网喷砼施工；开挖多少，网喷多少。钢筋网采用φ8@150 mm×150 mm，喷射混凝土采用100 mm厚C20P6早强抗渗混凝土。桩间挂网喷砼在提高桩间土体稳定性的同时还增强了基坑围护结构的抗渗能力，能弥补、减少由止水帷幕可能出现的施工缺陷造成的渗漏水，从而减轻基坑施工过程中地下水造成的影响。

6.5 管片抗浮措施

解决管片上浮主要考虑3方面措施：一是施工时减少对隧道管片土体扰动，二是对盾构隧道周边土体进行约束，三是减小地下水的影响。

（1）盾构隧道施工在通过基坑下方区域时，优化盾构机掘进参数，减缓推进速度，降低推力，保证土压，并控制每环出渣量，使盾构机匀速、平稳通过此区域；从而降低隧道施工对土体扰动，不改变其物理力学性质，确保该区域土体的稳定[9]。

（2）做好盾构隧道洞内的注浆工作，加固基底土层，提高土体强度，改善土体的物理力学性质，使其能更好约束隧道的同时减小了由于上部卸荷造成的土体变形，从而减少隧道管片上浮情况。

（3）基坑施工前，在基坑下方隧道内（向两边各延伸10环管片长度）架设双拼的25c @1200工字钢作为临时支撑，用于加固、连接管片，增强此区域内管片整体性[10]。基坑开挖卸荷的同时，在隧道内堆载加压，利用增加配重的方式防止管片上浮[11]。由于轨道道床施工后再进行交叉节点施工，可能会出现管片变形引起道床开裂；因此，不考虑利用道床加载，在交叉节点施工后再进行道床施工。洞内堆载加压选用沙袋，配重范围为基坑范围外延各3环管片距离。端墙采用三七砖墙砌筑，并外抹砂浆。为保证端墙的承重能力，端墙背后堆载3 m宽的梯形沙袋抵抗侧压。配重卸载在结构底板完成以后进行逐步卸荷。堆载施工作业流程为：端墙砌筑→端墙抹面→端墙后堆载→逐环堆载沙袋→卸荷及端墙拆除。按照设计要求，每环管片配重不小于150 kN，每榀钢架重量1.5 t；则实际每环需加设13.5 t。砂子密度为1.3 t/m3，则实际隧道内每环加设10.5 m3沙袋。根据计算，当沙袋堆积1.9 m高时，每环堆积10.8 m3，合计 14.04 t≥13.5 t，满足要求。

（4）土体的变形存在“时空效应”，即随着基坑的开挖，基坑内原有土体间的平衡会被打破，基坑下部土体会因为上部土体挖除，卸掉荷载，释放应力，最终导致基底土体隆起变形。而此开挖过程中的每个分布开挖区域的空间大小、开挖暴露处的无支撑时间长短均会对变形有影响。在一次开挖到第一道支撑位置后，及时施工环梁与钢支撑。随后的开挖采取抽条开挖的方式进行；抽条开挖可以减小由于土体一次卸荷引起的土体回弹位移，而且可以降低对土体的扰动，从而控制与减小隧道的上浮[12]。

（5）减小地下水对管片上浮的影响。加强盾构隧道内的注浆，尤其在隧道上方短桩处进行多次环形注浆，以达到堵截地下水的效果[13]。在基坑外侧设计截排水沟，阻隔地表水的影响。基坑开挖时打设降水井或进行集水明排的方式对坑内进行疏干，降低地下水水位，减小浮力，从而减轻管片上浮。

6.6 基础桩施工

节点二次结构位于隧道上方且底板距离隧道顶部仅有1.3 m。为避免结构承载力直接作用于盾构隧道管片，需施做结构基础桩，利用桩基础将结构承载力传递至基岩[14]。本工程设置12根基础桩，分别沿二次结构边墙内边线及中隔墙中线布置。基础桩为C35混凝土灌注桩，桩径为1000 mm，桩长为7 m，基础桩平面布置如图6所示。

受施工场地及内支撑限制，基础桩无法在基坑开挖到底后施做，故与围护结构灌注桩同时从地面施工[15]。

7 结论

基坑在盾构隧道上方施工时，通过增加支撑确保围护结构整体性，采用抽条开挖减少对周边土体的扰动，对盾构隧道周边土体进行加固来约束暴露土体，有效堵截地下水，阻止盾构隧道管片上浮，保证基坑施工时的安全及盾构隧道的稳定性，为整个工程质量奠定基础，以促进隧道工程可持续发展。