软土地区低净空上跨运营地铁盾构区间隧道的基坑开挖施工技术研究

刘 雷，张岗平，徐启良，刘家俊

（浙江华东工程建设管理有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，城市人口的增加，城市地铁的建设蓬勃发展，各大型城市既有地铁线路均高达数百公里，地铁网络日益密集。在既有运行地铁附近或者上方修建建筑物已成为越来越多城市不可避免的问题，由于建筑物基坑开挖导致土体卸荷必然会引起对周边地层的扰动，致使地铁区间隧道隆起变形，严重威胁地铁隧道安全。为确保地铁隧道结构的安全，对地铁隧道的变形要求极为严格，其容许变形量与隧道的直径、管片结构及连接方式等密切相关。而投入运行中的地铁隧道结构位移可能产生轨道偏差从而影响线路平顺性，严重时将影响列车的运行安全，隧道容许变形量往往要求更严格。因此，既有运行地铁隧道上方建筑物施工技术的合理性、可行性以及对地铁隧道变形的控制措施是此类工程的重点和关键点。

本文针对杭州市文一西路提升改造工程项目施工的特点，通过对上跨已经运行的地铁五号线创景路-葛巷站盾构区间上方的快速路隧道基坑开挖方案研究，结合相关地基加固、基坑围护措施并采用二维计算软件进行基坑开挖模拟分析，提出适合软土区域类似项目的经济、合理、安全的技术方案。

1 工程概况

文一西路提升改造工程明挖隧道沿文一西路东西向布置，途经创景路路口需正交上跨杭州地铁五号线创景路站～葛巷站盾构区间隧道，区间隧道沿创景路成南北向布置，目前已正常投入运营。上跨隧道基坑桩号为k3+184.2～k3+229.4，基坑长43.7 m，宽29.3 m，深9.3 m～10.0 m，基坑底部距离地铁区间隧道顶部最小净间距为4.9 m，隧道结构为现浇钢筋混凝土结构。文一西路隧道基坑与杭州地铁五号线区间隧道相对关系见图1、图2。

图1 文一西路隧道基坑与杭州地铁五号线区间隧道相对关系平面图图

文一西路项目隧道基坑范围场地为湖沼积平原区，地貌类型单一，土层为典型的杭州地区软弱土层。上跨基坑处地质情况由上至下为：①1杂填土、③淤泥质粘土、④2粉质粘土与粉土互层、⑤淤泥质粘土、⑥1粉质粘土、⑥2粉质粘土、⑧4圆砾、⑩22强风化角砾岩、⑩23中风化角砾岩，各层土的物理力学性能指标见表1。其中上跨基坑主要位于：①1杂填土、③淤泥质粘土、④2粉质粘土与粉土互层土中。本场地承压水主要分布于⑧4层圆砾中，由图2可知上跨基坑位于承压水位以上。

表1 土层物理力学性能表

图2 文一西路隧道基坑与杭州地铁五号线区间隧道相对关系立面图

2 关键施工技术

2.1 地基加固及围护结构设计

上跨基坑位于5 号线隧道正上方，基坑长43.7 m，宽29.3 m，深9.3 m～10.0 m，采用钻孔灌注桩/双排桩+内支撑的支护体系，隧道两侧采用钻孔灌注桩，隧道上方采用双排桩。钻孔灌注桩桩径Φ1000 mm，间距1200 mm；双排桩桩径Φ1000 mm，间距1200 mm，两排桩间距3200 mm。位于隧道上方双排桩桩底距离隧道顶1.5 m，位于两隧道之间区域双排桩桩长25 m，其余围护结构钻孔灌注桩桩长均为25 m。基坑竖向共设两道混凝土支撑，支撑尺寸800 mm×1000 mm；基坑底采用MJS满堂强加固，水泥掺量40%，φ2200@1800，加固深度至隧道底以下3 m（隧道顶 1m，两侧1.5 m～2 m范围内不加固）；双排桩区域采用MJS强加固，加固深度从地面至隧道上方1 m；基坑以上第二道支撑以下土采用MJS满堂弱加固，水泥掺量20%。基坑底设置3 排φ1100抗浮桩，间距3 m，桩长25 m，桩底进入8-4圆砾层，桩基距离隧道最小净距约3.0 m。

图3 上跨基坑围护结构及支护平面图

图4 上跨基坑围护结构及支护纵断面图

2.2 基坑开挖施工技术方案

2.2.1 总体原则

本次施工以“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”为总体原则进行基坑开挖施工，基坑面积约1300 m2，分两次开挖到底：第一次开挖至第二道混凝土支撑底部，分成5 小块开挖，基坑挖至支撑标高后，6 小时内完成钢支撑架设，36 小时内完成砼支撑浇筑；第二次开挖至基坑底部，分成20 小块进行对称跳仓开挖，每块开挖后立即浇筑底板进行封闭，并于抗拔桩相连，每块底板达到强度后采用配重块增加堆载，确保土地均匀、均速卸荷，保持地铁盾构区间稳定。

2.2.2 第一次土方开挖

（1）基坑分层分块开挖，每层开挖深度不超过3 m，第二道混凝土支撑底部距地面约5.1 m，这部分土方分两层进行开挖，第一层开挖深度3 m，第二层开挖深度2.1 m。整体开挖顺序为：Ⅰ-①第一层、Ⅰ-②第一层、Ⅱ-①第一层、Ⅱ-②第一层、Ⅰ-①第二层、Ⅰ-②第二层、Ⅱ-①第二层、Ⅱ-②第二层、Ⅲ开挖。

（2）第二道支撑底部以上土方分两层进行开挖，Ⅰ、Ⅱ开挖时，采用一台PC200 挖机站在地面从北往南进行土方开挖，第一层开挖深度3 m，开挖出的土方直接装车外运；第一层开挖完成后，挖机进入坑内进行第二层土方开挖，开挖深度2.1 m，开挖的土方转运至基坑边，由站位于地面基坑边的另一台PC200 挖机装车外运。

（3）土方分层开挖时，先开挖的Ⅰ、Ⅱ处土方与后开挖的Ⅲ处土方按照1∶1进行放坡。土方开挖时，支撑下的土方进行掏挖。

（4）Ⅲ处土方开挖时，先采用PC200 挖机从北往南开挖第一层土（3 m），开挖一段距离后，另一台PC200 挖机进入基坑内，开挖剩余2.1 m深度土方，与第一台挖机形成台阶开挖，开挖出的土体由站位于地面的挖机装车外运。开挖示意图见图5。

图5 第一次土方开挖平面示意图

2.2.3 第二次土方开挖

（1）第二道砼支撑施工完成并达到设计强度后，开始进行基底以上土方开挖。该层土方按照Ⅰ-①…Ⅰ-④、Ⅱ-①…Ⅱ-④、Ⅲ-①…Ⅲ-④、Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④的顺序分块进行土方开挖。

（2）第二道支撑底至基底以上土方分层分块进行开挖，每层开挖深度不大于3 m，该层土方深度约4.1 m，分两层进行开挖，第一层开挖深度2 m，第二层开挖深度2.1 m。

（3）因该层土体部分施工了MJS工法桩，土体已经进行了提前加固，稳定性较高，因此该层土体开挖时各区块之间按照1∶0.3进行放坡，土方开挖时由站位于基坑内的PC200挖机将单个区块内的土体分层开挖到基坑底，并将开挖出的土体转移至基坑边，由站位于地面基坑边的另一台PC200挖机装车外运。对于Ⅳ-①…Ⅳ-④、Ⅴ-①…Ⅴ-④位置的土体，直接采用长臂挖机或液压抓斗进行该处区块土方开挖外运。

（4）每个区块开挖到底，分块施工垫层和底板，底板与抗拔桩相连，底板达到强度后，在底板上设置多块预制混凝土块进行反压，单块预制混凝土块尺寸1.5 m×1.5 m×1 m，单块重量5.625 t，确保压载不小于50 kPa后，再开挖下个区块。开挖示意图见图6。

图6 第二次土方开挖平面示意图

3 数值模拟

3.1 地铁区间隧道容许变形量

目前关于地铁隧道结构容许变形量研究较少，国内不同城市结合当地的建设工程经验给出了不同的标准。本项目位于杭州市余杭区，因此本次分析主要以浙江省工程建设标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》为准，从《规程》中可以看出，区间隧道的保护范围分2 个等级分别为控制保护区和特别保护区。本工程隧道上跨5 号线隧道，开挖部分位于隧道正上方，因此本工程位于杭州地铁5 号线区间的特别保护区范围，轨道交通结构安全保护等级为A级。

本工程上跨的地铁创景路站～葛巷站区间盾构隧道已运营，根据浙江省《城市轨道交通结构安全保护技术规程》规定，标准环错缝隧道，当水平位移、竖向位移、径向收敛等累计变形均小于30 mm，但某一项指标超过20 mm时，结构安全状况可划分为Ⅱ类，盾构隧道累计竖向位移控制值为10 mm，沉降控制值5 mm，水平位移5 mm，相对收敛5 mm。

3.2 数值模拟及分析

目前，计算机软、硬件技术飞速发展，许多地下工程理论得以数值实现。本次二维数值模拟采用Plaxis2 D岩土有限元模拟软件，计算主要是对区间盾构隧道进行二维数值模拟，并对围护结构及盾构隧道的位移进行验算。工况划分表见表1。

表2 二维模型分析工况表

由于模型分析步数较多，在此仅表述控制性的“工况 7、9、11、13”工况下模型水平、竖向位移云图，见图7。

图7 各工况水平、竖向位移图

表3 各工况变形统计表 单位：mm

4 结论

由palxis有限元软件模拟分析结果可知，文一西路隧道施工对杭州地铁5号线创景路站～葛巷站区间盾构隧道产生了一定影响，盾构隧道出现了一定量的水平位移、竖向位移以及收敛变形。随着隧道上跨基坑土方开挖，上方卸载，盾构隧道隆起增大，收敛量增大。随着开挖深度的加深，变形趋势加剧，隧道水平变形峰值受开挖分区与隧道位置关系出现一定波动。底板堆载对控制竖向变形具有一定效果。随着主体结构施工及覆土回填，隧道变形再次变小。总体结果显示隧道变形水平位移、竖向位移以及收敛值均在控制值范围内，隧道结构安全可控。本次开挖施工方法科学可行。

本次研究结果，解决了软土地区低净空上跨运营地铁盾构区间隧道的基坑开挖关键施工技术，可为软土地图同类型工程设计和施工提供有力参考和借鉴价值。