海沧海底隧道上跨基坑开挖对隧道的影响

张建斌

厦门路桥工程投资发展有限公司，福建 厦门 361026

0 引言

厦门第二西通道海沧海底隧道是国内第3座以钻爆法施工的海底隧道，是连接厦门岛外海沧区和厦门本岛的重要交通公路。由于海底地质条件复杂，易出现安全事故，而且在海沧海底隧道石鼓山立交段需上跨厦门地铁1号线区间隧道，施工难度很大[1]。为尽量减少对运营地铁隧道的影响，通过建立精细化数值计算模型，预测基坑开挖地下区间隧道竖向位移；重点控制钻孔桩施工，坑底注浆加固，采用分层分块开挖，加强地下区间隧道监测，在区间隧道内建立自动化监测，辅以人工校核手段，有效控制地铁区间隧道的隆起[2-3]。

1 工程概况

本项目上跨地铁明挖基坑地处厦门本岛石鼓山立交段，该路段是岛内外互通的咽喉，交通极为繁忙，基坑平面位置如图1所示。基坑开挖深度约为13 m，围护结构采用钻孔灌注桩、1道混凝土支撑、2道钢支撑，其中隧道上方桩长15 m，距隧道拱顶约2.4 m，隧道两侧桩长21 m。基坑止水采用直径800~1 000 mm高压旋喷桩止水帷幕，坑底用袖阀管注浆加固，按1 000 mm×1 000 mm梅花型布置，加固厚度为4 m。上跨基坑为典型非对称偏压基坑，西侧紧邻嘉禾路主干道，基坑场平标高与道路标高差3~4 m，道路边线离基坑外边线仅1 m左右（靠嘉禾路一侧为偏压侧，其他均为非偏压侧），不仅存在边坡、道路的较大偏压超载，还会受到来往车辆动荷载影响。基坑附近地下管线密集，其中基坑南侧管线由近至远依次为电力管线、给水管线、通信管线和雨水管线等，沿基坑纵向布置。本工程基坑安全等级为一级，基坑环境保护等级为特级[4-5]。

地铁1号线火炬园站-殿前站区间隧道采用矿山法施工，为单洞单线马蹄形断面。区间隧道埋深约20 m，隧道拱顶距坑底最近距离约6.4 m。隧道结构采用复合式衬砌，初支采用钢筋网、格栅钢架及喷射混凝土联合支护，二衬为防水钢筋混凝土结构。其中在隧道下穿待建第二西通道处加厚二衬，加厚段范围为75 m。地铁隧道施工期间地下水异常丰富，施工时采用地面强降水措施，并且采用注入双液浆进行地层加固[6]。上跨基坑开挖及暗埋结构浇筑期间，地铁区间隧道已经铺轨完成，正处于地铁1号线的列车试运营阶段。在基坑开挖之前，针对隧道现状开展了初始状态调查，隧道主要存在渗水和结构性裂缝病害[7]。其中渗水点分布离散，主要表现为腰部和拱顶渗水，右线隧道病害状况比左线严重。

2 难点分析

（1）地质条件复杂对基坑施工安全不利。上跨基坑场区内地下水位较浅，分布有较厚的花岗岩残积土土层，主要为残积砂质黏土，该土层结构性明显，土体孔隙率高，水稳性差，遇水易软化崩解，强度急剧降低。在施工扰动和动水压力作用下，易出现突泥和塌坍现象，从而引起较大环境变形甚至出现风险事故。

（2）基坑场地环境复杂，加大了施工风险系数。基坑场地周围超载过大，尤其在基坑外西北侧存在大面积的施工重材料堆载，靠近嘉禾路一侧基坑场平标高与道路标高高差达4~5 m，道路离基坑外边线仅1 m左右。嘉禾路作为厦门交通主要干道，有大量重载车和集装箱车通过，存在因基坑水平位移过大而引起较大路面沉降的风险。

（3）隧道上方围护结构嵌固深度不足，施工风险较大。由于下卧地铁隧道的影响，隧道正上方的基坑围护桩嵌固深度不够，仅为4.2 m，可能会发生围护桩踢脚破坏等基坑失稳风险。

（4）已建成的厦门地铁1号线区间隧道控制标准严格，保护难度大。石鼓山立交段基坑上跨已建成的轨道交通1号线火炬园站-殿前站区间隧道，受制于公路隧道整体坡度及埋置深度，隧道底距矿山法区间顶最小覆土约为6.4 m，施工过程中地铁区间竖向变形控制值为10 mm，安全控制难度很大[8]。

3 风险评估

为有效预测上跨基坑开挖对下卧矿山法地铁区间隧道的影响，建立考虑地质起伏的精细化数值计算模型，如图2所示。

图2 考虑地质起伏的精细化数值计算模型

图3 隧道拱顶竖向位移分布

图3为隧道拱顶在开挖过程中的竖向变形分布，其中开挖1~6分别为开挖步骤序号。由图3可知，下穿隧道竖向变形在空间上呈现下凹形分布，随着基坑开挖隧道向上隆起，其竖向位移最大处位于基坑正下方隧道拱顶位置，并随着基坑距离的增加而不断减小；同时随着上跨基坑开挖的进行，其竖向位移不断增加。左右线隧道由于所处的地质条件不同，竖向变形亦有所不同，右线隧道具有更大的竖向隆起。基坑开挖结束后，左线隧道最大隆起约3.5 mm，右线隧道最大隆起约5 mm。施工证明采用坑底注浆加固以及分层分块开挖方法，满足了地铁区间隧道变形控制要求。

4 施工关键技术

4.1 钻孔桩施工对隧道拱顶的影响

在钻孔灌注桩的施工中，须精确地控制桩基长度，严格控制进尺尺寸及钻进速度，按照设计桩长进行钻孔成桩，避免桩基超钻影响隧道拱顶安全。在距离桩底设计标高1 m时，每钻进30 cm进行1次孔深测量，保证桩长在设计范围内，避免桩基施工超钻影响地铁1号线隧道拱顶安全。采用全套管钻机进行钻孔桩成孔，利用套管与土体摩擦原理取土，从而减少对土体的扰动。

4.2 坑底土体微扰动加固

为了最大程度减小上跨基坑施工开挖对矿山法区间隧道的影响，确保隧道区间在石鼓山立交基坑施工中的安全，在基坑坑底下4 m范围内采用袖阀管注浆加固土体，梅花形布置，加固面积约1 454 m2。加固后土体强度均大于1.2 MPa，起到了增加基坑底土体的强度以控制基底隆起和地铁隧道拱顶上浮的目的。

4.3 基于卸载平衡效应的土方开挖

根据“时空效应”及土体卸载平衡效应理论，上跨基坑采用分层开挖，深度为1~2 m，分块开挖宽度为6 m，土方开挖时，先中间拉槽，保留两侧约6 m宽土体，以减少围护结构暴露时间，控制基坑变形；然后再快速开挖两侧土体，及时架设支撑，施加预应力。分块分层的“跳仓式”开挖方法的具体施工工序如图4所示。此外，要加强基坑内井点降水，主体结构基坑开挖前20 d采用基坑内降水井对坑底进行预降水、疏干，确保水位疏干至开挖面以下1 m。同时承压井降水采取按需降水原则，根据开挖面标高，逐步降低承压水头，尽可能减少承压降水对周边环境的影响。

4.4 隧道变形监测

图4 基坑开挖过程

在基坑开挖期间，地铁1号线处于试运营阶段，为了及时反馈和分析基坑开挖对区间隧道变形的影响，实现信息化施工，确保区间隧道的安全，在基坑开挖前对隧道左右线开展了初始状态普查工作，在初始状态调查过程中发现隧道内存在裂缝和渗漏水等情况[9-10]。为了满足保护地铁的目的，对隧道的左右线结构进行监测，建立自动化监测系统，左右线分别监测29个断面，并辅以人工校核[11]。

5 实施效果

地铁1号线上方基坑从开挖到结构施工结束，左、右线2条区间隧道的竖向变形累计峰值分别为3.43 mm和6.4 mm，由地铁保护规范要求的控制值为10 mm可知，施工过程有效地控制了隧道变形[12-13]。隧道隆起最大的右线各阶段沉降变化曲线如图5所示。

在基坑开挖及底板施工阶段，由于上方土体卸荷，隧道开始明显上浮，累计最大变形量达到6.4 mm，变化最大点位于基坑正下方附近；在后续结构施工阶段，由于上覆结构的自重，隧道发生小幅沉降，累计最大变形值减小为5.11 mm；延续观测阶段隧道竖向位移不断减小，直至观测结束累计最大变形为4.6 mm。

6 结语

海沧海底隧道石鼓山立交段基坑跨越厦门地铁1号线号线火炬园站-殿前站区间隧道，是整个工程的难点之一。工程地质环境复杂，隧道上方围护结构嵌固深度不足，对基坑施工安全不利。

图5 右线隧道整体沉降变化曲线

（1）利用精细化数值计算模型，对下部隧道在开挖过程中的竖向变形分布进行分析，评估开挖基坑对地铁区间隧道的影响。

（2）施工过程中，精确控制桩基长度，距离桩底设计标高1 m时，控制进尺尺寸及钻进速度，每钻进30 cm进行一次孔深量测，保证桩长在设计范围内。

（3）在基坑坑底以下4 m范围内土体采用袖阀管注浆加固，梅花形布置。加固后土体强度均要求大于1.2 MPa。

（4）上跨基坑采用分层开挖，深度为1~2 m，分块开挖宽度为6 m，中间拉槽，保留两侧约6 m宽土体，以减少围护结构暴露时间，控制基坑变形；再快速开挖两侧土体，及时架设支撑，施加预应力。

（5）对隧道的左右线结构进行监测，建立自动化监测系统，并辅以人工校核。对明挖法外部作业的工程影响分区，一般影响区为3.0H（H为基坑深度），左右线地铁隧道各180 m。左右线分别监测29个断面，分别监测隧道竖向位移、隧道水平位移、隧道净空收敛、道床与轨道变位、衬砌内力等。及时反馈和分析基坑开挖对区间隧道的变形的影响，实现信息化施工。

（6）本工程的顺利实施对今后厦门地区乃至全国类似工程的策划和施工具有积极的借鉴作用。

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