近接地铁隧道施工抗浮技术分析

宋 勇，应金星

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉430040；2.中铁19局集团有限公司，北京100000)

已建地下建构筑物(如地铁车站、区间隧道等)在满足人们日益增长的生活和工作需求的同时，也给后建工程带来了诸多难题，其中之一就是在地下建构筑物上方的基坑开挖卸荷引起的基坑上浮，会导致下方已有建构筑物的变形，甚至对其使用功能和安全性可能造成严重危害［1-4］。深圳地铁11号线南山站～前海湾站区间双孔地铁隧道与桂庙路下穿隧道在空间位置上呈上下重叠关系(图1)，重叠隧道段长约2.2 km，最小净距仅6.1 m(约1倍洞径)。考虑到地铁11号线2016年的通车要求进行工期安排，共线段重叠隧道施工顺序为先期施工下方地铁11号线的区间隧道(盾构法施工)，再施工桂庙路下穿隧道(明挖法施工)。盾构隧道埋深16～31 m，线路间距9.6～13.0 m，管片内径D=6.0m，管片厚d=350mm。采用德国海瑞克公司生产的φ6 250 mm复合式土压平衡盾构机掘进。桂庙路下穿隧道断面为大跨度矩形框架结构，结构全宽38.2 m，全高10.5 m，采用全幅明挖法施工。上方明挖基坑施工对下方地铁隧道的上浮影响较大，主要由以下两部分位移的叠加：一是基坑开挖过程中引起坑内土体的回弹变形带动地铁隧道的上浮变形；二是盾构地铁隧道本身的先期卸荷引起的上浮变形。

为了确保基坑开挖过程中地铁11号线已建隧道的安全，有必要在施工中采取各种主动和被动抗浮措施。工程调研发现，现有的抗浮措施大多是针对地铁车站基坑和房屋建筑基坑，本工程涉及到的明挖隧道基坑工程方面的抗浮经验非常少。两者虽然具有一定的区别，但类似工程具有可相互借鉴价值。本论文将对现有邻近隧道基坑施工中几种常见抗浮措施的原理，施工特点、技术适用性和经济性进行分析，为本工程重叠隧道段抗浮设计提供依据。

1 地铁隧道上浮位移控制要求

考虑到深圳地铁11号线通车时间要求，根据目前对重叠隧道的施工顺序安排，新建桂庙路下穿隧道施工时，“南～前”区间的地铁隧道已经完成了中轨铺设，因此对明挖基坑下方地铁隧道所允许的上浮变形量非常小。根据地铁盾构隧道设计单位提出的要求，结合新隧道基坑设计的要求，为了严格控制基坑开挖过程中由于残余应力、空间效应、开挖步长、暴露时间、支护插入土层深度及周边超载所引起地铁隧道的上浮位移，设计的具体要求如下：地铁隧道绝对最大沉降不超过10 mm，地铁隧道最大上浮量不超过10 mm。根据基坑手册要求，地铁隧道变形曲率半径大于15 000 m，相对弯曲必须小于1/2 500，施工产生的振动对地铁隧道引起的峰值速度不大于25 mm/s。同时，基坑开挖过程中须对基坑及隧道同时进行施工监控量测，监测结果应及时反馈设计单位，做好信息化设计与施工。

2 基坑开挖抗浮技术分析

通过文献调研，基坑开挖施工的几种抗浮技术主要有以下几种。

2.1 利用基坑开挖时空效应抗浮技术

基坑空间效应引起的基坑回弹，是基坑上浮位移的重要影响因素。大量工程实践和理论分析表明：(1)基坑小断面开挖引起的上浮位移比大断面开挖引起的上浮位移小；(2)在相同卸荷面积下，利用长条形的开挖方式比正方形的开挖方式所引起的回弹量要大。因此，利用土体的空间效应原理，选择正确合理的基坑开挖方式是基坑支护结构抗浮设计重点。

为了减少施工对土体扰动，达到控制工程周边地层变形、保护地面和地下建构(建)筑物环境、安全施工的目的，施工过程以土体充分利用“时空效应规律”为指导思想，即合理安排挖土方的空间尺寸，迅速封闭基坑开挖面，尽量减少每步开挖无支护的暴露时间，科学地利用土体自身抵抗地层回弹位移的潜力来控制基坑和近接构筑物上浮变形。施工中做到基坑土体“分层、分块、对称、顺序”开挖，及时封闭支护，并与地层加固等其他手段配合使用，最大限度的减小地层扰动。具体施工过程中的主要做法如下。

2.1.1 竖向分层开挖

基坑深度较大时，不应一次开挖到底，一次大面积卸荷会使得地铁隧道的回弹量过大，超过地铁保护的要求限制。应分层开挖基坑并及时施做支护结构，减小基坑暴露时间。施工中可根据隧道与基坑之间的净距大小和土层情况合理地改变每层开挖土体的厚度，并根据监测反馈结果及时调整方案，使地铁隧道的回弹量完全在控制的范围内。

2.1.2 横向分条(块）开挖

基坑宽度(跨度)较大时，每层开挖过程中可在横向进行分条或分块开挖。一般先开挖中间分块土体，再对称地开挖两边分块土体，为减小每条土体开挖对地铁隧道造成的偏压影响。同时，基坑横向开挖过程中的土条(土块)宜与隧道基本垂直，这样在开挖每条土块时可有效减小地铁隧道的回弹。

2.1.3 纵向分块开挖

在基坑与下卧地铁隧道重叠出现长距离共线的情况时，会导致基坑与隧道产生长距离的相交，如不采取措施，大面积的开挖卸荷将影响下卧地铁隧道的安全。因此采用纵向分块开挖基坑的方式对减小下卧隧道变形可以起到明显作用。纵向分块开挖一般先间隔分块施做竖井，然后采取交错开挖的方式。

2.1.4 纵向分步开挖

当基坑开挖长度较长时(如长条形基坑)，可沿基坑轴线纵向分步、分台阶进行开挖，使基坑的开挖成为一个不断向前推进的动态过程。施工中可根据情况调整分步开挖过程中的台阶长度以加快施工进度。

2.1.5 及时封闭支护结构

基坑开挖后需要立即施做支护结构，减小土层位移。基坑挖至底板之后及时封闭底板，尽量减少开挖面和底板的暴露时间，减小土体时间效应和蠕变效应造成的过大地层位移。

2.1.6 监控反馈

隧道上方的基坑开挖是高风险性工程，因此对运营地铁隧道、基坑本身及周围环境的跟踪监测十分重要。在地基加固和基坑开挖期间，根据大量的监测数据反馈信息，随时掌握隧道变形情况，及时调整开挖步长、分块数量和分层厚度等开挖参数，预报施工中出现的问题，判断隧道产生变形的原因，信息化指导施工。

利用土体时空效应原理严格按照“分层、分块、对称、顺序”开挖基坑已经成为目前近接隧道基坑开挖的施工原则，然而分层、分块数量越多，施工流程组织越复杂，工序安排越困难，施工进度越慢，工程劳动成本就越高。因此，施工中应当根据具体情况，在确保工程安全的情况下，合理的制定和调整开挖方案，加快施工速度。

2.2 “遮拦效应”抗浮技术

通过在下方地铁隧道外侧打入一排遮拦桩，当遮拦结构达到了比较高的强度时，能承受一定的水平荷载，隔断地铁隧道与基坑之间的地层应力与变形传递路径，以隔断基坑开挖对既有近接隧道的影响。隔断桩可选用高压旋喷桩、钢管桩、柱桩、连续墙等形式。

利用“遮拦效应”来控制隧道上浮，能以极少的施工成本获得最大的变形控制效果。但是该方法局限性很大，仅适合于隧道位于基坑侧下方情况，没办法隔断位于基坑正下方的隧道与基坑之间的应力传递。本工程重叠隧道段区间地铁隧道左线基本上位于基坑侧下方，可以考虑采用该方法进行上浮控制。

2.3 地层加固隧道上浮控制技术

地层加固是控制隧道上浮最最常用的措施之一，地层加固的方法有很多种，其加固的原理都是通过改良现有土体性质。首先增大土体的c、φ和弹性模量E，使得地基基床系数k增大，地铁隧道纵向弹性特征值增大，从而隧道的变形减小；其次，加固体形成的整体性很好的空间整体厚板体系，增大土体对隧道的约束，从而可以有效地限制隧道的上浮。

根据加固手段可划分为有注浆法、水泥搅拌桩法、高压喷射注浆法和高压旋喷桩等，各种加固手段的地层适应性不同，如注浆和深层搅拌桩法加固对土体扰动较小，加固效果较好；高压旋喷桩法虽然具有施工占地少、噪音较低等优点，但由于其是利用高压旋转的喷嘴将浆液喷射出来，冲切、扰动、破坏土体，因此容易污染工程环境，并且对施工土层扰动较大。各种控制措施在开挖卸荷工程中是可以综合运用的，应针对不同工程、不同土体采取不同的措施。在深度较大，搅拌加固效果较差的区域可采用旋喷，在紧邻既有隧道的区域可采用深层搅拌和注浆加固结合。

注浆法加固土体在基坑工程中起着重要的作用，已在城市基坑施工中取得了良好的效果。注浆是将一定材料配制成浆液，用压送设备将其灌入地层或缝隙内，使其扩散、胶凝或固化，将原来松散或不连续的地层材料胶结成整体，以改善地层的物理力学性质。按浆液在土中的流动方式，可将注浆法分成渗透注浆、压密注浆和劈裂注浆三类。经常使用的浆液材料有水泥浆材和化学浆材和混合型三类。

地基注浆加固范围越大，施工成本越高，因此首先确定合理的注浆宽度和厚度是地基加固的关键问题。一般注浆加固土体的范围都是凭借经验取得，但工程实践来看，加固土体的范围需根据工程实际情况及时调整，针对不同的工程采用不同的注浆范围，达到施工安全与经济效益的和谐统一。因此对注浆加固土体的合理范围进行研究，具有重要的实际工程意义。

2.4 堆载法隧道上浮控制技术

地铁隧道上浮的根本原因是基坑开挖的卸荷使土体发生变位，带动土层中的隧道产生竖向位移。堆载法加固是在开挖后的基坑底板上通过覆盖沙土袋、堆载豆砾石等手段进行堆载处理，减小土体的卸荷量，将隧道的竖向刚体变位控制在有效范围内。根据周丁恒等人的研究，堆载荷载大小与基坑下部地铁区间隧道上浮呈线性关系，适当的堆载可有效的控制隧道上浮。

采用堆载法控制隧道上浮具有施工成本低、操作方便、灵活等优点，但是控制地铁上浮的最佳堆载量大小和最佳堆载时机的确定比较困难。根据陈长江和周丁恒等人的研究，最佳堆载时机宜在施工基坑第一道支撑和第二道支撑之间，该段时间堆载加荷时，地铁区间隧道整个施工过程中平均上浮为最小。

3 结束语

通过技术调研发现，目前常用的隧道抗浮措施主要有利用基坑开挖时空效应抗浮技术、“遮拦效应”抗浮技术、地层加固隧道上浮控制技术、堆载法隧道上浮控制技术等四种方法。本文对上述抗浮措施的原理、施工特点、技术适用性和经济性进行分析，可为本工程的基坑开挖抗浮设计提供参考。