浅埋区间盾构上部基坑开挖保护施工技术

梁亚华 赵 华 赵 维 杨永华 孙长飞 李 欢 靳 隆

中国建筑第八工程局有限公司南方公司 广西 南宁 530028

由于工期不同，成形地铁区间隧道上部基坑开挖情况在国内地铁施工中较为常见。通过研究发现，目前此类工况的地铁隧道保护措施主要以堆载为主，通过堆载材料的自重抵消因上方基坑卸载造成的土体回弹，而依靠单一堆载并不能提高盾构管片的刚度，单一管片的刚度仍会因为差异沉降出现破坏现象。南宁某工程仅采用隧道内进行堆载的措施，在基坑开挖后原隧道管片仍出现较大的差异沉降问题，后期结构出现通缝与渗漏，保护效果未达到要求。

为提高同类情况下隧道保护的成功率，减少后期结构出现通缝与渗漏的问题，本文以南宁市轨道交通4号线那洪立交站为研究案例，在隧道保护时除了堆载外，创新性地采用内支撑增强管片刚度，并采用槽钢将管片整体连接。该保护方案实施后效果显著，卸载后的隧道未出现通缝、渗漏及明显位移现象，保护效果得到各方认可，也为后续类似工程的施工提供了借鉴。

1 工程概况

南宁市轨道交通4号线那洪立交站为4号线与5号线两线换乘车站，2号风亭位于那洪立交站东南象限，南北方向长56.55 m，东西方向长67.65 m，风亭基坑深度6.9～8.9 m。

因工筹需要，5号线区间隧道已提前贯通，盾构位于2号风亭正下方1.8 m处下穿，盾构直径5.4 m，厚度0.3 m，为宽1.5 m标准盾构管片。

根据地勘报告，风亭主体处于圆砾填土与含黏性土圆砾层中，其中圆砾层为强透水层，渗透系数为27 m/d；5号线区间隧道主要处于泥岩与泥质粉砂岩互层中，隧道顶部分处于粉质黏土层中。

场地地下水主要为上层滞水、孔隙潜水、碎屑岩类裂隙水。水位埋深为5.2～6.2 m，抗浮水位取116.5 m。开挖基坑主要处于含黏性土圆砾层。

2 施工特点

2.1 施工工期紧

由于风亭移交机电单位需要，2号风亭开挖至封顶时间仅为71 d，而2号风亭体量为常规风亭的3倍，考虑到工序交叉问题，且大规模开挖施工会对下方隧道产生影响，考虑诸多因素，该风亭施工对施工要求较高。

2.2 隧道与风亭净距小

5号线隧道与风亭底板净距为1.8～1.9 m，开挖后隧道周边土体容易受到扰动出现位移，引起隧道变形。

2.3 降水难度高

由于施工期间为雨季，降雨后由于圆砾层的渗透系数较大，容易导致雨水渗入基坑内，地下水的流入会增加水的浮力，导致隧道上浮增加。

3 方案比选

结合工期要求进行综合考虑分析，2号风亭土方开挖共有3种方案进行对比选择，分别为整体开挖、分3条跳仓开挖及分6条跳仓开挖。为了确定开挖方案，开挖前采用Midas GTX NX三维有限元岩土分析软件对3种开挖工况进行建模分析比较（图1），分析结果为：整体开挖方案最大上浮量为11.72 mm，分3条跳仓开挖方案最大上浮量为7.54 m，分6条跳仓开挖方案最大上浮量为5.78 mm。

图1 2号风亭土方开挖模拟

根据三维数值模拟开挖工况结论，采用分条开挖方式可以较好地利用时空效应降低开挖对隧道上浮的影响。由于分6条跳仓开挖所需时间较长，结合工期要求与可实施性考虑，决定采用分3条跳仓开挖方案进行基坑开挖。

4 隧道保护措施

4.1 保护工艺原理

基坑开挖施工时，由于土体大量卸载，坑底土体应力释放，产生坑底隆起。土体卸载，竖向自重应力减少，隧道上部受力减小，导致隧道受到向上的附加应力，产生竖向隆起，同时横截面产生收敛变形。

根据隧道变形原理，在基坑开挖前通过对隧道进行逐级加载的方式，以平衡土方卸载对盾构的影响，同时为了防止隧道水平不均匀收敛，在变形较大处（如土方开挖边界和跨中）设置门架来限制盾构区间水平收敛，并设置纵向拉紧槽钢增强盾构管片的整体性，降低水平力对结构的损害。同时为了降低地下水浮力作用的影响，应在开挖前完成止水帷幕的施工并将基坑降水至基底以下，以及通过抗拔桩与土体间的摩擦力减少土体回弹量。

4.2 施工工艺流程

施工准备→降水施工→抗拔桩施工→盾构管片拉紧→门架安装→监测点布设→一级配重运输及堆载→先挖段第一级土方开挖→二级配重运输及堆载→先挖段第二级土方开挖→先挖段底板浇筑→后挖段土方开挖→后挖段底板浇筑→措施拆除及卸载

4.3 降水施工

地下水的浮力对结构上浮影响十分明显。根据地勘报告，2号风亭基底以上土层为含黏土圆砾，以下为泥岩，含黏土圆砾土层水渗透系数为27 m/d，为强透水层。为了防止坑外地下水进入基坑内部，需采用高压旋喷桩止水帷幕截水，配合坑内疏干井进行降水，在坑外设置降水井以降低内外水头压力差（图2）。

图2 基坑降水平面布置

4.4 抗拔桩施工

降水施工结束后，沿盾构隧道走向在隧道左右两侧施作抗拔桩（图3），抗拔桩嵌入基底下15 m，通过抗拔桩与土体间摩擦力减少基坑开挖后隧道下方的土体回弹量。

图3 抗拔桩平面布置

4.5 盾构管片拉紧

由于每一环管片受到的竖向力与水平力不一致，为了减少管片的变形差异，提高管片整体性，采用槽钢将管片拉紧的方式加固（图4）。

图4 纵向拉紧槽钢布置剖面

拉紧槽钢宜根据管片的类型及隧道净空尺寸设置间距及布置道数，并满足盾构管片螺栓间纵向平直要求。因基坑边界存在较大的不均匀变形，槽钢纵向拉紧装置长度应超出卸载范围4～5环。

4.6 门架安装

为限制盾构区间上方卸载后产生的水平收敛变形，结合受力数值模拟，位于土方开挖分段处及每个施工段跨中位置的管片收敛变形最大，故需对以上位置设置钢桁架门架（图5），以加强局部盾构管片的刚度，减少管片变形。

图5 门架结构示意

钢桁架的设计需要支撑点布置均匀，荷载传递合理，且中间净空至少需要保持净宽3 m、净高3.5 m，以满足中间堆载材料运输行车需求。门架采用工字钢作为主要传力支架，配合槽钢斜拉形成钢桁架，为避免工字钢骨架直接接触盾构管片，改善管片与桁架传力，需要在桁架外垫1块环形薄钢板。

4.7 监测点布设

开挖过程中，需对成形盾构管片进行定期监测，动态了解盾构变形情况，并形成预警机制，及时采取措施保护盾构安全，避免发生结构安全风险事故。主要监测项目包括管片水平位移、净空收敛、管片沉降、管片差异沉降、盾构差异沉降、环间错台。其中，沉降监测点仅布置于顶部，监测点间距可根据实际情况适当调整，建议按照5 m一个取值，底部因与堆载材料冲突无法设置。收敛监测使用激光测距仪测点，每5～10 m设置一个监测点。具体监测指标及预警指标按照GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》执行。

4.8 一级配重运输及堆载

完成纵向拉紧及门架安装后，需在盾构内堆载，以抵消上方土体卸载导致的盾构上浮。堆载材料应具备密度大且均匀、方便运输堆放、可回收利用、对盾构损害小等特点，可采用碎石粉、砂子以及型钢等材料。

为避免土方开挖前因荷载一次性加载到位导致盾构片向下沉降，堆载分两级进行。第一级堆载的配重根据第一级土方开挖深度卸载模拟验算确定。为提高可操作性，第一级土方开挖可取3 m深度。

堆载材料进场后，用铲车将材料通过漏斗灌至盾构井位置，再使用铲车将材料运输至盾构指定位置。堆载由前往后倒退推进，为防止中间后挖段堆载材料无法运输，同时考虑分段间坡度的卸载效应，纵向堆载不分段。碎石粉材料堆载前，应先铺设1层麻布作为保护层，以保护盾构管片质量。

在超出开挖分界线范围，堆载需要线性过渡减少，长度可选4～5环管片。

4.9 先挖段第一级土方开挖

在第1道冠梁支撑施工完成，强度达到要求，且盾构内一级堆载完成后，即可开始先挖段第一级土方开挖（图6），第一级土方开挖深度与一级荷载相对应。采用挖机沿单方向倒退开挖的方式出土。为保证先挖段与后挖段之间边坡的安全性，边坡坡度需要根据岩土结果计算确定，并进行钢筋网喷射混凝土支护，以防止边坡坍塌。为减少因放坡而增加后挖段的土方荷载卸载，在保证边坡安全的情况下，坡度应尽量取大值。

图6 先挖段土方开挖平面示意

4.10 二级配重运输及堆载

先挖段第一级土方开挖到位后，立即开始盾构内第二级配重堆载，堆载高度同样需要根据卸载验算和堆载材料密度计算确定。堆载方法与第一级类似，使用铲车倒退推进，应注意因第二级堆载高度较大，如堆载顺序不当，门架净空将限制铲车行车。

4.11 先挖段第二级土方开挖

第二级堆载到位后，基坑组织先挖段第二级土方开挖，直至先挖段见底。先挖段第二级土方开挖出土方式与第一级类似，但随着坡度加深，段间坡度应重新通过边坡稳定计算确定，确保边坡安全，并随着边坡开挖及时采取喷锚等护坡措施，必要时需要设置放坡台阶。

4.12 先挖段底板浇筑

先挖段土方见底后，立即组织垫层、底板防水以及底板施工，减少基坑暴露时间。根据监测数据分析，垫层浇筑后，通过上方底板施工的结构压重控制隧道上浮量。

4.13 后挖段土方开挖

先挖段底板均浇筑完成后，应立即组织底板以上结构施工。为加快施工工期，此时可分析盾构变形数据，如已基本稳定，即可同步组织后挖段土方出土。考虑后挖段范围盾构的二级堆载已加载到位，后挖段土方开挖无需分级开挖。

4.14 先挖段底板浇筑

后挖段基底见底后，同样需要立即组织垫层、防水及底板施工，最大限度地减少基坑暴露时间。

4.15 盾构卸载

在2号风亭结构施工完成后，需要卸除盾构内原堆载材料。监测结果显示，当每一开挖段顶板浇筑完成后，其管片上浮量均可以稳定在±1 mm内上下浮动变化。考虑到在风亭回填前卸载会引起管片二次上浮，因此卸载选取在风亭土方回填完成后采用一次卸载方式进行。

5 应用效果

根据监测数据，截至2号风亭封顶，管片左线最大上浮量为22.85 mm，右线管片最大上浮量为20.77 mm，和数值模拟结果出现差异的主要原因为地下水影响。通过对盾构隧道在基坑开挖前与封顶后的质量进行调查，基坑开挖过程中盾构管片未出现明显错台与通缝现象，管片保护效果良好。

6 结语

本文以南宁市地铁4号线那洪立交站2号风亭开挖为背景，深入研究了基坑开挖对下方5号线盾构隧道的影响。通过结合相关案例，并采用有限元分析软件对工况进行模拟验算，从多角度出发，制定了最佳土方开挖方案及相应的隧道保护措施，在保证工期的前提下最大限度地减少了土方开挖对隧道上浮的影响，为其他类似工程提供较好的借鉴，推广价值高。