复杂环境中隧道深基坑支护关键技术

林 巧 郑凤先 薛九天

1. 上海建工集团股份有限公司 上海 200080；2. 上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092

目前，我国城市轨道交通建设正在如火如荼发展[1-2]，从而带来了大量的隧道深基坑工程。由于隧道工程沿线跨度较长、周边环境紧张，其深基坑工程往往面临局促的施工空间和复杂的环境情况，既有建筑物和地下管网密集、车流交通繁忙、地质条件起伏多变等难点。由基坑工程施工引起的环境保护问题变得日益突出，深基坑的开挖受到严格的环境条件制约[3]，必须在保证质量、安全等基本要求的前提下，通过合理分析、科学设计和精细管理，最大限度地减轻对周边环境对象的负面影响。

1 工程概况

杭州某快速通道工程起始于余杭区崇贤至老余杭连接线（高架）工程接地点，沿现状东西大道布置，经过一段地面后，以地道形式连续下穿荆余路、02省道（杭徽高速）以及蒋家潭河，至圣地路与规划杭州中环顺接，主路路线全长约2 527 m，采用双向六车道规模。本工程平面如图1所示。

图1 拟建快速通道工程平面示意

主线隧道由敞开段和暗埋段组成：北敞开段位于荆余路以北，南敞开段位于蒋家潭河以南，暗埋段下穿荆余路横向道路后分离为独立两孔，过杭徽高速Ⅰ号匝道桥及主桥基础后合并为双孔箱涵形式。隧道总长度2 004 m；北部敞开段长度431 m，采用U形槽式结构，基坑深度2.9～9.3 m；中部暗埋段总长度1 284 m，采用双孔分离和合并布置的单/双孔箱涵结构，下穿蒋家潭河区段设置空腔夹层形成双层双孔箱涵结构，基坑深度5.7～18.5 m；南部敞开段长度289 m，采用U形槽式结构，基坑深度为0～5.7 m。

1.1 环境情况

本工程位于浙江省杭州市余杭区老余杭街道范围内，大致走向沿主干道东西大道按南北方向布置，路面下市政管网密布，北侧局部区段与杭临线盾构区间并线，沿途两侧分布有复地上城、华坞新苑、庭院深深等众多居民小区，并横穿荆余路、杭徽高速2条干道，跨越蒋家潭河一条河流水系，环境条件复杂敏感，保护要求极高。

1.2 地质条件

本工程场地属于第四系坡洪积斜地和湖沼平原地貌，沿线地势总体较平坦。场区地层分布从上至下依次为①1杂填土、①2素填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④粉质黏土、⑤粉质黏土、⑥1全风化粉砂岩、⑥2强风化粉砂岩、⑥3中风化粉砂岩、⑦1全风化砂岩、⑦2强风化砂岩、⑦3中风化砂岩。

场地内的特殊性岩土主要包括杂填土、软土及风化岩石：分布于场地表部的①1、①2层厚度变化较大，一般为0.5～6.0 m，均匀性差、欠密实、性质差异变化大；③层黏土是场地内主要软土层，土体呈流塑状，具有低强度、高压缩性，有较明显的蠕变、触变特性；位于场地下部的风化基岩主要为泥质粉砂岩、砂砾岩，全场分布，其水理性质差，遇水易软化，同时岩性不均匀，沿线岩体风化厚度变化较大。

影响本路段施工地下水类型主要为孔隙潜水和基岩裂隙水。孔隙潜水与河流地表水的水力联系密切，呈水力互补的状态；浅层杂填土中的潜水具有各向异性、透水性好的特点，但给水度有限；黏性土、淤泥质黏土中的潜水透水性较差，水量贫乏，是相对隔水层。基岩裂隙水赋存于底部的⑥大层、⑦大层中，主要受侧向补给和上部地表雨水、潜水入渗补给，径流缓慢，向下游排泄，水量微弱。

2 基坑总体设计方案

本工程除庭院深深小区范围出于通行需求采用半盖挖顺作外，基坑全线均采用明挖法施工，并根据各区段基坑情况、环境特点，主要采用了放坡开挖、钻孔灌注桩围护墙＋内支撑2种支护形式，以保障既有建（构）筑物的安全，达到安全性、经济性的统一。

由于项目规模大、建设工期紧，环境保护要求较高，且施工期间需保证地面交通，考虑将整个工程由北向南划分为4个区段、3个节点。4个区段为：区段Ⅰ位于荆余路节点以北，区段Ⅱ紧邻区段Ⅰ并位于荆余路南侧、至杭徽高速路口为止，区段Ⅲ穿越庭院深深小区、终止于蒋家潭河节点，区段Ⅳ位于蒋家潭河节点以南。3个节点为：穿荆余路节点R、下穿杭徽高速节点Q及穿蒋家潭河节点H。基坑平面分区如图2所示。

图2 基坑施工平面分区示意

整个基坑工程分为4阶段施工，总体工序为先区段、后节点，后施工分区在先施工分区回筑覆土后方可开挖。

第1阶段：Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1、Ⅳ-1基坑支护以及开挖施工。

第2阶段：Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2基坑支护及开挖施工。

第3阶段：Ⅱ-3、Q-3、H-3基坑支护及开挖施工。

第4阶段：R-4、Q-4、H-4基坑支护及开挖施工。

3 基坑支护关键技术

3.1 施工期间交通组织技术

本高速路工程建设周期长、影响范围广，东西大道既是余杭区东西贯通的一条交通主干道，同时也是沿线居住小区到达性交通的主要出行通道，因此在其下方进行隧道开挖施工必将对原有城市交通产生负面影响，给社会公众出行带来较大冲击。为处理好隧道施工与道路交通的矛盾，保障基坑施工期间城市生产、生活的顺利进行，将工程建设对城市交通的影响程度降到最低，在建设前期针对道路交通疏解开展重点研究是十分必要的[4]。

本工程从优化施工统筹、改善路网结构和提高通行效率等角度出发，结合基坑阶段分期和疏散通道布置对施工期间的交通组织进行了专项设计。

第1阶段施工期间，以杭徽高速为界，以北路段整体向东侧翻交，以南路段整体向西侧翻交，占用东西大道外侧绿化带或农田空地保证通行流量，庭院深深小区范围在西线隧道顶部设置栈桥盖板用于临时通车（图3）。

图3 第1阶段施工期间交通疏解方案

第2阶段施工期间，杭徽高速与荆余路之间的区段Ⅱ东线施工，故该区段向西侧翻交至先期施工完成的西线隧顶道路，其余区段基本维持上阶段交通组织安排（图4）。

图4 第2阶段施工期间交通疏解方案

第3阶段施工期间，除节点外其余区段道路基本恢复正常通行，杭徽高速节点Q施工期间翻交至空间较宽裕的东侧，蒋家潭河节点H施工期间维持在西侧通行（图5）。

图5 第3阶段施工期间交通疏解方案

第4阶段施工期间，荆余路节点R翻交至北侧先期施工完成的隧顶道路，其余区段基本维持上阶段交通组织安排直至施工完成（图6）。

图6 第4阶段施工期间交通疏解方案

3.2 盾构区间并行段支护技术

主线隧道北侧敞开段约300 m范围与地铁杭临线盾构区间并行，盾构埋深26～31 m，与隧道水平投影距离约8 m，该段基坑开挖深度2.9～9.3 m，且盾构区间先于隧道实施，是基坑实施过程中的重点保护对象（图7）。

图7 主线隧道与杭临线盾构区间平面位置关系

本区段基坑挖深不大，且北端两侧均为丘陵空地、场地空间开阔，故对开挖深度小于4 m的区段采用一级放坡开挖至基底，同时要求坡顶5 m范围内禁载，以提高在填土层中开挖边坡的整体稳定性；对开挖深度4～9 m的区段采用直径600（800） mm钻孔灌注桩围护结合1～2道钢筋混凝土或钢管内支撑的支护形式，以满足不同深度基坑开挖稳定和变形控制要求。

由于地铁隧道对变形极为敏感，为预估基坑支护方案实施期间对盾构区间的影响，采用ABAQUS有限元数值模拟分析基坑开挖卸荷产生的环境扰动影响[5]（图8、图9）。隧道敞开段与杭临线区间距离最近、影响最大的ZK0＋423.00—DK0＋370.00区段，基坑深度6.2～8.7 m，基坑宽度29.4～31.7 m，基坑底部距离待建杭临区间隧道顶部最近11.7 m，支护结构内侧与区间隧道最小距离7.7 m。隧道外径6.7 m，衬砌厚度350 mm。

图8 整体模型及衬砌结构位移分析云图

图9 衬砌结构主应力分析云图

从图8所示位移分析结果可知：杭临线衬砌结构最大水平位移为0.25 mm，最大水平位移发生在盾构底部，位移朝向基坑；杭临线衬砌结构最大竖向位移为0.9 mm，发生在隧道右侧，位移方向朝上；均小于地方标准[6]对轨交结构变形最严格控制标准5 mm，表明现有支护措施能有力保证盾构区间的结构安全。

根据图9所示主应力分析结果，隧道结构的最大压应力为512 kPa，发生在隧道衬砌底部，压应力远小于结构强度，且未出现拉应力，表明衬砌结构处于安全状态。

3.3 下穿高架低扰动支护技术

主路隧道在里程D/XK0＋730.00—D/XK0＋800.00处两线分离下穿杭徽高速匝道桥和主线桥，影响3个匝道桥墩和3个主线桥墩。基坑施工期间需注意对桥梁结构的保护。

3.3.1 匝道桥支护方案

匝道桥与主线隧道交角约80°，受影响匝道桥墩号为1#、2#、3#，桥底距现状地面净高约13 m，均采用640 cm×250 cm×200 cm矩形承台，下设3根直径1.5 m钻孔灌注桩基，其中1#桥墩承台顶标高6.80 m、桩长16.2 m，2#桥墩承台顶标高6.40 m、桩长15.8 m，3#桥墩承台顶标高5.10 m、桩长22.4 m，上部结构采用钢筋混凝土连续箱梁。

东线隧道基坑内边线距离1#承台边约2.5 m，距离2#承台边约3.5 m；西线隧道基坑内边线距离2#承台边约8.8 m，距离3#承台边约1.2 m。其中，3#承台与西线隧道平面相扰，大部分承台基础位于西线隧道内部，承台桩基会阻碍隧道基坑开挖施工。

本节点基坑开挖深度约12.5 m，为保护两侧桥墩承台，基坑采用直径1 000 mm钻孔灌注桩围护结合3道内支撑（第1道为钢筋混凝土支撑、第2、第3道为带轴压伺服系统钢支撑）的强支护形式；并选用MJS旋喷桩施工套打止水帷幕，加强隔水效果；同时，对承台和桩基上部填土及黏土层采用全方位高压旋喷注浆（MJS）加固置换，深度至全风化粉砂岩，以减少基坑开挖引起的承台与桩基位移。此外，为避免卸载不均衡引起的侧向附加变形，施工期间要求东、西线基坑同步开挖施工，且两坑开挖面高差始终不得超过1 m。

其中，3#承台冲突节点原考虑采用拆除重建方案，即先拆除该段匝道桥，待隧道结构施工完成后再行重建。由于东西大道为城区主干道，车辆通行频繁，交通流量巨大，建设方要求隧道穿越施工必须保证高架的正常交通能力，因此排除了重建方案的可行性，而线路坡度的限制与承台桩基的布置使得隧道无法从桩基下方或中间穿越，经多方案比选最终决定按一次转换进行桥墩托换施工，在托换施工完成后保护性开挖隧道基坑。

3.3.2 主线桥支护方案

主线桥与主线隧道基本正交，受影响主桥墩号为344#、345#、346#，桥底距现状地面净高约13 m，均采用740 cm×630 cm×200 cm工字形承台，下设4根直径1.5m钻孔灌注桩基，其中344#桥墩承台顶标高7.80 m、桩长24.7 m，345#桥墩承台顶标高7.30 m、桩长21.3 m，346#桥墩承台顶标高6.900、桩长15.6 m；上部结构采用钢筋混凝土斜腹式整体箱梁。

东线隧道基坑内边线距离344#承台边约1.1 m，距离345#承台边约7.1 m；西线隧道基坑内边线距离345#承台边约1.0 m，距离346#承台边约1.8 m。

本节点基坑开挖深度约12.5 m，为保护两侧桥墩承台，采用的支护方案基本同前述匝道桥节点。此外，在第1道钢筋混凝土支撑浇筑时，另从顶圈梁向外局部施作一块素混凝土传力板带顶住邻近承台侧面，以进一步限制主桥承台侧移。

3.4 狭窄空间保护性支护技术

主线隧道中段D/XK0＋820.00—ZK1＋360.00里程范围紧贴庭院深深小区建筑，从小区中部穿过，小区建筑包括东区7栋15—25层高层住宅和西区6栋11—26层高层住宅，均带1层地下室（埋深约4.2 m），地下室采用梁板式筏板基础，桩基分别选用抗拔锚杆（东区）和钻孔灌注桩（西区），以中/强风化岩层作为持力层。

该区段隧道结构由东西分离合并为双孔箱涵，隧道基坑内边线距离建筑5.7～15.2 m，基坑挖深12.6～17.0 m，基坑施工应注意对小区建筑的保护。

为保护两侧住宅建筑，本区段基坑采用直径1 000 mm钻孔灌注桩作为围护结构，并按照开挖深度的增加情况设置3～4道钢筋混凝土/钢管支撑作为支撑体系；同时为满足施工期间出行需求，结合西线隧道顶部第1道钢筋混凝土支撑布设半幅临时栈桥，采用半盖挖顺作法施工。

此外，本区段北侧XK0＋865.80位置处的西线隧道紧贴小区现状围墙敷设，最小间距仅742 mm（图10），难以施工设计宽度的围护结构，因此考虑在空间逼仄部位换用直径700 mm钻孔灌注桩，采用MJS桩套打施工兼作止水。影响范围内的围护桩均同时作为使用阶段主体结构的一部分形成强化复合外墙，灌注桩的施工与验收按永久结构国家有关规范规程要求实施，满足100年合理使用年限。施工单位在该区段施工前亦应做好现场的量测与施工准备，施工时尽可能减少对既有围墙的影响，对于因施工作业需要，局部需侵入围墙的情况，施工单位应提前反馈给建设各方，并与小区所在街道、业委会充分沟通对接后，采取切实可行的拆除复建方案。

图10 庭院深深小区北侧节点平面示意

4 结语

针对城区轨道交通深基坑开挖过程中面临的施工空间局促狭小、周边环境敏感复杂等难题，以杭州地区某快速通道深基坑工程为背景，对其建设过程中根据不同挖深、环境、施工条件，综合考虑安全、经济、便捷等因素，制定的具有针对性的基坑支护技术与环境保护措施进行详细阐述，能够极大降低基坑工程建设对周边环境的不良影响，具有较好的工程意义和社会效益。