深大基坑施工對下臥運營地鐵隧道的保護技術

1 工程概況
東方路-張楊路下立交工程位于浦東新區(qū)世紀大道、東方路、張楊路相交的六岔路口，沿東方路方向，大致呈南北走向。下立交總長度為470m，其中暗埋段長200m、敞開段長270m。下立交所在六岔路口通過世紀大道連接已建延安東路隧道，通過東方路連接建設中的大連路隧道，通過張楊路連接建設中的復興東路隧道，三條隧道的交通主流方向交匯于此然后向東擴散到新區(qū)腹地，六岔路口承受的交通壓力非常大，交通地位十分重要。面對這樣的形勢，浦東新區(qū)區(qū)委區(qū)政府啟動了“一橋兩隧”配套項目的建設，對與建設中的盧浦大橋、復興東路隧道、大連路隧道工程相應的道路節(jié)點和路網(wǎng)進行改建、整治，以改善新區(qū)的交通條件。本下立交工程即為“一橋兩隧”項目的節(jié)點和重點工程。

2 工程建設條件
1.1 工程地質與水文地質
工程所在地地基土從其結構特征、土性不同和物理力學性質上的差異可劃分為十一個工程地質(亞)層，即①、②-1、②-2、③-1、③-2、③-3、④、⑤1-1、⑤1-2、⑥、⑦-1 、⑦-2層，各層地基土的構成與特征詳見表1。

2　環(huán)境條件
下立交下面有已建R2線、在建M4線及規(guī)劃R4線三條軌道交通線的區(qū)間隧道穿過，自北向南依次為明珠線二期（M4）區(qū)間隧道、地鐵二號線(R2)區(qū)間隧道以及軌道交通市域線（R4）區(qū)間隧道。地鐵二號線現(xiàn)在已經(jīng)建成并處于運營階段；明珠線二期現(xiàn)正處于建設階段；地鐵R4線現(xiàn)處于規(guī)劃階段。這三條隧道與本下立交工程的關系如下：
1） R2：與下立交交叉處盾構隧道頂標高約為-5.43m，隧頂距地道底板最近處約為2.8m，隧道大多位于③-3灰色淤泥質粉質粘土和④灰色淤泥質粘土中。
2） M4：與下立交交叉處盾構隧道頂標高約為-12.00m，隧頂距地道底板最近處約為10m，距離北側管廊底板約6m.隧道位于④灰色淤泥質粘土、⑤1-1灰色粘土和⑤1-2灰色粉質粘土中。
3） R4：現(xiàn)仍處于規(guī)劃階段，其平面走向大致與R2線平行、埋深未定。各軌道交通線區(qū)間隧道與下立交的平面、標高關系參見圖1、圖2。

3　工程特點和難點
本工程最大的特點在于同時在已經(jīng)建成的兩條軌道交通線（R2、M4）的區(qū)間隧道上方進行大面積的深基坑工程施工活動，這導致本工程具有如下難點：
3.1　對運營地鐵隧道的保護
正在運營的地鐵隧道對變形控制要求極高，根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》,各種卸載和加載活動對運營地鐵隧道的影響限度必須符合：
1） 地鐵結構設施絕對沉降量及水平位移量≤20mm；
2） 隧道變形曲線的曲率半徑R≥15000m；
3） 相對彎曲≤1/2500。
本下立交處地鐵2號線區(qū)間隧道頂部覆土在下立交基坑開挖前為9.5m，開挖后剩余2.8m，卸荷比例達到70%，卸荷面積達到18.1m×53m，隧道上方挖土卸荷面積和卸荷比例國內外罕見。能否在本下立交施工的全過程中確保地鐵R2線區(qū)間隧道的正常運營成了本工程能否順利實施的最大難題。
為了避免在地鐵上方挖土施工，保證地鐵R2線區(qū)間隧道的正常運營，在本工程的方案和可行性研究階段，曾經(jīng)設想過沿東方路方向建上立交跨越世紀大道，但是考慮到世紀大道是浦東新區(qū)標志性的景觀大道，若在此路口建上立交將嚴重影響世紀大道的景觀效果，故工程最后的方案選擇下立交方案。
3.2　地下管線穿越問題
為了最大限度地保證地鐵R2線的安全，下立交不得不采用頂板上無覆土的淺埋方案，由于下立交地處世紀大道、東方路、張楊路六岔路口，地下管線極其繁多，加上六岔路口附近有多個地鐵車站、地下空間極其緊張，這給張楊路、世紀大道方向的地下管線穿越本下立交帶來極大困難。能否圓滿解決地下管線改排問題成了本工程能否順利實施的另一大難題
另外，為了與大連路隧道同步在2002年9月底通車，本工程的總工期很短，這也給工程的實施帶來了很大的壓力。

4　工程措施
4.1　管線搬遷與重置
由于下立交采用淺埋方案，工程所在的六岔路口地下管線的穿越受到很大的影響。東方路上原有公用管線和規(guī)劃管線可以翻排到下立交兩側新建道路下，但是世紀大道和張楊路方向的管線穿越卻存在極大的困難。這兩個方向的現(xiàn)狀地下管線已經(jīng)如星羅棋布，如果再加上規(guī)劃中的新的公用管線，要穿越的管線數(shù)量更加多。
經(jīng)過研究，世紀大道和張楊路方向地下管線最終采用了如下穿越方案：
1） 繞道
改排或新建的地下管線一部分從下立交兩側或相鄰道路繞行。此方案可以降低下立交施工的難度，但是由于東方路方向的管位空間十分緊張，而附近可供繞道的道路寬度普遍較窄也已無更多的地下空間可資利用，所以此方案只能解決一小部分管線的出路，主要是雨、污水管道。
2） 從下立交結構層中穿越
口徑較小的公用管線，如電力、通信管線，可以在下立交頂、底板結構層中設套管穿越，由于鋼管存在防腐問題，套管宜采用非金屬材料。考慮到管線穿越會削弱結構的受力，此方法也只能解決小部分管線的穿越問題。
3） 公用管線廊道
由于前兩種方法只解決了世紀大道和張楊路方向少數(shù)管線穿越下立交的難題，大部分公用管線的穿越依然沒有出路，本設計首次采用在下立交南北兩側底板下設下穿式公用管廊穿越東方路的新技術。管廊有兩種下穿方案，一是采用共同溝形式，二是套管形式。共同溝方案要求在管廊內考慮設置檢修通道、消防以及監(jiān)控等設施，因此管廊的外形尺寸較大 。由于從管廊內穿越的管線數(shù)量比較多、管廊的外形尺寸本身就比較大，而路口地下空間又比較緊張，所以此方案未被采納，而是采用了套管方案，管線從設于管廊內的管徑較大的套管中穿越。為解決管線檢修問題，在下立交兩側各設一座豎井。和共同溝方案相比，此方案簡化了管線過路口的方法，減輕了對地鐵的不利影響，有利于加快施工進度。管廊與下立交的平、立面關系參見圖1、圖2，管廊橫斷面及功能分配見圖3。

4.2　地鐵保護
下立交基坑開挖過程中，土體卸載必然會引起基坑內的一定范圍內的土體的回彈。在基坑回彈方面，現(xiàn)有許多計算模型和方法，包括分層總和法、曲線模型法、超固結法、殘余應力法、應力路徑法等，但是由于以下幾方面的原因：影響基坑回彈量的因素極其眾多、前人的研究主要集中在坑底隆起的計算方法的研究而非回彈場的研究、有些計算方法雖然計算理論完善但計算參數(shù)（如回彈指數(shù)）不易獲得，所以盡管計算基底隆起的方法，但大多并不方便實用，計算結果與實測值相差很大。
另一方面，已經(jīng)建成并正在運營中的地鐵隧道對變形的要求極其嚴格，這與目前工程界對如何有效預測和控制隧道變形的現(xiàn)狀形成了一對矛盾。工程界亟須一種有效的、實用的、系統(tǒng)的控制隧道變形的新技術，以指導日益增多的在已建地鐵隧道上方進行的大規(guī)模基坑施工，本設計就此進行了一些探索工作，以期改善工程界碰到類似工程時“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的做法。
影響基底位移場的因素雖然眾多，但主要受下列因素影響：基坑參數(shù)（包括基坑平面尺寸、開挖深度、圍護結構形式、插入深度比等）、基坑底部狀況（土層性質、是否有樁基、土體的殘余應力）、開挖參數(shù)（總卸荷量及比例、每次開挖卸荷量、無支撐暴露時間）。由于基坑平面尺寸、開挖深度、總卸荷量及比例等參數(shù)已經(jīng)確定，所以就要在圍護結構、坑底及隧周土體、單次卸荷量、基坑無支撐暴露時間等方面著手尋求控制隧道回彈量的措施。以下是本工程所采用的技術措施：
1) 地基加固
根據(jù)Winkler的理論，假設隧道為彈性地基上的無限長梁，則隧道變形沿其縱向的分布為：

式中，λ為隧道的縱向彈性特征系數(shù)，
(EI)eq為隧道的等效抗彎剛度
K為單位長度地基的基床系數(shù)，與土體的抗剪強度指標C、Ф值等指標有關。
由式（1）可知，如果對基坑底部及隧道周邊土體進行加固，可以提高土體的C、Ф值，增大地基土的基床系數(shù)，進而減小隧道的變形。
可使用于本工程的地基處理方法主要有水泥土攪拌法、注漿法、高壓噴射注漿法等方法。各種方法的特點如下：
水泥土攪拌法：適宜于加固淤泥、淤泥質土等土層，加固效果較好，成樁可采用國產(chǎn)雙軸攪拌機或進口（日本）三軸攪拌機，其中雙軸機施工時對周圍環(huán)境影響較大，而三軸機械施工時對周圍土體擾動較小。
雙液分層注漿，對周邊環(huán)境影響較小，但其加固效果有限，施工質量不易控制。
高壓噴射注漿法：適用范圍較廣，加固效果好，施工速度快，施工質量易于控制，但是施工時對土體擾動程度較深層攪拌樁大。
為了減輕地基加固施工時對已建地鐵隧道的影響，本工程對地鐵2號線區(qū)間隧道周邊土體、以及隧道上方的N01、N02段基坑內土體實行深層攪拌樁加固。加固采用進口三軸機械成樁，而對地鐵隧道和深層攪拌樁之間的空隙，則采用雙液分層注漿加固補強。深層攪拌樁和雙液分層注漿加固體28天無側限抗壓強度qu28≥1.2Mpa。

2) 圍護結構
由于基坑底距R2隧道頂部只有不到3m覆土，圍護方案的選擇應主要考慮圍護結構施工、基坑開挖時對地鐵區(qū)間隧道的影響，同時兼顧其它因素。適合的圍護結構主要有鉆孔灌注樁+深層攪拌樁、咬合鉆孔灌注樁、SMW工法，各方案的特點如表2。
表2圍護結構比選
圍護型式 環(huán)境影響 工程經(jīng)驗 安全可靠性
鉆孔灌注樁+深層攪拌樁 較大 較成熟 較高
咬合鉆孔灌注樁 較小 上海地區(qū)未有報道 缺少類似經(jīng)驗
SMW工法 較小 較成熟 較高

由于東方路方向可利用的地下空間較小、地下管線管位比較緊張，故不考慮鉆孔灌注樁+深層攪拌樁樁方案。咬合鉆孔灌注樁圍護結構具有占地少、剛度大、施工時環(huán)境影響較小等優(yōu)點，但是由于本工程技術難度較大、工期又十分緊張，而咬合樁在上海地區(qū)沒有施工經(jīng)驗，為了確保工程的安全可靠度，圍護結構采用施工工藝成熟、施工質量易于控制的SMW工法，其中的深層攪拌樁采用施工時對周邊土體影響較小的進口三軸機成樁。
3) 抗拔樁
在運營地鐵隧道兩側設置抗拔樁并使其與下立交底板有效連接后，就相當于在地鐵隧道周邊加了一道保護“箍”，限制了隧道和周邊土體的變形。抗拔樁的樁型選擇施工過程中對地鐵影響較小的深層攪拌樁內插型鋼的SMW工法，其中的深層攪拌樁亦采用進口三軸機械成樁。抗拔樁平面布置參見圖5。

4) 施工方法
根據(jù)式（1），隧道變形值W(x)隨隧道上方卸荷量增大而增大，所以如果控制隧道上方土體開挖體積、減少卸荷量，就可以有效控制隧道的回彈避變形量。另外，根據(jù)劉建航院士的時空效應理論，隧道的變形還與基坑無支撐暴露的時間長短有關，基坑無支撐暴露的時間越短，基坑及隧道的回彈變形越小。基于此，R2線上方的下立交基坑開挖遵循沿R2線隧道縱向分層、分塊、限時施工的原則進行，結構施工亦分段進行。為了保證分塊施工時坑內邊坡的安全，必須對坑內土體進行地基加固。分塊施工造成的底板垂直施工縫增多、底板防水問題、鋼筋連接問題等可通過加強施工縫內防水構造、采用鋼筋連接器等方法解決。
基坑分塊數(shù)量和平面尺寸：原設計為沿R2線隧道縱向分9塊施工，每一塊的垂直長度約2m。實際施工時根據(jù)工程的進度要求、同時結合對隧道變形的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分塊數(shù)量改為5塊，每一塊垂直長度相應改為3~4.5m。(圖6)每一節(jié)施工中土體開挖沿深度方向分層進行，第一層厚度約為1~2m，以便第一道圍護結構施工，剩下的土體一次挖完、且盡量在地鐵車輛停運期間進行。每一節(jié)的土體開挖完成后，必須限時澆筑結構底板，第二層土體開挖結束到底板澆筑完，必須在第一日晚地鐵車輛停運至第二日晨地鐵運營前完成。

5) 堆載
在先期完成的結構上方堆載可以部分抵消挖土所引起的卸荷效應，減少隧道的回彈變形量。堆載在底板砼達到一定強度（終凝）后進行，堆載材料可為砂袋、砼塊或鋼材，堆載集度3~5MPa。堆載持續(xù)到下立交底板砼澆筑完畢。
6) 信息化施工
為了配合上述技術措施的實施、確保技術其使用效果，施工過程中加強了對地鐵隧道的實時監(jiān)測，實行了信息化施工。

5　工程效果
已經(jīng)建成并正在運營中的地鐵隧道對變形的要求極其嚴格，目前工程界對如何有效控制運營隧道的變形缺乏前瞻性和系統(tǒng)性，工程措施故而缺乏針對性。本工程采取了一系列具有創(chuàng)造性的新技術，使得工程 能按期、按質順利完成。本工程取得的成果可總結如下：
1．根據(jù)對運營中的R2線區(qū)間隧道的監(jiān)測結果，隧道的最大回彈變形最終被控制在12.25mm（下行線）~17.5mm(上行線)，完全滿足《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》的要求，曲率半徑、相對彎曲的指標也滿足要求。工程如期完成后，在較好地維持新區(qū)第一景觀道路--世紀大道的現(xiàn)有景觀的前提下，將大大體提高該六岔路口的通行能力，最大限度地滿足大連路隧道和復興路隧道通車后急劇增長的交通需求形勢，改善陸家嘴乃至整個新區(qū)的道路交通條件，促進浦東的開發(fā)和開放。
2．本工程設計過程中對下立交施工所引起的變形進行了開拓性的分析預測，同時，對橫穿地鐵施工的變形控制、開挖卸荷引起的地鐵回彈變形的理論分析、地鐵上方分塊施工所帶來的諸如鋼筋連接、施工縫防水等問題立專題研究，對本工程的施工具有顯著的應用價值，同時對類似鄰近地鐵的工程項目具有較高的參考價值。
3．對由隧道淺埋而引起的地下公用管線穿越問題，本工程首次采用了下穿式公用管線廊道方法，確保工程方案的順利實施，同時可為類似工程提供經(jīng)驗。

6　結語
東方路-張楊路下立交工程設計中采用了一整套控制已建隧道變形的新技術，克服了以往類似工程因對地鐵工程保護不力而不能實施的狀況，使在已建地鐵隧道上方的基坑施工處于安全、可控狀態(tài)，工程得以順利實施，也為同類工程提供有針對性的、通用的、系統(tǒng)的技術保障體系。
美中不足的是，由于本工程的工期緊迫，下立交圍護結構和地基加固施工時對隧道的影響超出了預想的數(shù)值，所幸在開挖階段能按設計規(guī)定的施工程序進行，工程結束時的隧道回彈變形最終被控制在《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》所要求的范圍內。如果在施工周期、分塊尺寸、地基加固等方面適當改進，則類似基坑施工時對隧道的影響可以控制在更加小的范圍內，工程的安全可靠度亦可相應提高。

選自《城建集團第三屆科技大會論文集》