深基坑施工對既有下臥隧道的保護技術研究

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

1 工程概況

1.1 項目概況

上海衡山路12#地塊賓館項目位于上海市衡山路—復興路歷史風貌保護區核心地段，是市中心繁華區域。本工程用地面積10 800 m2，基坑尺寸約為150 m×60 m，面積約為9 000 m2，開挖深度為11.45 m，局部挖深為15.95 m，如圖1所示。

圖1 建筑基坑范圍示意

1.2 環境概況

由于施工場地狹小，本工程南側衡山路為唯一進出入口，其周邊環境非常復雜，相鄰建筑距離僅為6～10 m，基坑施工對周邊環境影響較大。

基地范圍內含既有下臥隧道工程，其2 條已建隧道由場地西南側直通至一座位于地下室中部位置的豎井（圖1），建筑基坑施工對既有下臥隧道影響較大。

1.3 地質概況

本工程場地地貌類型屬濱海平原，地基土屬第四紀松散沉積物，主要為黏性土、粉性土組成，缺失上海地區正常沉積的⑥層暗綠色黏性土，而使⑤層沉積深厚，⑦層頂面埋深加大。

2 深基坑施工風險分析[1-2]

2.1 環境風險分析

（a）基坑周邊環境復雜：作為市中心風貌保護區域，本工程東臨正在施工的704項目基坑工程，北鄰多幢多層居民老公房，西近衡安大廈高層，與相鄰建筑最近距離僅為6 m?；娱_挖深度為11.45 m，南側唯一出入口衡山路旁尚有煤氣、上水、雨水、電力、通信多條市政管線，且部分管線業已老化。萬一施工不當，可能會造成嚴重的社會影響。

（b）特別需要指出的是：基地范圍內含既有下臥隧道工程，其2 條隧道建于上世紀60年代，由場地西南側直通至一座位于地下室中部位置的豎井：隧道直徑約5.8 m，頂部埋深約14.70 m（僅距工程底板2.20 m）；豎井為地下鋼筋混凝土結構，基礎埋深約24.0 m（需拆除工程底板以上部分）。其年代也已久遠，結構老化，對環境變形十分敏感，須重點加以保護。

2.2 基坑本體風險分析

基坑尺寸約為100 m×60 m，開挖深度為11.45 m，局部挖深為15.95 m，屬典型的深基坑施工?；邮┕ぶ芷陂L，開挖后若長期暴露容易導致基坑變形，更嚴重的可導致基坑坍塌事故。

3 深基坑施工時既有下臥隧道的保護技術[3-5]

3.1 三維數值模擬

利用新型有限差分法（快速拉格朗日方法）建立三維模型，模擬巖土由彈性至塑性屈服、失穩破壞直至大變形的全過程，本方法最大優勢在于可以模擬施工全過程土體變化情況，以及分析地下隧道、樁等結構與土體的相互作用，這是其他數值分析方法所無法比擬的（圖2、圖3）。

圖2 三維計算模型示意

圖3 工況模型分析

通過三維模擬，對深基坑、既有下臥隧道及周邊環境風險進行剖解、分析，研究保護重點及標準，針對不同保護基準要求采取相應的保護措施。

3.2 圍護體系選擇及優化

建立圍護體系模型，通過反復模擬實驗、論證、比選，選取了最佳的圍護體系：“兩墻合一”地下連續墻+2 道鋼混對撐、角撐體系（圖4）。

圖4 圍護體系網格示意

基坑坑底既有下臥隧道距底板僅為2.20 m，重點考慮對既有下臥隧道的保護，經綜合考量及比選后，選定此區域采用“騎跨式”圍護體系，即采用長短籠“∏”形地下連續墻+重力式擋墻的圍護組合體系，以解決此區域圍護體系剛度不足及抗滑移等問題，確保既有下臥隧道的安全。

3.2.2 套疊加固技術

通過模擬計算分析（圖5）：基坑底板的既有下臥隧道及豎井上浮變形約25 mm，故采用“套疊”加固技術，即利用工程抗拔樁+土體加固組合工藝，對隧道、豎井進行“緊箍”保護，約束因土方卸載、水浮力及基坑回彈隆起等綜合因素作用下坑底既有下臥隧道及豎井的上浮變形趨勢。同時土體加固也將地下隧道處部分開放的圍護體系進行封閉，有效確保基坑穩定。

圖5 既有下臥隧道變形模型分析

采用“套打”工藝，要先加固土施工再做抗拔樁施工，二者均采用“做一隔二”方式，以隧道為主體劃分外圈、中部、內圈施工區域，采用分塊、對稱原則由外向內進行施工，以有效減少集中作業及施工疊加對其既有下臥隧道、豎井的影響。

3.2.3 錨桿牽拉技術

通過模擬計算分析（圖6）：缺少一端約束的豎井延隧道自坑內向外曲線遞減變化，及相對約束較少的豎井上浮變形最大，通過分析，基坑范圍內30 m區域豎井、隧道差異變形約為12 mm，考慮其豎井與隧道、隧道與隧道連接的鋼構件已經老化，其對變形極為敏感，微小的差異變形可能會引起滲水。為此，利用豎井周邊工程抗拔樁布設了12 根鋼立柱樁，使其與豎井進行對稱連接，類似錨桿牽拉桿件，達到牽制、約束豎井上浮變形的目的。

圖6 既有下臥隧道變形模型分析

針對坑底既有下臥隧道的保護，制定了有效、專項的保護措施。

3.2.1 異形圍護組合技術

3.3 降水措施

在既有下臥隧道及豎井周邊布設6 口抗浮降水井（兼作觀察井），釋放豎井及隧道底部水浮力，并通過專人監控、定期降水、復算檢測等措施有效控制既有下臥隧道及豎井的上浮變形（圖7）。

圖7 抗浮降水井平剖示意

3.4 分段漸變堆載控制技術

根據模擬分析：針對既有下臥隧道及豎井的不均勻曲線上浮變形情況，采用沿隧道方向漸變堆載的施工控制技術，即隧道端部豎井施加較大的堆載，沿隧道離開端部方向堆載減小，并視隧道的長短進行分段堆載，以確保既有下臥隧道及豎井的上浮均勻可控（圖8）。

圖8 分段漸變堆載示意

3.5 本體切割拆除

針對底板以上既有地下工程豎井的拆除，采用機械切割技術，分塊、對稱拆除豎井，此部分工作于支撐或底板形成及既有下臥隧道變形較為穩定后再進行，以減少施工影響，有效控制變形。

3.6 監測措施

施工過程中要做好對既有地下工程及周邊環境的監測工作，若發現監測數據異常時，須即刻分析處理，采取應急措施，調整施工流程，將危險源杜絕于源頭。

4 深基坑施工技術優化[6-7]

4.1 施工棧橋優化

基坑施工場地狹小，地下室占地面積大，工程基坑開挖面幾乎占據了整個施工場地?；A施工階段場地相當緊張，在基坑施工前，結合施工現場大門位置及基坑各分區的工作量，對現場施工棧橋進行優化，滿足基坑開挖、支撐形成、基礎結構施工等各階段材料堆場及行車路線。有效確?；邮┕ご┎逵行颍咝┕?。

4.2 合理部署、優化流程

本工程整體基坑約150 m×60 m，基坑占地面積較大，施工利用場地狹小，捉襟見肘，且只有南側衡山路唯一出入口。為此，于整體基坑內增設圍護分隔墻，將基坑劃分為I區、II區兩個分區進行施工，先施工場地內側I區地下室結構至±0.00 m后，再進行場地外側II區基坑的施工?；臃謪^后，有效的解決了施工場地問題，同時將整體大基坑中既有下臥隧道、周邊環境保護的難題化解到I區小坑之中，有效的集中人力、物力、時間和空間，達到高效施工，確保既有下臥隧道、基坑本體及周邊環境的安全和保護。

4.3 優化堆載方案

選擇可循環、便利的材料進行堆載施工，如水、砂、鋼錠等綜合考慮，便于施工過程中的動態調整及降低成本，達到快速、有效施工。

4.4 基坑開挖原則

（a）嚴格按照“時空效應”理論：分層、分段、分塊、平衡、限時、限量、隨挖隨撐、嚴禁超挖的原則進行。

（b）采用“盆式開挖”及“抽條法”進行施工：先開挖既有下臥隧道區域外的土體，盆式開挖兩級放坡（比例1∶2），及時形成支撐或墊層；然后抽條開挖既有下臥隧道區域土體，嚴格按照對稱原則抽條開挖，及時跟進支撐或墊層施工。

（c）開挖前做好各項檢查工作：機械、勞動力配置充沛、進出道路暢通、降水及土體加固達到設計要求等。

（d）挖土階段現場需有專人指揮，挖機不得碰撞圍護體系，且坑邊嚴禁超載（＜20 kN/m2）。墊層隨挖隨搗，并及時形成支撐和底板，避免基坑無支護體系下暴露時間過長。

（e）開挖至基礎底板時，應先開挖至淺基坑標高，待完成墊層或底板混凝土澆筑，再對較深的基坑進行土體開挖。

4.5 加強信息化管理，優化調整施工

加強信息化管理及監測數據分析，優化調整堆（堆載）-卸（挖土）施工，動態調整堆-卸平衡，有效控制既有下臥隧道的上浮變形。

采用“分段漸變堆載控制技術”、“分步動態堆載控制技術”及“分步分區卸載控制技術”，即以深基坑施工的每道土體卸載工況為一個步距，視上一步的地下隧道及豎井監測情況動態調整該步的堆載量及位置，以達到約束控制既有隧道及豎井上浮變量及不均勻上浮的情況，結合高效的信息化管理和分析反饋，終而復始、循環往復，有效指導施工，確保既有下臥隧道、基坑本體及周邊環境的安全和保護。

4.6 應急預案

對于基坑工程施工過程中可能遇到的緊急、突發、高風險事件，先期制定各項應急預案，基坑工程施工前，按照應急預案的要求配置好應急物資和準備，組建應急小組、人員到位。

5 實施效果

根據監測數據，基坑開挖階段既有下臥隧道累計最大變形16.3 mm，基坑范圍內隧道最小變形9.5 mm，差異變形僅為6.8 mm。通過因地制宜的精心策劃，科學有序的細化組織，成功地控制了基坑坑底既有保護性隧道的變形量，確保了既有下臥隧道的安全。同時，基坑圍護和周邊建筑、地下管線的變形量，日變形量及累計變形量均在設計、監護限度值的范圍內。