超深基坑關(guān)鍵技術(shù)與管理理念在鄰近高鐵施工中的運用

王玉石 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司東華地鐵公司

富含承壓水的深基坑，在沒有有效隔水層情況下，為防止基坑突涌，常采取降低承壓水水位的方法，確保開挖階段基坑安全，但降水施工對基坑周邊環(huán)境影響較大，土體位移、沉降明顯。機(jī)場聯(lián)絡(luò)線工程兼做盾構(gòu)始發(fā)井的1 號風(fēng)井長156.4 m，深16.6 m～25.5 m，距離滬昆高鐵路基最小距離僅為10.6 m，是目前國內(nèi)外鄰近時速350 km 高鐵路基最近、最深的基坑，也是全線重要的控制性工程。風(fēng)井基坑地質(zhì)水文條件很差，土層以粉質(zhì)粘土、淤質(zhì)粉土和粉砂為主，滲透系數(shù)大，無有效的隔水黏土層，坑底埋深約30 m處的（7）-1、（7）-2層是承壓水層，水頭壓力達(dá)25 m，自然狀態(tài)下開挖坑底存在突涌風(fēng)險。

規(guī)范要求一級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形不大于開挖深度的1.4‰（本工程為36 mm），坑外土體沉降不大于開挖深度的1.0‰（本工程為26 mm）。上海為典型的軟土地區(qū)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，同規(guī)模基坑周邊的土體沉降一般在30 mm 以上，有的甚至超過100 mm。為確保高鐵運行安全，軌道變形要求控制在2 mm 內(nèi)，相當(dāng)于一枚硬幣的厚度，相當(dāng)于規(guī)范允值的十幾分之一，技術(shù)難度十分巨大，因此，施工過程中必須解決以下幾個問題：

（1）基坑開挖過程中采用何種措施，控制高鐵軌道變形在2 mm內(nèi)。

（2）根據(jù)《鐵路安全管理條例》第三十五條明確規(guī)定“高速鐵路線路200 m范圍內(nèi)禁止抽取地下水”，同時開挖期間坑外水位下降不能超過30 cm。降水高鐵有危險，不降水基坑有危險。那么采用何種措施，在不降承壓水的情況下，保證基坑安全順利開挖。

（3）面對極高標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境變形控制要求，如何提高監(jiān)測效能，做到提前預(yù)警、快速反應(yīng)。

1 以鐵路位移控制為目標(biāo)的基坑支護(hù)方案

1#風(fēng)井最顯著的特點就在于緊鄰滬昆高鐵，2 mm的變形控制量是研究基坑設(shè)計和施工方案的“目標(biāo)導(dǎo)向”。本工程采取的特殊技術(shù)措施與管理理念總結(jié)如下。

1.1 隔離樁對基坑周邊土體位移的阻隔作用

在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與高鐵之間先行施作一排鉆孔隔離樁，與地連墻每隔6 m 用系梁連接，形成整體受力，作為保護(hù)措施，用來消減地墻成槽和基坑開挖階段對高鐵路基的“輻射”影響，控制鐵路變形。土體測斜監(jiān)測表明，基坑開挖前期，高鐵側(cè)土體擾動較小，隔離樁內(nèi)外側(cè)土體變化差異性較大，阻隔作用明顯，基坑開挖接近基底，隔離樁內(nèi)外側(cè)土體變化趨于接近，隔離樁作用相對減弱。也就是說隔離樁的存在對于限制上部土體水平向位移效果較為明顯，但對于深層土體位移的控制，需要配合其他措施進(jìn)一步加強(qiáng)（圖1）。

圖1 隔離樁與1號風(fēng)井、滬昆高鐵相對位置關(guān)系

1.2 跳倉開挖減少基坑暴露面積

采用地下連續(xù)墻作為分隔墻，將156 m的長基坑分割為5個30 m左右的短基坑，進(jìn)行跳坑開挖，一期開挖1#、3#、5#坑，待主體結(jié)構(gòu)全部回筑完全成后，再開挖二期2#、4#坑，通過縮短開挖面來減少周邊土體變形。同時在基坑開挖深度至6 m以下直至主體結(jié)構(gòu)回筑完成，鄰近滬昆高鐵限速120 km/h（圖2）。

圖2 1#風(fēng)井兩期開挖平面圖

1.3 靠鐵路側(cè)采用超厚地下連續(xù)墻

根據(jù)基坑一級環(huán)境保護(hù)等級的變形控制要求，上海地區(qū)類似基坑圍護(hù)體的常規(guī)連續(xù)墻厚度為1.2 m。但為了滿足高鐵變形控制標(biāo)準(zhǔn)，將鐵路側(cè)的地連墻加厚到1.5 m，提高了圍護(hù)體的剛度和整體穩(wěn)定性。通過最深基坑5#坑監(jiān)測顯示，鐵路側(cè)比非鐵路側(cè)地連墻最大測斜數(shù)據(jù)小12 mm，表明地連墻厚度的增加對圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體變形控制具有一定效果。

1.4 運用鋼支撐侍服系統(tǒng)主動調(diào)控地下連續(xù)墻變形

本基坑所有鋼支撐均安裝伺服系統(tǒng)，由硬件設(shè)備與軟件程序共同組成的一套智能基坑水平位移控制系統(tǒng)，在基坑開挖過程中，可以24 h 實時監(jiān)控，低壓自動伺服、高壓自動報警，能有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形,支護(hù)效果優(yōu)越，對基坑提供全方位多重安全保障。同時，還通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將支撐軸力監(jiān)測值自動上傳系統(tǒng)，實時推送監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.5 “時空效應(yīng)”理念在基坑開挖過程中的運用

根據(jù)時空效應(yīng)規(guī)律加快施工節(jié)奏，用時間換空間。通過首層開挖、支撐工況，結(jié)合地墻、周邊土體變形監(jiān)測分析總結(jié)，撐握基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，合理配置勞動力和機(jī)械設(shè)備，科學(xué)緊湊的排布施工流程，24 h 三班制作業(yè)，挖一層土、裝一道鋼支撐，用時3 天；挖一層土、澆筑一道砼支撐，用時6天。這樣快挖快撐快封底，利用時空效應(yīng)減少土體變形，取得了較好的效果（圖3）。

圖3 基坑開挖“時空效應(yīng)”規(guī)律圖

2 鄰近高鐵深基坑的承壓水控制方案

為防止因降水造成的高鐵路基沉降，基坑開挖期間，控制承壓水的總體思路是“隔水”，即：基坑全封閉，形成桶式結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)開挖不影響周邊水土穩(wěn)定，具體措施如下。

2.1 地連墻接縫采用十字鋼板止水帶

地墻采用十字鋼板接頭，較難安裝，但止水效果優(yōu)于其他類型接頭。開挖面以上的地連墻兩側(cè)采用三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，止水同時保護(hù)上部土體穩(wěn)定，開挖面以下的地墻接縫采用RJP 工法樁止水，進(jìn)一步提高圍護(hù)體的隔水性。這一步確保了桶式結(jié)構(gòu)的四壁隔水效果（圖4）。

圖4 地連續(xù)墻接縫止水?dāng)嗝鎴D

2.2 N-jet超高壓旋噴樁水平隔水層

從國外引進(jìn)適合于砂層的N-jet工法，在3、4、5號坑底部的承壓水層進(jìn)行 5 m 厚滿堂加固，1、2 號坑采用 4 m 厚 RJP 工法滿堂加固，制造人工隔水層，與地連墻一起形成全封閉的“木桶”底部結(jié)構(gòu)，隔斷坑內(nèi)外的承壓水滲流通道。

N-jet 工法是一種新型超高壓噴射攪拌工藝，其噴射壓強(qiáng)達(dá)40 MPa,在50 m 深的土層成樁直徑能達(dá)5 m。但目前國內(nèi)還沒有施工規(guī)范和驗收標(biāo)準(zhǔn)，用于坑底深層滿堂加固隔水的案例也很少，我們先通過試驗取芯，確定其成樁質(zhì)量和滲透系數(shù)滿足要求后，取得關(guān)鍵施工參數(shù)，再進(jìn)行正式施工（圖5）。

圖5 N-jet封底隔水層平斷面及效果圖

2.3 多種管井有效組合運用

在坑內(nèi)設(shè)降壓井和觀測井，對承壓水層進(jìn)行封閉式降水，坑外設(shè)觀測井和應(yīng)急回灌井。先做降水試驗，滿足條件后開挖。開挖期間采用常壓自動控制回灌裝置，維持坑外承壓水水位基本穩(wěn)定，以確保高鐵路基不下沉（圖6）。

圖6 降壓井、觀測井平面布置圖

3 深基坑與高鐵聯(lián)動的智能化監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

高鐵運營期間不允許人員上道檢查，而基坑施工期間，必須24 h 不間斷觀測軌道變形。常規(guī)的人工監(jiān)測方式費時費力，監(jiān)測頻率、響應(yīng)速度、準(zhǔn)確程度都無法滿足需求，嚴(yán)重耽誤最佳處置時機(jī)。為解決上述難題，利用BIM+GIS+5G 物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)分析等信息技術(shù)，開發(fā)了高鐵與深基坑智能監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)對高鐵的全天候毫米級盯控。

在高鐵沿線8.5 km 布置40 多個萊卡自動監(jiān)測站和1200多個位移監(jiān)測點，并將1號風(fēng)井區(qū)域的測點進(jìn)行雙倍加密，實時測量鐵路變形，同時在由BIM 模型和GIS 地形組成的電子沙盤中，把每個測點演化成一張“娃娃臉”放在對應(yīng)位置。一旦發(fā)生預(yù)警，笑臉迅速變成哭臉并同步發(fā)送微信提醒。同時，系統(tǒng)會彈出報警地點對應(yīng)的監(jiān)控視頻，及時了解現(xiàn)場情況。第三，系統(tǒng)兼容了基坑鋼支撐侍服系統(tǒng)、水位觀測系統(tǒng)、測斜系統(tǒng)，通過調(diào)用多家監(jiān)測單位、十幾種、數(shù)百個監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能分析，推送給參建各方。根據(jù)分析數(shù)據(jù)，召開應(yīng)急會議，快速查找和確認(rèn)原因，制定應(yīng)對措施。第四，迅速啟動應(yīng)急預(yù)案，控制基坑與鐵路變形。比如通過信息化手段遠(yuǎn)程增減支撐軸力、啟動地下水回灌等，也可以根據(jù)需要增設(shè)臨時鋼支撐，快速處置問題（圖7）。

圖7 深基坑與高鐵聯(lián)動的智能化監(jiān)測平面圖

4 實施效果及總結(jié)

本項目通過隔離樁、超厚地連墻、分坑跳挖、伺服系統(tǒng)、快速施工等措施，解決了“土”的問題；通過墻縫止水、坑底隔水、坑內(nèi)降壓坑外回灌等措施，解決了“水”的問題；通過智能自動、高效精準(zhǔn)的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，解決了快速響應(yīng)和應(yīng)急處置問題。

目前，1號風(fēng)井各個基坑已經(jīng)全線封底，隧道主體結(jié)構(gòu)回筑完成。鐵路側(cè)基坑最大變形僅21 mm，在上海地區(qū)同類基坑中表現(xiàn)突出，軌道變形控制在2 mm 以內(nèi)，確保了滬昆高鐵運營安全。

隨著我國市域鐵路的蓬勃發(fā)展，考慮集約用地、快速換乘等需要，鄰近既有國鐵或市域鐵路的深基坑工程還會出現(xiàn)，因次上海機(jī)場聯(lián)絡(luò)線1 號風(fēng)井的技術(shù)方案將會有一定的參考價值。