復雜環(huán)境中隧道深基坑支護關(guān)鍵技術(shù)

林 巧 鄭鳳先 薛九天

1. 上海建工集團股份有限公司 上海 200080；2. 上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

目前，我國城市軌道交通建設正在如火如荼發(fā)展[1-2]，從而帶來了大量的隧道深基坑工程。由于隧道工程沿線跨度較長、周邊環(huán)境緊張，其深基坑工程往往面臨局促的施工空間和復雜的環(huán)境情況，既有建筑物和地下管網(wǎng)密集、車流交通繁忙、地質(zhì)條件起伏多變等難點。由基坑工程施工引起的環(huán)境保護問題變得日益突出，深基坑的開挖受到嚴格的環(huán)境條件制約[3]，必須在保證質(zhì)量、安全等基本要求的前提下，通過合理分析、科學設計和精細管理，最大限度地減輕對周邊環(huán)境對象的負面影響。

1 工程概況

杭州某快速通道工程起始于余杭區(qū)崇賢至老余杭連接線（高架）工程接地點，沿現(xiàn)狀東西大道布置，經(jīng)過一段地面后，以地道形式連續(xù)下穿荊余路、02省道（杭徽高速）以及蔣家潭河，至圣地路與規(guī)劃杭州中環(huán)順接，主路路線全長約2 527 m，采用雙向六車道規(guī)模。本工程平面如圖1所示。

圖1 擬建快速通道工程平面示意

主線隧道由敞開段和暗埋段組成：北敞開段位于荊余路以北，南敞開段位于蔣家潭河以南，暗埋段下穿荊余路橫向道路后分離為獨立兩孔，過杭徽高速Ⅰ號匝道橋及主橋基礎后合并為雙孔箱涵形式。隧道總長度2 004 m；北部敞開段長度431 m，采用U形槽式結(jié)構(gòu)，基坑深度2.9～9.3 m；中部暗埋段總長度1 284 m，采用雙孔分離和合并布置的單/雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，下穿蔣家潭河區(qū)段設置空腔夾層形成雙層雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，基坑深度5.7～18.5 m；南部敞開段長度289 m，采用U形槽式結(jié)構(gòu)，基坑深度為0～5.7 m。

1.1 環(huán)境情況

本工程位于浙江省杭州市余杭區(qū)老余杭街道范圍內(nèi)，大致走向沿主干道東西大道按南北方向布置，路面下市政管網(wǎng)密布，北側(cè)局部區(qū)段與杭臨線盾構(gòu)區(qū)間并線，沿途兩側(cè)分布有復地上城、華塢新苑、庭院深深等眾多居民小區(qū)，并橫穿荊余路、杭徽高速2條干道，跨越蔣家潭河一條河流水系，環(huán)境條件復雜敏感，保護要求極高。

1.2 地質(zhì)條件

本工程場地屬于第四系坡洪積斜地和湖沼平原地貌，沿線地勢總體較平坦。場區(qū)地層分布從上至下依次為①1雜填土、①2素填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤粉質(zhì)黏土、⑥1全風化粉砂巖、⑥2強風化粉砂巖、⑥3中風化粉砂巖、⑦1全風化砂巖、⑦2強風化砂巖、⑦3中風化砂巖。

場地內(nèi)的特殊性巖土主要包括雜填土、軟土及風化巖石：分布于場地表部的①1、①2層厚度變化較大，一般為0.5～6.0 m，均勻性差、欠密實、性質(zhì)差異變化大；③層黏土是場地內(nèi)主要軟土層，土體呈流塑狀，具有低強度、高壓縮性，有較明顯的蠕變、觸變特性；位于場地下部的風化基巖主要為泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖，全場分布，其水理性質(zhì)差，遇水易軟化，同時巖性不均勻，沿線巖體風化厚度變化較大。

影響本路段施工地下水類型主要為孔隙潛水和基巖裂隙水。孔隙潛水與河流地表水的水力聯(lián)系密切，呈水力互補的狀態(tài)；淺層雜填土中的潛水具有各向異性、透水性好的特點，但給水度有限；黏性土、淤泥質(zhì)黏土中的潛水透水性較差，水量貧乏，是相對隔水層。基巖裂隙水賦存于底部的⑥大層、⑦大層中，主要受側(cè)向補給和上部地表雨水、潛水入滲補給，徑流緩慢，向下游排泄，水量微弱。

2 基坑總體設計方案

本工程除庭院深深小區(qū)范圍出于通行需求采用半蓋挖順作外，基坑全線均采用明挖法施工，并根據(jù)各區(qū)段基坑情況、環(huán)境特點，主要采用了放坡開挖、鉆孔灌注樁圍護墻＋內(nèi)支撐2種支護形式，以保障既有建（構(gòu)）筑物的安全，達到安全性、經(jīng)濟性的統(tǒng)一。

由于項目規(guī)模大、建設工期緊，環(huán)境保護要求較高，且施工期間需保證地面交通，考慮將整個工程由北向南劃分為4個區(qū)段、3個節(jié)點。4個區(qū)段為：區(qū)段Ⅰ位于荊余路節(jié)點以北，區(qū)段Ⅱ緊鄰區(qū)段Ⅰ并位于荊余路南側(cè)、至杭徽高速路口為止，區(qū)段Ⅲ穿越庭院深深小區(qū)、終止于蔣家潭河節(jié)點，區(qū)段Ⅳ位于蔣家潭河節(jié)點以南。3個節(jié)點為：穿荊余路節(jié)點R、下穿杭徽高速節(jié)點Q及穿蔣家潭河節(jié)點H。基坑平面分區(qū)如圖2所示。

圖2 基坑施工平面分區(qū)示意

整個基坑工程分為4階段施工，總體工序為先區(qū)段、后節(jié)點，后施工分區(qū)在先施工分區(qū)回筑覆土后方可開挖。

第1階段：Ⅰ-1、Ⅱ-1、Ⅲ-1、Ⅳ-1基坑支護以及開挖施工。

第2階段：Ⅰ-2、Ⅱ-2、Ⅲ-2基坑支護及開挖施工。

第3階段：Ⅱ-3、Q-3、H-3基坑支護及開挖施工。

第4階段：R-4、Q-4、H-4基坑支護及開挖施工。

3 基坑支護關(guān)鍵技術(shù)

3.1 施工期間交通組織技術(shù)

本高速路工程建設周期長、影響范圍廣，東西大道既是余杭區(qū)東西貫通的一條交通主干道，同時也是沿線居住小區(qū)到達性交通的主要出行通道，因此在其下方進行隧道開挖施工必將對原有城市交通產(chǎn)生負面影響，給社會公眾出行帶來較大沖擊。為處理好隧道施工與道路交通的矛盾，保障基坑施工期間城市生產(chǎn)、生活的順利進行，將工程建設對城市交通的影響程度降到最低，在建設前期針對道路交通疏解開展重點研究是十分必要的[4]。

本工程從優(yōu)化施工統(tǒng)籌、改善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和提高通行效率等角度出發(fā)，結(jié)合基坑階段分期和疏散通道布置對施工期間的交通組織進行了專項設計。

第1階段施工期間，以杭徽高速為界，以北路段整體向東側(cè)翻交，以南路段整體向西側(cè)翻交，占用東西大道外側(cè)綠化帶或農(nóng)田空地保證通行流量，庭院深深小區(qū)范圍在西線隧道頂部設置棧橋蓋板用于臨時通車（圖3）。

圖3 第1階段施工期間交通疏解方案

第2階段施工期間，杭徽高速與荊余路之間的區(qū)段Ⅱ東線施工，故該區(qū)段向西側(cè)翻交至先期施工完成的西線隧頂?shù)缆罚溆鄥^(qū)段基本維持上階段交通組織安排（圖4）。

圖4 第2階段施工期間交通疏解方案

第3階段施工期間，除節(jié)點外其余區(qū)段道路基本恢復正常通行，杭徽高速節(jié)點Q施工期間翻交至空間較寬裕的東側(cè)，蔣家潭河節(jié)點H施工期間維持在西側(cè)通行（圖5）。

圖5 第3階段施工期間交通疏解方案

第4階段施工期間，荊余路節(jié)點R翻交至北側(cè)先期施工完成的隧頂?shù)缆罚溆鄥^(qū)段基本維持上階段交通組織安排直至施工完成（圖6）。

圖6 第4階段施工期間交通疏解方案

3.2 盾構(gòu)區(qū)間并行段支護技術(shù)

主線隧道北側(cè)敞開段約300 m范圍與地鐵杭臨線盾構(gòu)區(qū)間并行，盾構(gòu)埋深26～31 m，與隧道水平投影距離約8 m，該段基坑開挖深度2.9～9.3 m，且盾構(gòu)區(qū)間先于隧道實施，是基坑實施過程中的重點保護對象（圖7）。

圖7 主線隧道與杭臨線盾構(gòu)區(qū)間平面位置關(guān)系

本區(qū)段基坑挖深不大，且北端兩側(cè)均為丘陵空地、場地空間開闊，故對開挖深度小于4 m的區(qū)段采用一級放坡開挖至基底，同時要求坡頂5 m范圍內(nèi)禁載，以提高在填土層中開挖邊坡的整體穩(wěn)定性；對開挖深度4～9 m的區(qū)段采用直徑600（800） mm鉆孔灌注樁圍護結(jié)合1～2道鋼筋混凝土或鋼管內(nèi)支撐的支護形式，以滿足不同深度基坑開挖穩(wěn)定和變形控制要求。

由于地鐵隧道對變形極為敏感，為預估基坑支護方案實施期間對盾構(gòu)區(qū)間的影響，采用ABAQUS有限元數(shù)值模擬分析基坑開挖卸荷產(chǎn)生的環(huán)境擾動影響[5]（圖8、圖9）。隧道敞開段與杭臨線區(qū)間距離最近、影響最大的ZK0＋423.00—DK0＋370.00區(qū)段，基坑深度6.2～8.7 m，基坑寬度29.4～31.7 m，基坑底部距離待建杭臨區(qū)間隧道頂部最近11.7 m，支護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)與區(qū)間隧道最小距離7.7 m。隧道外徑6.7 m，襯砌厚度350 mm。

圖8 整體模型及襯砌結(jié)構(gòu)位移分析云圖

圖9 襯砌結(jié)構(gòu)主應力分析云圖

從圖8所示位移分析結(jié)果可知：杭臨線襯砌結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.25 mm，最大水平位移發(fā)生在盾構(gòu)底部，位移朝向基坑；杭臨線襯砌結(jié)構(gòu)最大豎向位移為0.9 mm，發(fā)生在隧道右側(cè)，位移方向朝上；均小于地方標準[6]對軌交結(jié)構(gòu)變形最嚴格控制標準5 mm，表明現(xiàn)有支護措施能有力保證盾構(gòu)區(qū)間的結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)圖9所示主應力分析結(jié)果，隧道結(jié)構(gòu)的最大壓應力為512 kPa，發(fā)生在隧道襯砌底部，壓應力遠小于結(jié)構(gòu)強度，且未出現(xiàn)拉應力，表明襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.3 下穿高架低擾動支護技術(shù)

主路隧道在里程D/XK0＋730.00—D/XK0＋800.00處兩線分離下穿杭徽高速匝道橋和主線橋，影響3個匝道橋墩和3個主線橋墩。基坑施工期間需注意對橋梁結(jié)構(gòu)的保護。

3.3.1 匝道橋支護方案

匝道橋與主線隧道交角約80°，受影響匝道橋墩號為1#、2#、3#，橋底距現(xiàn)狀地面凈高約13 m，均采用640 cm×250 cm×200 cm矩形承臺，下設3根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基，其中1#橋墩承臺頂標高6.80 m、樁長16.2 m，2#橋墩承臺頂標高6.40 m、樁長15.8 m，3#橋墩承臺頂標高5.10 m、樁長22.4 m，上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。

東線隧道基坑內(nèi)邊線距離1#承臺邊約2.5 m，距離2#承臺邊約3.5 m；西線隧道基坑內(nèi)邊線距離2#承臺邊約8.8 m，距離3#承臺邊約1.2 m。其中，3#承臺與西線隧道平面相擾，大部分承臺基礎位于西線隧道內(nèi)部，承臺樁基會阻礙隧道基坑開挖施工。

本節(jié)點基坑開挖深度約12.5 m，為保護兩側(cè)橋墩承臺，基坑采用直徑1 000 mm鉆孔灌注樁圍護結(jié)合3道內(nèi)支撐（第1道為鋼筋混凝土支撐、第2、第3道為帶軸壓伺服系統(tǒng)鋼支撐）的強支護形式；并選用MJS旋噴樁施工套打止水帷幕，加強隔水效果；同時，對承臺和樁基上部填土及黏土層采用全方位高壓旋噴注漿（MJS）加固置換，深度至全風化粉砂巖，以減少基坑開挖引起的承臺與樁基位移。此外，為避免卸載不均衡引起的側(cè)向附加變形，施工期間要求東、西線基坑同步開挖施工，且兩坑開挖面高差始終不得超過1 m。

其中，3#承臺沖突節(jié)點原考慮采用拆除重建方案，即先拆除該段匝道橋，待隧道結(jié)構(gòu)施工完成后再行重建。由于東西大道為城區(qū)主干道，車輛通行頻繁，交通流量巨大，建設方要求隧道穿越施工必須保證高架的正常交通能力，因此排除了重建方案的可行性，而線路坡度的限制與承臺樁基的布置使得隧道無法從樁基下方或中間穿越，經(jīng)多方案比選最終決定按一次轉(zhuǎn)換進行橋墩托換施工，在托換施工完成后保護性開挖隧道基坑。

3.3.2 主線橋支護方案

主線橋與主線隧道基本正交，受影響主橋墩號為344#、345#、346#，橋底距現(xiàn)狀地面凈高約13 m，均采用740 cm×630 cm×200 cm工字形承臺，下設4根直徑1.5m鉆孔灌注樁基，其中344#橋墩承臺頂標高7.80 m、樁長24.7 m，345#橋墩承臺頂標高7.30 m、樁長21.3 m，346#橋墩承臺頂標高6.900、樁長15.6 m；上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土斜腹式整體箱梁。

東線隧道基坑內(nèi)邊線距離344#承臺邊約1.1 m，距離345#承臺邊約7.1 m；西線隧道基坑內(nèi)邊線距離345#承臺邊約1.0 m，距離346#承臺邊約1.8 m。

本節(jié)點基坑開挖深度約12.5 m，為保護兩側(cè)橋墩承臺，采用的支護方案基本同前述匝道橋節(jié)點。此外，在第1道鋼筋混凝土支撐澆筑時，另從頂圈梁向外局部施作一塊素混凝土傳力板帶頂住鄰近承臺側(cè)面，以進一步限制主橋承臺側(cè)移。

3.4 狹窄空間保護性支護技術(shù)

主線隧道中段D/XK0＋820.00—ZK1＋360.00里程范圍緊貼庭院深深小區(qū)建筑，從小區(qū)中部穿過，小區(qū)建筑包括東區(qū)7棟15—25層高層住宅和西區(qū)6棟11—26層高層住宅，均帶1層地下室（埋深約4.2 m），地下室采用梁板式筏板基礎，樁基分別選用抗拔錨桿（東區(qū)）和鉆孔灌注樁（西區(qū)），以中/強風化巖層作為持力層。

該區(qū)段隧道結(jié)構(gòu)由東西分離合并為雙孔箱涵，隧道基坑內(nèi)邊線距離建筑5.7～15.2 m，基坑挖深12.6～17.0 m，基坑施工應注意對小區(qū)建筑的保護。

為保護兩側(cè)住宅建筑，本區(qū)段基坑采用直徑1 000 mm鉆孔灌注樁作為圍護結(jié)構(gòu)，并按照開挖深度的增加情況設置3～4道鋼筋混凝土/鋼管支撐作為支撐體系；同時為滿足施工期間出行需求，結(jié)合西線隧道頂部第1道鋼筋混凝土支撐布設半幅臨時棧橋，采用半蓋挖順作法施工。

此外，本區(qū)段北側(cè)XK0＋865.80位置處的西線隧道緊貼小區(qū)現(xiàn)狀圍墻敷設，最小間距僅742 mm（圖10），難以施工設計寬度的圍護結(jié)構(gòu)，因此考慮在空間逼仄部位換用直徑700 mm鉆孔灌注樁，采用MJS樁套打施工兼作止水。影響范圍內(nèi)的圍護樁均同時作為使用階段主體結(jié)構(gòu)的一部分形成強化復合外墻，灌注樁的施工與驗收按永久結(jié)構(gòu)國家有關(guān)規(guī)范規(guī)程要求實施，滿足100年合理使用年限。施工單位在該區(qū)段施工前亦應做好現(xiàn)場的量測與施工準備，施工時盡可能減少對既有圍墻的影響，對于因施工作業(yè)需要，局部需侵入圍墻的情況，施工單位應提前反饋給建設各方，并與小區(qū)所在街道、業(yè)委會充分溝通對接后，采取切實可行的拆除復建方案。

圖10 庭院深深小區(qū)北側(cè)節(jié)點平面示意

4 結(jié)語

針對城區(qū)軌道交通深基坑開挖過程中面臨的施工空間局促狹小、周邊環(huán)境敏感復雜等難題，以杭州地區(qū)某快速通道深基坑工程為背景，對其建設過程中根據(jù)不同挖深、環(huán)境、施工條件，綜合考慮安全、經(jīng)濟、便捷等因素，制定的具有針對性的基坑支護技術(shù)與環(huán)境保護措施進行詳細闡述，能夠極大降低基坑工程建設對周邊環(huán)境的不良影響，具有較好的工程意義和社會效益。