深大基坑施工對(duì)下臥運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的保護(hù)技術(shù)
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(jì)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(zhǎng)度為470m，其中暗埋段長(zhǎng)200m、敞開(kāi)段長(zhǎng)270m。下立交所在六岔路口通過(guò)世紀(jì)大道連接已建延安東路隧道，通過(guò)東方路連接建設(shè)中的大連路隧道，通過(guò)張楊路連接建設(shè)中的復(fù)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(kuò)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(duì)這樣的形勢(shì)，浦東新區(qū)區(qū)委區(qū)政府啟動(dòng)了“一橋兩隧”配套項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)與建設(shè)中的盧浦大橋、復(fù)興東路隧道、大連路隧道工程相應(yīng)的道路節(jié)點(diǎn)和路網(wǎng)進(jìn)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(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)和重點(diǎn)工程。
2 工程建設(shè)條件
1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)
工程所在地地基土從其結(jié)構(gòu)特征、土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異可劃分為十一個(gè)工程地質(zhì)(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(gòu)成與特征詳見(jiàn)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(guò)，自北向南依次為明珠線二期（M4）區(qū)間隧道、地鐵二號(hào)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(hào)線現(xiàn)在已經(jīng)建成并處于運(yùn)營(yíng)階段；明珠線二期現(xiàn)正處于建設(shè)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(guān)系如下：
1） R2：與下立交交叉處盾構(gòu)隧道頂標(biāo)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(zhì)粉質(zhì)粘土和④灰色淤泥質(zhì)粘土中。
2） M4：與下立交交叉處盾構(gòu)隧道頂標(biāo)高約為-12.00m，隧頂距地道底板最近處約為10m，距離北側(cè)管廊底板約6m.隧道位于④灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1灰色粘土和⑤1-2灰色粉質(zhì)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(biāo)高關(guān)系參見(jiàn)圖1、圖2。
3 工程特點(diǎn)和難點(diǎn)
本工程最大的特點(diǎn)在于同時(shí)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(jìn)行大面積的深基坑工程施工活動(dòng)，這導(dǎo)致本工程具有如下難點(diǎn)：
3.1 對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的保護(hù)
正在運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道對(duì)變形控制要求極高，根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》,各種卸載和加載活動(dòng)對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的影響限度必須符合：
1） 地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對(duì)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(duì)彎曲≤1/2500。
本下立交處地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道頂部覆土在下立交基坑開(kāi)挖前為9.5m，開(kāi)挖后剩余2.8m，卸荷比例達(dá)到70%，卸荷面積達(dá)到18.1m×53m，隧道上方挖土卸荷面積和卸荷比例國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)。能否在本下立交施工的全過(guò)程中確保地鐵R2線區(qū)間隧道的正常運(yùn)營(yíng)成了本工程能否順利實(shí)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(yùn)營(yíng)，在本工程的方案和可行性研究階段，曾經(jīng)設(shè)想過(guò)沿東方路方向建上立交跨越世紀(jì)大道，但是考慮到世紀(jì)大道是浦東新區(qū)標(biāo)志性的景觀大道，若在此路口建上立交將嚴(yán)重影響世紀(jì)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(wèn)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(wú)覆土的淺埋方案，由于下立交地處世紀(jì)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(gè)地鐵車站、地下空間極其緊張，這給張楊路、世紀(jì)大道方向的地下管線穿越本下立交帶來(lái)極大困難。能否圓滿解決地下管線改排問(wèn)題成了本工程能否順利實(shí)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(shí)施帶來(lái)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(cè)新建道路下，但是世紀(jì)大道和張楊路方向的管線穿越卻存在極大的困難。這兩個(gè)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(guò)研究，世紀(jì)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(cè)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(wú)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)層中設(shè)套管穿越，由于鋼管存在防腐問(wèn)題，套管宜采用非金屬材料?？紤]到管線穿越會(huì)削弱結(jié)構(gòu)的受力，此方法也只能解決小部分管線的穿越問(wèn)題。
3） 公用管線廊道
由于前兩種方法只解決了世紀(jì)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(méi)有出路，本設(shè)計(jì)首次采用在下立交南北兩側(cè)底板下設(shè)下穿式公用管廊穿越東方路的新技術(shù)。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(nèi)考慮設(shè)置檢修通道、消防以及監(jiān)控等設(shè)施，因此管廊的外形尺寸較大 。由于從管廊內(nèi)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(shè)于管廊內(nèi)的管徑較大的套管中穿越。為解決管線檢修問(wèn)題，在下立交兩側(cè)各設(shè)一座豎井。和共同溝方案相比，此方案簡(jiǎn)化了管線過(guò)路口的方法，減輕了對(duì)地鐵的不利影響，有利于加快施工進(jìn)度。管廊與下立交的平、立面關(guān)系參見(jiàn)圖1、圖2，管廊橫斷面及功能分配見(jiàn)圖3。
4.2 地鐵保護(hù)
下立交基坑開(kāi)挖過(guò)程中，土體卸載必然會(huì)引起基坑內(nèi)的一定范圍內(nèi)的土體的回彈。在基坑回彈方面，現(xiàn)有許多計(jì)算模型和方法，包括分層總和法、曲線模型法、超固結(jié)法、殘余應(yīng)力法、應(yīng)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(jì)算方法的研究而非回彈場(chǎng)的研究、有些計(jì)算方法雖然計(jì)算理論完善但計(jì)算參數(shù)（如回彈指數(shù)）不易獲得，所以盡管計(jì)算基底隆起的方法，但大多并不方便實(shí)用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差很大。
另一方面，已經(jīng)建成并正在運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道對(duì)變形的要求極其嚴(yán)格，這與目前工程界對(duì)如何有效預(yù)測(cè)和控制隧道變形的現(xiàn)狀形成了一對(duì)矛盾。工程界亟須一種有效的、實(shí)用的、系統(tǒng)的控制隧道變形的新技術(shù)，以指導(dǎo)日益增多的在已建地鐵隧道上方進(jìn)行的大規(guī)?；邮┕?，本設(shè)計(jì)就此進(jìn)行了一些探索工作，以期改善工程界碰到類似工程時(shí)“頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳”的做法。
影響基底位移場(chǎng)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(kāi)挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、插入深度比等）、基坑底部狀況（土層性質(zhì)、是否有樁基、土體的殘余應(yīng)力）、開(kāi)挖參數(shù)（總卸荷量及比例、每次開(kāi)挖卸荷量、無(wú)支撐暴露時(shí)間）。由于基坑平面尺寸、開(kāi)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(hù)結(jié)構(gòu)、坑底及隧周土體、單次卸荷量、基坑無(wú)支撐暴露時(shí)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(shù)措施：
1) 地基加固
根據(jù)Winkler的理論，假設(shè)隧道為彈性地基上的無(wú)限長(zhǎng)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(zhǎng)度地基的基床系數(shù)，與土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C、Ф值等指標(biāo)有關(guān)。
由式（1）可知，如果對(duì)基坑底部及隧道周邊土體進(jìn)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(jìn)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(diǎn)如下：
水泥土攪拌法：適宜于加固淤泥、淤泥質(zhì)土等土層，加固效果較好，成樁可采用國(guó)產(chǎn)雙軸攪拌機(jī)或進(jìn)口（日本）三軸攪拌機(jī)，其中雙軸機(jī)施工時(shí)對(duì)周圍環(huán)境影響較大，而三軸機(jī)械施工時(shí)對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小。
雙液分層注漿，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，但其加固效果有限，施工質(zhì)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(zhì)量易于控制，但是施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)程度較深層攪拌樁大。
為了減輕地基加固施工時(shí)對(duì)已建地鐵隧道的影響，本工程對(duì)地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道周邊土體、以及隧道上方的N01、N02段基坑內(nèi)土體實(shí)行深層攪拌樁加固。加固采用進(jìn)口三軸機(jī)械成樁，而對(duì)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(bǔ)強(qiáng)。深層攪拌樁和雙液分層注漿加固體28天無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu28≥1.2Mpa。
2) 圍護(hù)結(jié)構(gòu)
由于基坑底距R2隧道頂部只有不到3m覆土，圍護(hù)方案的選擇應(yīng)主要考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)地鐵區(qū)間隧道的影響，同時(shí)兼顧其它因素。適合的圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(diǎn)如表2。
表2圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選
圍護(hù)型式 環(huán)境影響 工程經(jīng)驗(yàn) 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(bào)道 缺少類似經(jīng)驗(yàn)
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(hù)結(jié)構(gòu)具有占地少、剛度大、施工時(shí)環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)，但是由于本工程技術(shù)難度較大、工期又十分緊張，而咬合樁在上海地區(qū)沒(méi)有施工經(jīng)驗(yàn)，為了確保工程的安全可靠度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用施工工藝成熟、施工質(zhì)量易于控制的SMW工法，其中的深層攪拌樁采用施工時(shí)對(duì)周邊土體影響較小的進(jìn)口三軸機(jī)成樁。
3) 抗拔樁
在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道兩側(cè)設(shè)置抗拔樁并使其與下立交底板有效連接后，就相當(dāng)于在地鐵隧道周邊加了一道保護(hù)“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(guò)程中對(duì)地鐵影響較小的深層攪拌樁內(nèi)插型鋼的SMW工法，其中的深層攪拌樁亦采用進(jìn)口三軸機(jī)械成樁?？拱螛镀矫娌贾脜⒁?jiàn)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(kāi)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(shí)空效應(yīng)理論，隧道的變形還與基坑無(wú)支撐暴露的時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)，基坑無(wú)支撐暴露的時(shí)間越短，基坑及隧道的回彈變形越小?；诖耍琑2線上方的下立交基坑開(kāi)挖遵循沿R2線隧道縱向分層、分塊、限時(shí)施工的原則進(jìn)行，結(jié)構(gòu)施工亦分段進(jìn)行。為了保證分塊施工時(shí)坑內(nèi)邊坡的安全，必須對(duì)坑內(nèi)土體進(jìn)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(wèn)題、鋼筋連接問(wèn)題等可通過(guò)加強(qiáng)施工縫內(nèi)防水構(gòu)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(shè)計(jì)為沿R2線隧道縱向分9塊施工，每一塊的垂直長(zhǎng)度約2m。實(shí)際施工時(shí)根據(jù)工程的進(jìn)度要求、同時(shí)結(jié)合對(duì)隧道變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分塊數(shù)量改為5塊，每一塊垂直長(zhǎng)度相應(yīng)改為3~4.5m。(圖6)每一節(jié)施工中土體開(kāi)挖沿深度方向分層進(jìn)行，第一層厚度約為1~2m，以便第一道圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，剩下的土體一次挖完、且盡量在地鐵車輛停運(yùn)期間進(jìn)行。每一節(jié)的土體開(kāi)挖完成后，必須限時(shí)澆筑結(jié)構(gòu)底板，第二層土體開(kāi)挖結(jié)束到底板澆筑完，必須在第一日晚地鐵車輛停運(yùn)至第二日晨地鐵運(yùn)營(yíng)前完成。
5) 堆載
在先期完成的結(jié)構(gòu)上方堆載可以部分抵消挖土所引起的卸荷效應(yīng)，減少隧道的回彈變形量。堆載在底板砼達(dá)到一定強(qiáng)度（終凝）后進(jìn)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(shù)措施的實(shí)施、確保技術(shù)其使用效果，施工過(guò)程中加強(qiáng)了對(duì)地鐵隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)行了信息化施工。
5 工程效果
已經(jīng)建成并正在運(yùn)營(yíng)中的地鐵隧道對(duì)變形的要求極其嚴(yán)格，目前工程界對(duì)如何有效控制運(yùn)營(yíng)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(duì)性。本工程采取了一系列具有創(chuàng)造性的新技術(shù)，使得工程 能按期、按質(zhì)順利完成。本工程取得的成果可總結(jié)如下：
1．根據(jù)對(duì)運(yùn)營(yíng)中的R2線區(qū)間隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)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(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》的要求，曲率半徑、相對(duì)彎曲的指標(biāo)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(jì)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(fù)興路隧道通車后急劇增長(zhǎng)的交通需求形勢(shì)，改善陸家嘴乃至整個(gè)新區(qū)的道路交通條件，促進(jìn)浦東的開(kāi)發(fā)和開(kāi)放。
2．本工程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)下立交施工所引起的變形進(jìn)行了開(kāi)拓性的分析預(yù)測(cè)，同時(shí)，對(duì)橫穿地鐵施工的變形控制、開(kāi)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(lái)的諸如鋼筋連接、施工縫防水等問(wèn)題立專題研究，對(duì)本工程的施工具有顯著的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)類似鄰近地鐵的工程項(xiàng)目具有較高的參考價(jià)值。
3．對(duì)由隧道淺埋而引起的地下公用管線穿越問(wèn)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(shí)施，同時(shí)可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)。
6 結(jié)語(yǔ)
東方路-張楊路下立交工程設(shè)計(jì)中采用了一整套控制已建隧道變形的新技術(shù)，克服了以往類似工程因?qū)Φ罔F工程保護(hù)不力而不能實(shí)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(shí)施，也為同類工程提供有針對(duì)性的、通用的、系統(tǒng)的技術(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)和地基加固施工時(shí)對(duì)隧道的影響超出了預(yù)想的數(shù)值，所幸在開(kāi)挖階段能按設(shè)計(jì)規(guī)定的施工程序進(jìn)行，工程結(jié)束時(shí)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(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》所要求的范圍內(nèi)。如果在施工周期、分塊尺寸、地基加固等方面適當(dāng)改進(jìn)，則類似基坑施工時(shí)對(duì)隧道的影響可以控制在更加小的范圍內(nèi)，工程的安全可靠度亦可相應(yīng)提高。
選自《城建集團(tuán)第三屆科技大會(huì)論文集》
