明挖结构上跨盾构隧道施工上浮问题研究

明挖结构上跨盾构隧道施工上浮问题研究

张德厚

北京住总集团有限责任公司轨道交通市政工程总承包部，北京市 100041

摘 要：近些年我国城市人口持续不断增多、私家车保有量暴增，市内交通日益拥堵已经成了全国各大城市的一大棘手问题，而地铁具有安全、舒适、环保、不拥堵的特点，可以极大方便广大市民的出行。因此，当下地铁建设已经成为各大城市解决城市交通拥堵的重要举措，目前我国已经有41座城市开通了地铁，特别是我国的一、二线城市，城市规模大，动辄数十条的地铁规划规模和数条线路同时开工建设。由于地铁线路网密集，目前在建地铁项目的上跨、下穿已经成为新常态，成为施工中面临的新课题。同时，为满足城市的扩张，大部分城市提前对初始开发区域进行地下工程建设，为减少建造成本、加快施工进度，明挖法成了优先的选择，但区间结构上浮问题往往容易被施工建设者所忽视，结构上浮若处理不当，轻则造成地铁开通运营后的舒适度及维护难度，重则造成列车行车安全、甚至人员伤亡的重大问题。鉴于此，文章以某地下快速路与地铁同期施工过程中明挖结构上跨盾构隧道施工上浮为例，分析了该区间隧道结构上浮的原因，并根据上浮后的结构状况，在满足设计及运营功能的情况下，给出了最经济的施工处置措施，最后结合该案例的实施处置经验，提出了区间结构上浮处置质量控制措施，为类似结构上浮治理提供参考。

关键词：明挖结构；上跨盾构；隧道施工；上浮问题

1 工程概况

1.1 工程概述

某市A公路快速化改造工程主路采用明挖法在原线路处修建双洞矩形隧道，其与下卧地铁1号线（在建）平面共线，如图1 所示。该工程全程双向闭合框架空间位置位于地铁的双向隧道盾构区间正上方。在A路工程修建完成后，自上而下空间位置关系分别是恢复后的原路面、新建隧道、既有地铁线路。A路工程结构顶部距离地表 5m，结构底板距离地铁盾构区间外轮廓 6 ～ 12 m。全线采用明挖施工，基坑全幅开挖段标准段宽度为38．2 m，标准深度达17．2 m。场区地质条件复杂，位于填海区域，地层稳定性差。

图1 A路与地铁1号线典型断面示意图 ( 单位: m)

明挖基坑上跨盾构隧道长度约1km。盾构隧道先于上跨段明挖基坑施工，为防止明挖基坑施工对盾构隧道影响，需将对正线有影响的围护结构先期施工完成后，方可盾构掘进。待盾构掘进完成后，将盾构隧道管片内堆载2/3砂袋进行加载后方可进行基坑开挖。

本工点范围内自上而下地层主要是填土、粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩、散体状强风化花岗岩、碎裂状强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。明挖基坑底板持力层主要位于残积砂质黏性土、全风化花岗岩和散体状强风化花岗岩中。

地下水主要有第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于黏性土层中，以孔隙潜水为主。人工填土层中局部存在上层滞水，地下水位埋深0.5～5.3m，均位于设计底板以上[1]。基坑开挖施工时，采用井点降水与明排相结合，并在围护桩间设置截水帷幕。

1.2 明挖结构上跨盾构区间的风险分析

明挖基坑上跨盾构区间，主要风险有以下几个方面：（1）盾构管片上浮对已完工的盾构隧道造成破坏性影响，考虑到正线盾构管片作为盾构区间永久性结构，一旦在明挖结构施工中造成管片上浮，将对盾构隧道结构和线形造成不可逆的破坏。（2）基坑底部隆起对基坑稳定性造成很大的影响，在基坑周边依然存在民用建筑及多条重要管线的情况下，基坑安全面临的风险极高[2]。

2 施工过程论述

2.1 施工方案编制审批和执行情况

根据设计单位的计算书，设计经过计算，在采取设计措施后可确保受影响盾构管片在明挖基坑开挖减少管片覆土过程中管片上浮、水平位移、收敛变形等均在规范许可范围内。明挖基坑开挖前编制了基坑开挖及降水安全专项施工方案，并进行了专家评审；同时针对该区域的正线管片情况，又单独编制正线管片保护安全专项方案，并进行了专家评审。针对明挖基坑上跨盾构隧道施工主要有以下几点要求：

（1）管片内监测。基坑开挖过程中在上跨段正线管片内布设洞内监测点，主要进行管片内部收敛及沉降观测[3] 。

（2）开挖作业。上跨盾构隧道部分采用分段分小块开挖、快速施工底板的施工方法，与设计对接综合底板各工序施工时间，拟将上跨段明挖基坑主体结构底板分段。根据设计计算书，在基坑开挖深度距盾构管片顶部符合设计标准时，对正线盾构管片无影响。基坑开挖顺序：分层开挖至管片顶部→加载对应下方段及下一段管片→对应分段底板施工完成（5d）→依次开挖下一段。开挖过程中严格按照分层、分段开挖要求施工。对明挖基坑上跨盾构正线部分，第一二层土方采用PC220挖机进行开挖，第三层土方采用PC120挖机进行开挖并预留0.3m，基坑底以上0.3m部分采用人工开挖。

（3）盾构管片加载。在基坑开挖前在盾构管片内堆载沙袋压重，堆载高度为洞身2/3高，在局部监测点位置可适当调整堆载高度。

（4）管片的加固和防水保护。明挖基坑开挖前进行袖阀管注浆，注浆范围为盾构隧道周边3m，采用水泥单液浆，同时起到周边地层加固及防水的效果。明挖基坑与盾构隧道平面共线段及相邻30m范围内对正线管片进行加固，在管片内部用8根20a槽钢将管片纵向连接，加强管片连接整体性和稳定性。

2.2 施工方案的调整

由于该工程房屋拆迁、管线改移、交通导行工作严重滞后，又需在地铁盾构区间贯通后方可施工。地铁建设单位已制定了全线轨通的节点目标，设计单位和原方案制定的管片内沙袋加载保护措施将影响铺轨施工，要求方案进行调整。

调整思路参考：地铁工程相邻车站主体结构施工采用“先隧后站”法施工。车站范围内盾构区间贯通后进行基坑开挖，基坑开挖过程中需要将站内盾构管片揭露和挖除，且地质与明挖基坑地质相近，施工参数可以借鉴。

基坑开挖和管片挖除已全部完成，基坑开挖过程中施工单位对站内盾构管片在整个基坑开挖过程中各个工况进行了施工监测，其中监测项目有地下水位、管片收敛、管片水平位移、管片竖向位移及管片揭露后在雨天的上浮情况。车站在基坑降水至正线管片底部以下，管片内部采用拉紧装置拉紧效果可以满足管片之间不发生松弛而导致引起渗漏。基坑开挖至管片顶部过程中管片内部监测结果均未超过规范要求，且在揭露管片后在管片顶部进行监测。车站与本例明挖基坑地质相近，在采取以上措施后可保证明挖基坑开挖过程对盾构区间正线管片的影响在可控范围之内[4]。建设单位总体安排要求优先保证地铁项目轨通节点，同时建议地铁项目铺轨单位预留对应段落道床不浇筑砼，采用枕木临时通过，用于调线调坡，消除管片上浮对线路的影响。针对不压载的施工方案调整，项目部制定了提前准备了水袋压载的应急措施可在管片上浮时有效控制管片上浮的风险，并在出现上浮情况下12h内完成水袋压载，控制了管片上浮现象，后经专家同意对方案进行了调整。

2.3 管片上浮事件的发生

上浮的主要影响因素：开挖工况的影响通过对地铁盾构区间上浮监测数据与对应工况、时间分析，发现隧道上浮变形与基坑土方开挖有明显的对应关系。随着土体的逐层（共3 层） 开挖，累计上浮量不断增大，其中坑底最后一层开挖时隧道上浮变形发展最快，并达到累计最大值（3.49mm）。可见，挖除土体卸载对上浮影响效果显著。

基坑开挖引起地铁盾构区间累计上浮量与开挖位置距离关系曲线呈正态分布，开挖位置的累计上浮量最大，上浮量随着与开挖位置的距离增加不断减小，在距离开挖位置50 m 以外的范围，卸土对地铁上浮几乎没有影响。地铁上浮过程主要集中于基坑内土方开挖过程，其中第3 层土方开挖时上浮最为显著。地铁盾构区间管片上浮是一个持续的过程，与基坑开挖卸土时间有很大关系，加快施工进度有助于减小累计上浮量，总结为1 个字——“快”。

结构施工的影响对开挖基坑绘制立体模型进行分析，对比结构及上方覆土施工前后的上浮量。由于基坑开挖深度达17m 左右，开挖过程中土体卸载量巨大，底板浇筑对隧道上浮控制主要靠自重压力，而钢筋底板厚度仅 1．3 m，其自重相对较小，底板的浇筑对上浮的控制效果有限。而当底板上部结构施工完毕并及时覆土后，该处的最大上浮量显著下降，可见结构施工及拱顶土方回填对隧道上浮控制有明显作用。

针对管片上浮情况，项目部立即启动了应急处置措施，采用水袋进行压载，先压载基坑开挖对应范围，压载长度 50m，搭接未开挖卸载土方两侧各 10m。具体措施为：（1）加强度管片内部的监测，基坑开挖时按 6次 /d，对管片的水平及竖向位移进行监测；（2）对上跨段左侧坡顶上 5m 范围原挡土墙和围墙进行拆除，减少坡顶的堆载；（3）按照施工方案对基坑土方进行分段、分层开挖，待底板施工完成后在进行下一段的第三层土方开挖，防止一次开挖对正线管片顶部卸载长度过大；（4）对管片内部拉紧锁定进行加固 , 对管片内部的拉紧锁定槽钢增加横向支撑[7]。（5）按照应急预案对管片进行压载，完成施工方案中管片保护措施；（6）对第一段前后 30m 基坑土方进行平整，减小土方对管片造成偏压；（7）加快明挖段第一段底板施工，将管片内临时压载转换为双洞矩形隧道设计永久结构自重压载。

结束语

综上所述，造成管片上浮的原因较多，在处理过程中，要结合地质情况，外部影响以及监控量测结果，对各种施工信息进行动态分析及研究，通过技术与经济的综合考虑，在保证明挖结构上跨盾构隧道施工,管片上浮现象安全可控的基础之上，很好地推动我国交通运输行业的长足发展。希望本文的有关论述可以为我国明挖结构上跨盾构隧道施工作业提供一定的帮助。

参考文献

[1]祁恒远，叶跃鸿，吴熠文.长距离深大基坑开挖下卧隧道上浮控制措施研究[J].山西建筑，2018，44(06):175-177.

[2]王道远，袁金秀，朱永全，孙明磊，朱正国.软土盾构隧道施工阶段上浮计算模型探讨[J].现代隧道技术，2018，55(01):148-155.

[3]郭劲睿，郑先昌.控制地铁隧道上浮的堆载反压抢险方案分析[J].工程建设，2018，50(01):51-56.

[4]洪红.深基坑施工时防止邻近地铁隧道上浮的技术措施[J].建筑施工，2017，39(01):26-29.

[5]谈晓亮.超大直径泥水平衡盾构隧道上浮施工影响因素的研究[J].城市道桥与防洪，2016(07):232-234+237+24.

[6]叶俊能，周顺华，季昌，刘琤玉，刘畅.软土地区类矩形盾构隧道施工期变形规律[J].现代隧道技术，2016，53(S1):248-256.

[7]李磊.超大直径泥水盾构浅覆土掘进引起的土体变形特性分析[J].公路交通科技(应用技术版),2018,14(07):269-271.