中铁一局集团有限公司第三工程分公司 721006
摘要：新加坡南北走廊项目连接城市南北，所经过区域人口稠密、交通流量大，其中长达295m，最大宽度54.5m的深基坑下卧既有地铁隧道。围护结构为地连墙支护体系，横跨地铁隧道区域地连墙未能完全嵌固，故未彻底切断基坑内外水力联系。因此基坑支护体系设计是保证基坑开挖的关键,决定着保证深基坑工程安全开挖和下卧地铁线的安全运营，本文通过公司承建的类似项目总结,阐述了近接下卧地铁的深基坑工程设计中的技术问题。
关键词：深基坑；近接地铁隧道；围护结构未完全嵌固
1. 工程简介
新加坡南北走廊N108标段内长达295m、宽度42.5m至54.5m、深度21m的深基坑工程下卧运营地铁隧道。基坑采用地连墙+内支撑支护体系，盖挖法（交通铺盖）施工。基坑距离运营的地铁盾构隧道最近距离不足1.5m，其中一幅地连墙墙趾最小距离0.93m，已侵入隧道的3m保护区（No Pile Zone），在国内尚无发现新建基坑侵入下卧地铁保护区的案例。另外按照地铁产权单位要求，运营地铁3m保护内不得进行压力注浆作业，防止地铁结构、运营安全受到注浆影响。在运营地铁上方开挖基坑，必然会引起坑底土体的回弹变形，土体的变形也必将引起埋设于土体中的地铁隧道结构变形。当隧道结构变形超过一定限度，轻则造成既有隧道漏水，重则影响地铁车辆安全运行，故运营中的地铁隧道对变形的要求相当严恪。因此在深基坑设计中必须最大限度控制基坑开挖施工对地铁隧道结构变形的影响程度。
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图1距既有隧道最近的地连墙墙趾仅0.93m，已侵入地铁3m保护区
2.地质水文条件
工程基坑主要穿越强风化花岗岩，按常规设计，地连墙墙趾应位于中风化花岗岩或更好的岩层。本工程岩土层从上至下依次为杂填土、强风化花岗岩、中风化花岗岩，局部夹杂淤泥、流砂层。以项目左线地质剖面和地连墙墙趾线为例，受下卧地铁的限制，部分地连墙位于破碎的强风化岩层中，未完全嵌入岩层，未完全封闭地下水。
本地区属热带雨林气候，受降雨影响，平均水位约在地下2~3米，局部0.5米以下。场区地下水根据含水介质和赋存状况可分为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水三种。其中松散岩类孔隙水主要赋存于人工填土层中；风化基岩孔隙裂隙水主要赋存于基岩全、强风化层中；基岩裂隙水赋存于基岩的风化裂隙及构造裂隙中。
3.同工况工程设计借鉴
（1）总体方案
公司承建的工程中桂庙路项目、深圳前海广场项目与本工程类似，均为深基坑工程需对下卧地铁隧道进行安全防护，其中桂庙路基坑距离地铁净距6.3m，约等于地铁直径D；前海交易广场基坑距下卧地铁最小3.3m，小于地铁直径D。围护结构采用钻孔灌注桩，并采用旋喷桩止水。该两个项目基坑开挖均采用直立的分块抽条开挖，分块卸载地铁上方土石方。分块卸载的土方采用倒挂井壁法开挖，井壁为喷射混凝土+钢筋格栅。总体为基坑纵向分小块，横向分两幅、快速封底、快速完成闭合框架方案。开挖至基底后，在基底分槽段施工抗拔桩+抗浮板加固，抗拔桩设置在地铁隧道的3m保护区限制施工范围外，并采用全套管成桩工艺，防止因桩孔缩孔、塌孔造成地铁隧道应力变化。抗浮板结合永久结构底板设置，并预留了注浆孔。在施工过程中根据设计及运营要求，监测单位及参建单位严密组织，进行信息化施工，保证了工程及地铁运营安全。总体施工工艺如图。
第一步：在地铁保护范围外施工围护桩 第二步：在地铁保护区两侧施工抗拔桩
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第三步：倒挂井壁开挖至基底并施工左线抗浮板 第四步：回填竖井直至抗浮板全部完成再开挖基坑
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图3典型剖面变形实测图
（2）施工期间地铁隧道变形分析
根据桂庙路项目对地铁盾构隧道监控量测数据显示，施工过程中隧道上浮，上浮累计值超过20mm(稳定)，选取典型剖面地铁隧道上浮监测数据实测图，寻找隧道变形发展规律，从图3中可以看出，地铁隧道上浮变形与基坑土方开挖的对应关系明显，基坑最后一层土开挖时隧道上浮变形发展较快，基坑位于放坡段坡脚处剖面的地铁隧道上浮变形值最大为20.4mm。故需在基坑开挖过程需选择合理的开挖顺序并控制开挖速度。
通过地铁隧道上浮变形与基坑开挖及主体结构式工况对应图分析，由于基坑开挖深度和宽度较大，抗浮板及底板对隧道上浮控制效果有限。如图5所示，当上部结构施工完毕，并及时回填土方时，该处（图4中G段）的最大上浮量由14mm降至0mm，结构施工及拱顶土方回填对隧道上浮控制有明显作用。
（3）地铁隧道上浮变形过大原因分析
经监控量测数据分析，地铁隧道变形过大主要有三个原因。
一是地铁隧道所处在砾质粘性土土层中，粘性土地层对隧道限制作用有限；同时，卸载率（基坑开挖深度与地铁隧道埋深之比）越大，上浮量也越大。桂庙路项目基坑卸载率最大的施工段开挖深度21.4m，地铁隧道埋深29.7m，卸载率达72%。因此该段的地质条件及基坑开挖卸载率大是隧道上浮变形的主要原因。
二是底板做为较薄的结构难以限制地铁隧道变形；基坑开挖卸载量大，由地铁隧道变形实测图可知，抗浮板及结构底板浇筑后，难以对隧道上浮变形进行限制，导致隧道的上浮变形量持续发展。当基坑主体结构封顶并覆土后，隧道上浮值明显回落。
三是基底暴露长度过大；通过地铁隧道上浮数据分析，随着基底暴露长度增大，地铁上浮变形量也随之增大，基坑底部暴露20m隧道拱顶上浮4.0mm,暴露20m隧道拱顶上浮8.0mm,暴露至50m时,隧道上浮增大至14.1mm。
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图4地铁隧道上浮变形与基坑施工工况对应图
4.本工程项目设计方案
本设计方案以新加坡南北走廊上跨运营地铁既有隧道的工程为依托，在设计、施工总承包合同模式下，设计边界条件较为苛刻。需要优化基坑围护结构设计方案，克服地连墙未完全嵌入岩层的缺陷，防止基坑涌水现象的发生，控制基坑及运营地铁的结构变形，保证周边建筑物安全和基坑稳定，同时兼顾绿色环保、职业健康及机械化程度高的要求。通过用有限元软件分析模拟，研究的开挖顺序和土方量产生的时空效应对既有地铁隧道结构的影响，从而得出最优的跳仓开挖顺序。
（1）总体方案
围护结构采用地连墙+内支撑体系，其中为缩短主体结构施工周期，减少基坑暴露时间，将地连墙兼做主体结构。在地铁保护区外部设置为标准地连墙，但在地铁保护区内地连墙无法下沉，只有采用短地连墙，深度仅略深于底板。除去常规设计的钢支撑外，考虑到地铁隧道基本位于强风化岩石内，地质条件好于桂庙路、深圳前海项目。故在底部增加横向混凝土隔墙，既可以控制基坑底部收敛变形提高基坑稳定性，又可以使基底分仓，抽条开挖。平面图如图7，横向隔墙间距为6m，高度为3m，隔墙底与结构底板（1.5m厚）底平齐，相当于在基底形成一道混凝土撑。
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图5地连墙及底部横向隔墙平面图
（2）地连墙成槽对地铁隧道的影响
为减小成槽时间，控制既有地铁的变形，将地连墙幅宽度限制不大于3m，地连墙挖槽作业时，若成槽时间过长，造成地铁隧道结构顶部或者两侧土体应力释放，使得地铁变形。通过建立有限元模型，模拟距离地铁隧道顶部3m的L型墙幅（最不利的施工情形）的开挖与灌注，计算得出成槽期间引起隧道最大变形为0.6mm，主要为拱顶向上变形。灌注期间隧道变形恢复至0.2mm。处于可控状态。
模拟距离地铁隧道侧面3m的矩形墙幅的开挖与灌注，计算得出成槽期间引起隧道向地连墙开挖方向最大变形为1.28mm，灌注期间隧道恢复至0.13mm。处于可控状态。
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图6地铁隧道侧方地连墙开挖对地铁隧道的影响分析
（3）基坑未封闭处注浆加固
在注浆方案选择上，因加固范围紧邻地铁隧道，未采用国内两个项目的高压旋喷注浆方案，因场地空间条件限制，也无法使用搅拌桩加固。最终选择结合压密注浆、劈裂注浆等各种灌浆理论而发展形成的地表垂直深层灌浆技术TAM管灌浆工法。此工法通过TAM管和灌浆芯管组成注浆系统对土层分次注浆，有效填补地层空隙，并能通过二次补浆弥补缺陷。注浆浆液通过加压进入注浆芯管，在TAM管段聚集，在注浆压力作用下将报过在泄浆孔的橡胶圈涨开，浆液在压力作用下产生充填、渗透、压密及劈裂流动。在注浆过程中若灌浆压力过小时浆液扩散岩灌浆孔的水平方向多于垂直方向，可以避免压力过大造成地铁变形或浆液深入地铁隧道；若灌浆压力较大时，浆液沿灌浆孔的垂直方向多于水平方向，可产生劈裂效应，保证注浆效果，施工过程中可通过试验取得注浆压力等参数。
（4）基坑开挖及影响分析
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图7注浆范围平面及剖面示意图
通过软件模拟整个施工过程，选取最优的开挖方案。将295m的基坑分为三段，由中间向两侧放坡开挖，直至开挖至底部横向隔墙的顶部，然后底部采用抽条跳仓开挖，开挖为隔三挖一，抽条开挖一段就完成一段底板浇筑，共分为三次完成底板开挖，分块进行卸载，防止卸载过快对地铁运行安全造成影响。
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图8基坑放坡开挖至横隔墙顶部，然后间隔抽条开挖底板第①区段；
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图9完成第①区段底板浇筑后进行相邻的第②区段底板开挖及浇筑,直至底板封闭；
开挖完成后经有限元软件进行地铁隧道变形分析，地铁隧道拱顶向上变形最大11mm，轨道最大收敛变形5mm，成鸡蛋状变形，如图10。满足地铁运行安全要求。根据如在基坑结构加载加重可明显抑制地铁变形的经验，现场储备了水箱、钢板、沙袋压重荷载，并设置了回灌井，通过信息监测系统，如变形过大则对底板加载或者回灌补充地下水，抑制地铁变形扩大化。
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图10地铁隧道变形分析
5两种方案对比分析
国内外对工程的标准、营商环境均存在差异，一种是采用传统的倒挂井壁法，一种是机械程度较高的底部横向隔墙预做，均为了实现抽条开挖分块卸载的核心要义，分析了两种方案的优缺点，如表。
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6结束语
我国城市建设快速发展，随着城市化水平的不断提高，城市人口数量上升，城市的规模不断扩大。同时对交通带来巨大压力，拥挤的交通又会使城市的环境恶化，交通阻塞问题在我国很多城市尤为突出，因此，交通问题是困扰大城市发展的难题，大城市的交通问题己不可能在一个平面上得到解决，只有建设多层次的、立体化的综合交通体系才能达到目的。
我国城市建设中经常出现新建工程近接既有地铁的情况，影响地铁的安全运营。为了确保既有地铁安全，往往采用注浆加固地层措施和基底抽条开挖方案。由于基坑开挖对下卧地铁变形影响十分复杂，尤其是在基坑局部围护结构未嵌岩的情况下，往往在选择线路时避开地铁区域，在运营地铁上进行未完全封闭大型基坑开挖且基坑深入地铁保护区，在国内尚无可循案例。本文通过项目设计及公司承建的国内两个类似项目总结，分析地铁隧道的上浮情况和变化规律，为后续类似工程提供借鉴
参考资料
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[5]]赵锡宏,李蓓,杨国祥等.大型超深基坑实践与理论[M]北京人民交通出版社,2005,1—3,60一70