1、工程概况

1.1 工程地理位置及总体概况

本工程为上海浦东国际机场四期扩建T3航站楼工程 的前期准备项目,位于卫星厅南侧,西邻东侧辅道与飞 速路交叉口,东邻2号跑道,南邻围场河路｡通过对拟 建区域内的场地条件与既有建(构)筑物迁建时空关系 的研究,旨在为T3航站楼中的基坑工程创造全面施工的 基本条件,使得浦东T3航站楼的施工更具可操作性,主 要为原南进场路及排水渠临时改道(图1)｡

1.2 排水明渠过捷运盾构线

根据临时排水设计,拟建排水明渠与既有S1~T3捷 运盾构线斜交,位于盾构线上方｡排水明渠底板距离盾构顶最短距离为4.305 m,底部影响宽度22 m,顶部影响 宽度47 m(图2~图4)｡

图1 建设范围平面

图2 拟建排水明渠与既有S1~T3捷运盾构线平面

图3 拟建排水明渠与既有S1~T3捷运盾构线A-A剖面

图4 拟建排水明渠与既有S1~T3捷运盾构线B-B剖面

1.3 水文地质概况

1.3.1 地基土的构成与特征

第①层土壤,以黏性土和粉土为主,辅以有机土 壤､植物茎等杂质,结构松散,为黏性土｡

第②层灰黄色粉质黏土,含氧化铁斑点和铁锰质结 核,局部第②1层灰黄色粉质黏土,含氧化铁斑点及铁 锰质结核,部分夹有少量薄层粉土,土质不均｡

第③层灰色泥质粉质黏土,含云母､有机质､夹薄 层粉性土,土质不均｡呈流塑状态,属于高等压缩性｡

第④层灰色泥质黏土,含云母､有机质,夹贝壳 屑,局部夹薄层粉砂,土质尚均匀｡呈流塑状,属于高 等压缩性｡

1.3.2 水文地质条件

规划的地下水类型主要为松散岩石类孔水,可分为 潜水含水层､受压含水层｡该工程深入腹地下水,以潜 水为主,浅土层中赋存有受压的粉质､砂质2层土层｡

2、工程难特点

2.1 基坑围护体系设计难

基坑开挖深度5 m之内时,常规基坑选择放坡开 挖,或土体加固重力坝围护形式[1-3]｡但本工程下方涉及 捷运盾构,常规围护体系设计难以满足结构变形要求, 因此基坑围体系设计要格外慎重｡

2.2 盾构线变形掌控难度大

本次施工难以控制桩基､加固､开挖卸载引起的盾构变形,包括隆沉变形､水平位移和横断面真圆度,竖向､水平位移累计不得大于5 mm,日变量连续3 d同方 向且数值不得大于0.5 mm/d,收敛变形累计变化量不得 大于5 mm｡故通过深基坑围护设计､快速施工方式,减 小盾构线变形量｡

2.3 盾构线不停航施工难度大

隧道结构相对薄弱,在周边土体流失或荷载的影响 下,易出现纵向不均匀沉降和收敛变形,以及因此引起 的渗漏水､管片破损和道床脱空[4-6]｡通过加强盾构监 测,制定渗水应急预案,保障捷运线不停运施工｡

3、深基坑围护设计优化

3.1 门式加固设计

机场运营中的S1~T3捷运盾构线,原设计规划中无 抗拔桩,盾构线上方深基坑施工过程中,为减少盾构线 的上浮,采用门式加固设计原则｡排水明渠过盾构线区 域共设置12根⌀600 mm钻孔灌注桩,桩长33 m,混凝土 强度等级为水下C30,桩顶绝对标高0.80 m,桩顶锚入 底板100 mm(图5)｡

图5 拟建排水明渠与既有S1~T3捷运盾构线MJS加固平面

沿盾构线两侧设置2根⌀600 mm钻孔灌注桩,与排 水明渠有梁板形成整体门式加固体系｡在排水明渠影响 盾构区域270 m2 范围采取MJS土体加固,加固深度同捷 运盾构线底标高｡盾构线在结合固态和工程桩的同时, 通过MJS加固改善土体原有特性,提高盾构线范围的土 抗能力,进一步提高整体刚度和抗变形能力[7-8]｡

3.2 MJS土体加固设计

MJS直径2 000 mm､间距1 700 mm,搭接宽度 700 mm,水泥掺量≥40%,水灰比宜为1.0,28 d无侧限 抗压强度不小于1.5 MPa,总加固方量约16 165.7 m3 ｡

3.3 设计优化

考虑到捷运盾构线上方深基坑施工的不确定性,将 此区域设计进行优化｡排水明渠过S1~T3捷运线及复线 区域明渠底板标高抬高300 mm,同步明渠截面尺寸底 部及上口宽度由15､32 m调整至19.5､36.5 m,即加宽4.5 m｡排水明渠待底板浇筑完成且强度达到要求后,根 据监测数据要求及相关情况适当采取压重措施,预防捷 运结构上浮｡

为确保捷运盾构安全,在盾构边线附近采用小型钻 机配合三叶钻头采取探孔措施,MJS加固与捷运盾构安 全距离由图纸中的500 mm调整为1 000 mm(图6)｡

图6 C-C剖面——门式加固体系

3.4 模拟分析

经对捷运线施工全过程中有限元计算模拟,捷运线 最终变形量在4 mm,为避免捷运盾构线变形,在明渠 结构分块施工过程中,待底板浇筑完成且强度达到要求 后,根据监测数据要求及相关情况适当采取压重措施, 以达到原有力的平衡作用,减小捷运线变形,待明渠通 水前移除荷载(图7､图8)｡

图7 有限元计算模拟变形一

图8 有限元计算模拟变形二

4、深基坑快速施工技术

4.1 总体施工流程

测量放线(精确定位)→钻孔灌注桩施工→MJS土 体加固→第1块底板土方开挖→第1块底板凿桩→底板钢 筋绑扎→底板混凝土浇筑→其余分块开挖､底板分块施 工→明渠侧壁钢筋绑扎→明渠侧壁混凝土施工

4.2 测量定位

根据相关资料,捷运盾构位于现状地表下约9.0 m, 无法精确进行定位,且采用常规物探也无法精确探测, 为确保钻孔灌注桩及MJS土体加固施工时捷运盾构安全, 需采用MDL-150D型履带钻机钻探方式进行探测[9-12]｡

本工程采用小型钻机配合三叶钻头对盾构边线､顶部标高进行钻探勘测,勘测范围为盾构三侧500 mm范围 内,施工按照盾构三侧1 m控制｡现场实探共布置3排探 点,盾构两侧各1排,顶部布置1排,共计15个｡两侧探 点确认盾构定位,顶部探点确认盾构标高｡对盾构体结 构外边线､钻孔灌注桩点位､MJS桩点位､开挖位置进行现场精准定位放线｡对盾构体上方现状场地标高进行 测量,开挖过程中随时复核标高,严禁出现超挖现象｡

4.3 MJS加固施工技术

本工程由钢筋混凝土梁板､钻孔灌注桩形成主要反拉抗浮结构,MJS工法桩加固周围土体,龙门式结构完 全覆盖护盾的填充区域,进一步提高了原护盾的整体刚 度和抗变形能力｡

4.3.1 桩位放样

为了减少对盾构的影响,施工之前需要对现场实 际盾构位置进行探测,使具体位置反映在图纸上,再以 轮廓线向外偏移1 m为基础作为保护盾构的安全距离, 由于盾构轮廓线为曲线,西北侧采用保护线外切线作为 MJS的桩中心线,东南侧采用保护线两端连线作为MJS 桩中心线,确定MJS桩为中心线后,再沿线开挖沟渠｡

4.3.2 MJS的施工顺序

为了减小对盾构施工的影响,MJS施工分成3个区 域,先用1# 机施工1､3区,180°定向半圆甩喷BS57~ BS111,此系列桩采用两边对称且隔二跳一的打法｡如 果条件允许,当两边180°施工一部分工作面后,2# 机从 2区BQ1~BQ110开始施工,采用360°旋喷同样采取隔 二打一的施工顺序,最后施工1区的BS1~BS56及三区 BS112~BS167｡如果条件允许,当180°定向半圆施工 完成后,钻孔灌注桩进行同步施工(这一顺序需要根据 实际施工情况进行调整,图9､图10)｡

图9 MJS施工平面分区

图10 顶部标高钻探勘测

为了控制施工时桩底标高对盾构的影响,施工前 要根据设计提供的盾构标高,计算好每根桩顶和底的标 高,在施工前交底给施工方｡

MJS工法桩施工采用跳二打一的方法,以保证桩身 质量以及对已建捷运盾构的沉降控制;靠近捷运盾构区 域的2排桩先行施工以起到封闭效应,减少后续施工对 捷运盾构的影响;此2排桩-4.50 m标高以下桩身采用外 喷180°半圆施工,-4.50 m标高以上采用全圆施工｡

4.4 土方开挖及底板快速施工技术

1)上海软土区基坑挖掘的变形“时空效应”规律 明显,即基坑保护结构和周围地层变形具有时空特征｡ 基坑底部的地铁盾构,一次掘进面积越大､越深､越 久,基坑下方的隧道隆起越高､变形越厉害｡如依次挖开基坑,将基坑分割成小块,每一处施工所产生的坑道 隆起变形量就很小,这样就可以避免由于堆积､重叠而 形成的相互变形,达到分割成一个个小块的作用｡

2)“时间限制”主要体现为,从挖掘到装卸作 业､底板施工,所有的土块装载过程都要在地铁运行中 断期间即6 h内完成｡同时施工,不仅可以减少土体变形 和隧道变形,还可以避免地铁运行时间,进一步降低工 程的危险性｡“分段”,每片土体限占60 m2 左右,按顺 序将基坑整体细分为5个分段进行施工｡分区施工体现 了时空效应原理,同时满足时限要求(图11)｡

图11 土体“分段分割”平面

4.5 限时､分块开挖快速施工技术

1)明渠明挖与盾构捷运线土方开挖时,每块施工 面积约60 m2 ,开挖深度约4 m,土方开挖量约240 m3 ｡ 因此,计划配置2台挖掘机,在1 h内完成开挖,挖土时 严禁超挖,挖至设计标高时,剩下的200 mm人工开挖｡

2)提高坑底土体加固要求,对符合垂直掘进要求 的土体,加强现场施工质量管理,节约掘进时间｡

3)传统的垫料建造不能满足6 h的时间节点要求, 所以采用了厚度为10 cm的EPS板材,同时采用了厚度为 1.6 cm的九夹模板作为垫料｡

4.6 基坑结构压重技术

根据监测数据要求及相关情况,排水明渠底板完 成至通水前采取压重措施,堆载混凝土块压重,质量约 2.5 t/m2 ,以达到原有力的平衡作用,减小捷运线变形, 待明渠通水前移除荷载(图12)｡

图12 堆载工况

5、捷运监测及数据分析

深基坑开挖主要影响捷运盾构线的变形,对此采用 全站仪自动化监测系统｡全站仪自动化是利用全站仪的 二次开发接口,通过采集器发送指令,指导全站仪实现 测角､测距､数据计算处理及记录等工作的自动化｡

当沉降测量､水平位移测量累计≥5 mm,日变化量 连续3 d同方向且数值≥0.5 mm/d,收敛测量累计变化量 ≥5 mm时,隧道结构报警,需消除报警后再继续后道工序施工｡

注浆加固及基坑开挖期间等施工工况,30 min内反 馈一次监测数据,其他时段按1次/d进行监测,每周一､ 五晚上进行人工复核及现场巡视｡

1)本项目监测工作全部结束后,S1~T3捷运盾构 区段自动化竖向位移监测点累计位移曲线见图13｡

图13 捷运盾构线竖向位移曲线

在MJS工法桩施工期间,捷运隧道线自动化竖向位 移的变形不明显,各竖向位移历时变形曲线较为平缓｡ 排水明渠开挖后,隧道上方土体的卸载,使捷运隧道结 构出现较为明显的上浮｡基坑开挖施工期间,捷运隧 道各测点的竖向位移逐渐发展,随着开挖深度的增加, 捷运隧道竖向位移速率有所增加｡在整个排水明渠基坑 施工过程中,隧道过排水明渠中部位置总体竖向位移较 大,累计最大竖向位移为25.22 mm,在后续时间段竖向 位移最终累计变形4 mm｡

2)S1~T3捷运盾构区段自动化水平位移监测点累 计竖向位移数据历时曲线见图14｡

图14 捷运盾构线水平位移曲线

在MJS工法桩工期间,捷运隧道水平位移变化不明 显､水平位移历时变形曲线较为平缓｡隧道水平位移随

着开挖深度的增加逐渐发展,至底板形成后,水平位移 的发展速率开始放缓,直至基本收敛｡排水明渠整体水 平位移较小,累计最大水平位移3.13 mm(SP-190)｡

3)S1~T3捷运盾构区段自动化收敛位移监测点累 计向位移数据历时曲线见图15｡

图15 捷运盾构线收敛位移曲线

在MJS工法桩施工期间,挤土效应较为明显,A 线捷运隧道收敛变形较为明显,累计最大变形达到 -3.1 mm(SL-127)｡排水明渠施工完成,隧道收敛变 形整体变形不大｡

6、结语

排水明渠跨捷运盾构线,总影响面积约270 m2 ,排 水明渠基坑底距离盾构净距仅4.3~5.7 m,基坑大面积 的卸载,对坑下盾构线很容易造成大变形｡在不影响 周边环境的情况下,盾构线保护有较大难度,同时,变 形控制技术尚不够成熟,需要通过围护设计的创新及优 化､有限元分析卸载工况及控制基坑快速卸载,使基坑变形在允许范围内,控制挖掘卸荷引起的盾构线变形, 对今后围护设计及快速施工具有十分重要的指导作用｡

参考文献:

[1]蒋恺,张陆新,姚基伟.三轴搅拌桩和MJS工法桩对运营地铁隧 道的保护研究[J].地基处理,2022,4(2):170-177.

[2]魏新立.明挖基坑上跨既有运营地铁隧道施工关键技术与实践 [J].运输经理世界,2021(20):1-3.

[3]邵耀锋,何猷豪,郭健宝,等.MJS加固范围对隧道和地表变形影 响[J].建筑结构,2021,51(增刊2):1402-1406.

[4]李家平.基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响的数值分析[J].地 下空间与工程学报,2009,5(增刊1):1345-1348.

[5]曹琛,马晋.基坑施工对既有地铁隧道的变形控制研究[J].建筑 施工,2019,41(12):2117-2119.

[6]徐敏,王敬敬,徐国胜.MJS工法桩加固施工对运营隧道的影响 研究[J].地基处理,2023,5(增刊1):131-137.

[7]刘源,陈仁朋,程红战,等.门式抗浮框架作用下上方开挖既有盾 构隧道响应解析解[J].岩土工程学报,2024,46(8):1675-1684.

[8]徐泽鑫.基坑开挖对既有下卧地铁隧道变形影响及抗浮措施研 究[D].西安:长安大学,2023.

[9]刘绍彬.上跨地铁隧道深基坑开挖控制措施及实测分析[J].福 建建设科技,2023(4):41-44.

[10]姚远.隧道工程自动化监控量测技术的发展现状[J].价值工程, 2024,43(14):79-82.

[11]李凯,从建锋,李纳.全站仪在盾构下穿施工运营隧道变形监测 中的应用[J].测绘与空间地理信息,2024,47(4):189-192.

[12]李振华.国铁下穿隧道施工影响自动化监测方法研究[J].地理 空间信息,2023,21(12):103-106.

基金资助:上海建工集团股份有限公司项目资助课题(23JCSF-19);

文章来源:甘波.上跨既有盾构隧道深基坑围护设计及快速施工技术研究[J].建筑施工,2024,46(12):2101-2104+2109.