深大基坑施工对下卧运营地铁隧道的保护技术
1 工程概况
东方路-张杨路下立交工程位于浦东新区世纪大道、东方路、张杨路相交的六岔路口，沿东方路方向，大致呈南北走向。下立交总长度为470m，其中暗埋段长200m、敞开段长270m。下立交所在六岔路口通过世纪大道连接已建延安东路隧道，通过东方路连接建设中的大连路隧道，通过张杨路连接建设中的复兴东路隧道，三条隧道的交通主流方向交汇于此然后向东扩散到新区腹地，六岔路口承受的交通压力非常大，交通地位十分重要。面对这样的形势，浦东新区区委区政府启动了“一桥两隧”配套项目的建设，对与建设中的卢浦大桥、复兴东路隧道、大连路隧道工程相应的道路节点和路网进行改建、整治，以改善新区的交通条件。本下立交工程即为“一桥两隧”项目的节点和重点工程。
2 工程建设条件
1.1 工程地质与水文地质
工程所在地地基土从其结构特征、土性不同和物理力学性质上的差异可划分为十一个工程地质(亚)层，即①、②-1、②-2、③-1、③-2、③-3、④、⑤1-1、⑤1-2、⑥、⑦-1 、⑦-2层，各层地基土的构成与特征详见表1。 
2 环境条件
下立交下面有已建R2线、在建M4线及规划R4线三条轨道交通线的区间隧道穿过，自北向南依次为明珠线二期（M4）区间隧道、地铁二号线(R2)区间隧道以及轨道交通市域线（R4）区间隧道。地铁二号线现在已经建成并处于运营阶段；明珠线二期现正处于建设阶段；地铁R4线现处于规划阶段。这三条隧道与本下立交工程的关系如下：
1） R2：与下立交交叉处盾构隧道顶标高约为-5.43m，隧顶距地道底板最近处约为2.8m，隧道大多位于③-3灰色淤泥质粉质粘土和④灰色淤泥质粘土中。
2） M4：与下立交交叉处盾构隧道顶标高约为-12.00m，隧顶距地道底板最近处约为10m，距离北侧管廊底板约6m.隧道位于④灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土和⑤1-2灰色粉质粘土中。
3） R4：现仍处于规划阶段，其平面走向大致与R2线平行、埋深未定。各轨道交通线区间隧道与下立交的平面、标高关系参见图1、图2。
3 工程特点和难点
本工程最大的特点在于同时在已经建成的两条轨道交通线（R2、M4）的区间隧道上方进行大面积的深基坑工程施工活动，这导致本工程具有如下难点：
3.1 对运营地铁隧道的保护
正在运营的地铁隧道对变形控制要求极高，根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,各种卸载和加载活动对运营地铁隧道的影响限度必须符合：
1） 地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm；
2） 隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m；
3） 相对弯曲≤1/2500。
本下立交处地铁2号线区间隧道顶部覆土在下立交基坑开挖前为9.5m，开挖后剩余2.8m，卸荷比例达到70%，卸荷面积达到18.1m×53m，隧道上方挖土卸荷面积和卸荷比例国内外罕见。能否在本下立交施工的全过程中确保地铁R2线区间隧道的正常运营成了本工程能否顺利实施的最大难题。
为了避免在地铁上方挖土施工，保证地铁R2线区间隧道的正常运营，在本工程的方案和可行性研究阶段，曾经设想过沿东方路方向建上立交跨越世纪大道，但是考虑到世纪大道是浦东新区标志性的景观大道，若在此路口建上立交将严重影响世纪大道的景观效果，故工程最后的方案选择下立交方案。
3.2 地下管线穿越问题
为了最大限度地保证地铁R2线的安全，下立交不得不采用顶板上无覆土的浅埋方案，由于下立交地处世纪大道、东方路、张杨路六岔路口，地下管线极其繁多，加上六岔路口附近有多个地铁车站、地下空间极其紧张，这给张杨路、世纪大道方向的地下管线穿越本下立交带来极大困难。能否圆满解决地下管线改排问题成了本工程能否顺利实施的另一大难题
另外，为了与大连路隧道同步在2002年9月底通车，本工程的总工期很短，这也给工程的实施带来了很大的压力。
4 工程措施
4.1 管线搬迁与重置
由于下立交采用浅埋方案，工程所在的六岔路口地下管线的穿越受到很大的影响。东方路上原有公用管线和规划管线可以翻排到下立交两侧新建道路下，但是世纪大道和张杨路方向的管线穿越却存在极大的困难。这两个方向的现状地下管线已经如星罗棋布，如果再加上规划中的新的公用管线，要穿越的管线数量更加多。
经过研究，世纪大道和张杨路方向地下管线最终采用了如下穿越方案：
1） 绕道
改排或新建的地下管线一部分从下立交两侧或相邻道路绕行。此方案可以降低下立交施工的难度，但是由于东方路方向的管位空间十分紧张，而附近可供绕道的道路宽度普遍较窄也已无更多的地下空间可资利用，所以此方案只能解决一小部分管线的出路，主要是雨、污水管道。
2） 从下立交结构层中穿越
口径较小的公用管线，如电力、通信管线，可以在下立交顶、底板结构层中设套管穿越，由于钢管存在防腐问题，套管宜采用非金属材料。考虑到管线穿越会削弱结构的受力，此方法也只能解决小部分管线的穿越问题。
3） 公用管线廊道
由于前两种方法只解决了世纪大道和张杨路方向少数管线穿越下立交的难题，大部分公用管线的穿越依然没有出路，本设计首次采用在下立交南北两侧底板下设下穿式公用管廊穿越东方路的新技术。管廊有两种下穿方案，一是采用共同沟形式，二是套管形式。共同沟方案要求在管廊内考虑设置检修通道、消防以及监控等设施，因此管廊的外形尺寸较大 。由于从管廊内穿越的管线数量比较多、管廊的外形尺寸本身就比较大，而路口地下空间又比较紧张，所以此方案未被采纳，而是采用了套管方案，管线从设于管廊内的管径较大的套管中穿越。为解决管线检修问题，在下立交两侧各设一座竖井。和共同沟方案相比，此方案简化了管线过路口的方法，减轻了对地铁的不利影响，有利于加快施工进度。管廊与下立交的平、立面关系参见图1、图2，管廊横断面及功能分配见图3。
4.2 地铁保护
下立交基坑开挖过程中，土体卸载必然会引起基坑内的一定范围内的土体的回弹。在基坑回弹方面，现有许多计算模型和方法，包括分层总和法、曲线模型法、超固结法、残余应力法、应力路径法等，但是由于以下几方面的原因：影响基坑回弹量的因素极其众多、前人的研究主要集中在坑底隆起的计算方法的研究而非回弹场的研究、有些计算方法虽然计算理论完善但计算参数（如回弹指数）不易获得，所以尽管计算基底隆起的方法，但大多并不方便实用，计算结果与实测值相差很大。
另一方面，已经建成并正在运营中的地铁隧道对变形的要求极其严格，这与目前工程界对如何有效预测和控制隧道变形的现状形成了一对矛盾。工程界亟须一种有效的、实用的、系统的控制隧道变形的新技术，以指导日益增多的在已建地铁隧道上方进行的大规模基坑施工，本设计就此进行了一些探索工作，以期改善工程界碰到类似工程时“头痛医头、脚痛医脚”的做法。
影响基底位移场的因素虽然众多，但主要受下列因素影响：基坑参数（包括基坑平面尺寸、开挖深度、围护结构形式、插入深度比等）、基坑底部状况（土层性质、是否有桩基、土体的残余应力）、开挖参数（总卸荷量及比例、每次开挖卸荷量、无支撑暴露时间）。由于基坑平面尺寸、开挖深度、总卸荷量及比例等参数已经确定，所以就要在围护结构、坑底及隧周土体、单次卸荷量、基坑无支撑暴露时间等方面着手寻求控制隧道回弹量的措施。以下是本工程所采用的技术措施：
1) 地基加固
根据Winkler的理论，假设隧道为弹性地基上的无限长梁，则隧道变形沿其纵向的分布为：
式中，λ为隧道的纵向弹性特征系数，
(EI)eq为隧道的等效抗弯刚度
K为单位长度地基的基床系数，与土体的抗剪强度指标C、Ф值等指标有关。
由式（1）可知，如果对基坑底部及隧道周边土体进行加固，可以提高土体的C、Ф值，增大地基土的基床系数，进而减小隧道的变形。
可使用于本工程的地基处理方法主要有水泥土搅拌法、注浆法、高压喷射注浆法等方法。各种方法的特点如下：
水泥土搅拌法：适宜于加固淤泥、淤泥质土等土层，加固效果较好，成桩可采用国产双轴搅拌机或进口（日本）三轴搅拌机，其中双轴机施工时对周围环境影响较大，而三轴机械施工时对周围土体扰动较小。
双液分层注浆，对周边环境影响较小，但其加固效果有限，施工质量不易控制。
高压喷射注浆法：适用范围较广，加固效果好，施工速度快，施工质量易于控制，但是施工时对土体扰动程度较深层搅拌桩大。
为了减轻地基加固施工时对已建地铁隧道的影响，本工程对地铁2号线区间隧道周边土体、以及隧道上方的N01、N02段基坑内土体实行深层搅拌桩加固。加固采用进口三轴机械成桩，而对地铁隧道和深层搅拌桩之间的空隙，则采用双液分层注浆加固补强。深层搅拌桩和双液分层注浆加固体28天无侧限抗压强度qu28≥1.2Mpa。
2) 围护结构
由于基坑底距R2隧道顶部只有不到3m覆土，围护方案的选择应主要考虑围护结构施工、基坑开挖时对地铁区间隧道的影响，同时兼顾其它因素。适合的围护结构主要有钻孔灌注桩+深层搅拌桩、咬合钻孔灌注桩、SMW工法，各方案的特点如表2。
表2围护结构比选
围护型式 环境影响 工程经验 安全可靠性
钻孔灌注桩+深层搅拌桩 较大 较成熟 较高
咬合钻孔灌注桩 较小 上海地区未有报道 缺少类似经验
SMW工法 较小 较成熟 较高
由于东方路方向可利用的地下空间较小、地下管线管位比较紧张，故不考虑钻孔灌注桩+深层搅拌桩桩方案。咬合钻孔灌注桩围护结构具有占地少、刚度大、施工时环境影响较小等优点，但是由于本工程技术难度较大、工期又十分紧张，而咬合桩在上海地区没有施工经验，为了确保工程的安全可靠度，围护结构采用施工工艺成熟、施工质量易于控制的SMW工法，其中的深层搅拌桩采用施工时对周边土体影响较小的进口三轴机成桩。
3) 抗拔桩
在运营地铁隧道两侧设置抗拔桩并使其与下立交底板有效连接后，就相当于在地铁隧道周边加了一道保护“箍”，限制了隧道和周边土体的变形。抗拔桩的桩型选择施工过程中对地铁影响较小的深层搅拌桩内插型钢的SMW工法，其中的深层搅拌桩亦采用进口三轴机械成桩。抗拔桩平面布置参见图5。
4) 施工方法
根据式（1），隧道变形值W(x)随隧道上方卸荷量增大而增大，所以如果控制隧道上方土体开挖体积、减少卸荷量，就可以有效控制隧道的回弹避变形量。另外，根据刘建航院士的时空效应理论，隧道的变形还与基坑无支撑暴露的时间长短有关，基坑无支撑暴露的时间越短，基坑及隧道的回弹变形越小。基于此，R2线上方的下立交基坑开挖遵循沿R2线隧道纵向分层、分块、限时施工的原则进行，结构施工亦分段进行。为了保证分块施工时坑内边坡的安全，必须对坑内土体进行地基加固。分块施工造成的底板垂直施工缝增多、底板防水问题、钢筋连接问题等可通过加强施工缝内防水构造、采用钢筋连接器等方法解决。
基坑分块数量和平面尺寸：原设计为沿R2线隧道纵向分9块施工，每一块的垂直长度约2m。实际施工时根据工程的进度要求、同时结合对隧道变形的监测数据，分块数量改为5块，每一块垂直长度相应改为3~4.5m。(图6)每一节施工中土体开挖沿深度方向分层进行，第一层厚度约为1~2m，以便第一道围护结构施工，剩下的土体一次挖完、且尽量在地铁车辆停运期间进行。每一节的土体开挖完成后，必须限时浇筑结构底板，第二层土体开挖结束到底板浇筑完，必须在第一日晚地铁车辆停运至第二日晨地铁运营前完成。
5) 堆载
在先期完成的结构上方堆载可以部分抵消挖土所引起的卸荷效应，减少隧道的回弹变形量。堆载在底板砼达到一定强度（终凝）后进行，堆载材料可为砂袋、砼块或钢材，堆载集度3~5MPa。堆载持续到下立交底板砼浇筑完毕。
6) 信息化施工
为了配合上述技术措施的实施、确保技术其使用效果，施工过程中加强了对地铁隧道的实时监测，实行了信息化施工。
5 工程效果
已经建成并正在运营中的地铁隧道对变形的要求极其严格，目前工程界对如何有效控制运营隧道的变形缺乏前瞻性和系统性，工程措施故而缺乏针对性。本工程采取了一系列具有创造性的新技术，使得工程 能按期、按质顺利完成。本工程取得的成果可总结如下：
1．根据对运营中的R2线区间隧道的监测结果，隧道的最大回弹变形最终被控制在12.25mm（下行线）~17.5mm(上行线)，完全满足《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》的要求，曲率半径、相对弯曲的指标也满足要求。工程如期完成后，在较好地维持新区第一景观道路--世纪大道的现有景观的前提下，将大大体提高该六岔路口的通行能力，最大限度地满足大连路隧道和复兴路隧道通车后急剧增长的交通需求形势，改善陆家嘴乃至整个新区的道路交通条件，促进浦东的开发和开放。
2．本工程设计过程中对下立交施工所引起的变形进行了开拓性的分析预测，同时，对横穿地铁施工的变形控制、开挖卸荷引起的地铁回弹变形的理论分析、地铁上方分块施工所带来的诸如钢筋连接、施工缝防水等问题立专题研究，对本工程的施工具有显著的应用价值，同时对类似邻近地铁的工程项目具有较高的参考价值。
3．对由隧道浅埋而引起的地下公用管线穿越问题，本工程首次采用了下穿式公用管线廊道方法，确保工程方案的顺利实施，同时可为类似工程提供经验。
6 结语
东方路-张杨路下立交工程设计中采用了一整套控制已建隧道变形的新技术，克服了以往类似工程因对地铁工程保护不力而不能实施的状况，使在已建地铁隧道上方的基坑施工处于安全、可控状态，工程得以顺利实施，也为同类工程提供有针对性的、通用的、系统的技术保障体系。
美中不足的是，由于本工程的工期紧迫，下立交围护结构和地基加固施工时对隧道的影响超出了预想的数值，所幸在开挖阶段能按设计规定的施工程序进行，工程结束时的隧道回弹变形最终被控制在《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》所要求的范围内。如果在施工周期、分块尺寸、地基加固等方面适当改进，则类似基坑施工时对隧道的影响可以控制在更加小的范围内，工程的安全可靠度亦可相应提高。
选自《城建集团第三届科技大会论文集》
