紧邻既有运营铁路超大体量隧道基坑施工关键技术

马宏建

(中铁隧道集团有限公司天津工程指挥部，天津 300161)

0 引言

随着国内基本建设的不断发展、城市地下空间开发和高层建筑的大量建设，基坑工程日益增多，基坑三维尺寸和规模在不断增大。南水北调穿黄工程盾构竖井基坑深度超过70 m［1］，上海地铁4号线董家渡修复基坑深度达到41.2 m［2］，上海铁路枢纽南站北广场基坑面积达到40 000 m2［3］，某城际铁路工程地下车站基坑尺寸达到943 m(长)×52.4 m(宽)×20.2 m(深)［4］，随着基坑尺寸和规模的增大，施工难度和风险也越来越高。已建大体量基坑虽然较多，但纵穿城市中心区、全长近邻铁路营业主干线的超大规模深基坑在国内还没有先例，相应条件下施工技术方案、风险控制措施还没有储备，施工经验较少。京石客专石家庄六线隧道是第一条铁路穿城入地工程，隧道的施工使石家庄市被运营铁路一分为二、东西阻塞的格局成为历史。隧道长4 980 m，隧道进出口相连的明挖路堑基坑共长1 020 m，除下穿石太联络线铁路暗挖段80 m、下穿和平路等3个市政路口盖挖段208 m共4个断点外，其他均为明挖法施工，而盖挖段顶板封顶及暗挖段贯通后基坑也全部实现连通，基坑总长度达到6 000 m;如以暗挖段分界，两侧基坑长度也分别达到5 120 m和800 m，均属于超长基坑(槽)。隧道标准段基坑宽度40.5 m，基坑深度最深达到22 m，基坑总体量达到374万m3，隧道全长近距离侧穿正在运行的京广线，既有铁路运营线侧穿如此超大体量深基坑国内外还没有先例，在保证工程施工自身安全的基础上，不能因施工对营业线运营安全产生任何不良影响，施工风险和难度很大。本文研究和介绍了该工程围护结构及基坑施工关键技术，以期为类似近接铁路超大规模深基坑工程设计和施工提供参考。

1 项目概况

1.1 项目简述

石家庄六线隧道为京石客运专线重点控制工程。隧道地处石家庄市二环内，穿越市中心地带，北起石纺路，南至槐安东路，与既有京广铁路基本并行，是国内第一条铁路穿城入地多线隧道。沿线2处下穿铁路营业线分别为石太直通线和石德正线，3次下穿市政主干道分别为和平路、中山路和裕华路，周边企事业单位众多，建筑物构成复杂。隧道地理位置如图1所示。

图1 六线隧道地理位置图Fig.1 Location of Shijiazhuang 6-track tunnel

在隧道施工期间西侧既有京广线、既有石德正线、既有石德联络线等需继续运营。隧道基坑边缘离京广线路肩最小距离5.1 m，与营业线距离小于20 m区段占到全线长度的58%。图2为基坑与营业线位置关系。

图2 六线隧道与营业线位置关系Fig.2 Relationship between Shijiazhuang 6-track tunnel and operating railway

六线并行，线路从左至右(面向北京)依次为改建京广线、新建京石客专和石青客专，均为双线隧道，隧道断面如图3所示，京石客专速度目标值350 km/h，石太联络线引入部分局部形成七线。隧道全长4 980 m，两端路堑挖方路基1 020 m。

下穿既有石太直通线段80 m采用暗挖法施工，除下穿3个市政主干道段共208 m采用盖挖法外，其余段落均采用明挖法施工。结构断面设计以3跨圆拱直墙为主，局部采用4～6跨圆拱直墙，浅覆土段采用平顶框架结构，基坑开挖宽度30～52 m，深度8.5～27 m。

图3 六线隧道标准断面图(单位:cm)Fig.3 Standard cross-section of Shijiazhuang 6-track tunnel(cm)

1.2 工程地质与水文地质

沿线表覆第四系地层，包括全新统人工填土层(Qml)、全新统冲洪积层()及上更新统冲洪积层()。从上至下依次为杂填土、新黄土、砂类土和卵石类土等。地下水水位埋深45～50 m，均位于结构底板以下。

1.3 主要围护结构型式

明挖段根据基坑与营业线距离划分为一级基坑和二级基坑。其中，隧道结构外轮廓线与既有线路基边缘净距≤0.75 H(H为基坑开挖深度)为一级基坑，采用φ1.2 m@1.8 m钻孔灌注桩作为围护桩，基坑上部设1～2排钢筋混凝土横向支撑，下部采用3～5排预应力锚索支护体系;其余明挖段为二级基坑，采用φ1 m@1.5 m钻孔灌注桩加3～6排预应力锚索，基坑上部3 m采取土钉墙放坡，一级、二级基坑型式如图4所示。

2 施工方案与措施

工程实践证明，分块施工是解决超大基坑施工进度问题的有效途径［5］。由于基坑规模过大，总体施工方案采取化整为零、分段组织施工，根据现场环境条件、道路交通情况及施工方法等约束条件，六线隧道施工组织共划分为21个施工区段，最长段长450 m，隧道段落划分如图5所示。

2.1 围护结构施工

2.1.1 基坑围护结构

2.1.1.1 钻孔桩

本工程钻孔桩总数达7 456根，营业线一侧钻孔桩约3 500根，钻孔桩长度最大为34.2 m，长度为25～30 m。靠近营业线一侧任何一根钻孔桩施工过程如果在钢筋笼吊装、钻机走行或成孔作业时发生钢筋笼脱滑失控、钻机倾覆都将造成营业线事故，轻则侵限停车，严重时可能刮碰、砸伤运营车辆，造成人员和国家财产损失以及严重社会影响。

为确保钻孔桩施工过程安全，首先对成孔设备进行了比选。二级基坑优先选择行走能力强、底盘配置量大的旋挖钻机成孔，为避免地表软弱土体承载能力低造成钻机倾覆，采取回填石碴硬化措施;一级基坑由于距离营业线过近，旋挖钻机机架高大，对营业线威胁大，不宜使用。经比选使用正循环钻机成孔，循环钻机应用范围广，适应能力强［6］，钻机高度6～7 m，即使倾覆也不至于进入营业线范围。对少量距离营业线距离不足12 m的钻孔桩，优化为限制使用挖孔桩施工。

图5 隧道施工段落划分示意图Fig.5 Construction sections

钢筋笼在远离营业线一侧采取整节吊装，靠近营业线一侧根据距离营业线位置关系采取2～3节分节吊装、机械连接接头、孔口连接的措施，降低钢筋笼吊装作业风险。

2.1.1.2 锚索

六线隧道地质以砂性土为主，在锚索成孔过程中易发生塌孔，钻机出土量大于钻头切削数量，造成地层土体流失，如流失量不加以控制，将逐渐向上松驰塌落最终反映到地表，造成铁路路基沉降，影响行车安全。

锚索施工前分别核对各区段地质详勘报告和钻孔桩成孔记录，分析地层特点，并在实际成孔中校验调整，对易塌孔地段采取跟管钻机全跟管钻进，控制水土流失量。成孔后第一时间下锚索和注浆，防止长时间停置造成孔壁失稳。注浆采用二次注浆工艺，在一次注浆填充满锚索孔的前提下，二次注浆采取高压注浆，既要补偿一次注浆体的收缩，同时实现对周围土体形成一定的扩散，达到劈裂注浆的效果，注浆压力为2～5 MPa。

2.1.1.3 土钉墙和桩间网喷混凝土

二级基坑上部3 m为土钉墙，土钉采用φ 22钢筋，长度5 m，采用螺旋钻或洛阳铲成孔。钻孔桩桩间设网喷混凝土支护，桩间支护随土方随挖随支，每次支护高度2～2.5 m，为锚索施工提供条件。两者使用的设备功率和尺寸均较小，对营业线影响较小。过程控制以及时支护为主，开挖后尽快施作土钉墙和网喷混凝土，减少土体暴露时间。

2.1.1.4 内支撑

为控制一级基坑变形量，减少营业线位移和沉降，基坑需采用抗变形能力好的内支撑体系，经设计计算，采用钢支撑方案能够满足安全性要求［7］。然而，根据实际情况，距营业线过近架设钢支撑困难，只能在基坑远离营业线侧置重型吊车起吊拼装，但易发生倾覆、侧翻或操作失控，存在侵限风险;结合现有钢支撑尺寸偏差、拼装精度、倒用或转场碰撞变形以及围护桩平整度等因素，即使施作中间格构柱，也容易发生钢支撑失稳崩落，进而危及营业线安全。同时，3.8万t钢支撑即使倒用也需要2万t，在国内基坑工程数量快速增长的情况下，多数需要加工，钢支撑方案经济性上优势也不明显。根据风险管理控制设计阶段高于施工阶段的原则［8］，在开工前设计优化为混凝土支撑方案，降低了工程风险。

2.1.2 基坑开挖

基坑开挖阶段重点防范基坑围护结构失稳，并避免出现较大的周边环境沉降，施工中遵循“分层、分步、对称、平衡、限时”要点，按照“纵向分段、竖向分层、从上至下、平衡开挖”的原则组织施工。基坑开挖方向根据现场拆迁及模板台车行走方向确定，纵向形成台阶放坡开挖，每台阶布置2台挖掘机倒退式开挖;竖向按照锚索及混凝土支撑的位置从上至下分层进行;横向开挖两侧土体后施作锚索支护，基坑中间留马道，供土方车辆出入基坑。各层开挖至相应排锚索以下0.5～1 m(或是混凝土支撑下表面垫层高度)时停止开挖，进行锚索(或混凝土撑)施工。土方开挖形式如图6所示。

图6 基坑土方开挖Fig.6 Soil cutting of foundation pit

土方开挖施工过程应加强监控量测，并根据反馈的监测信息合理调整施工进度。

2.2 基坑吊运作业

由于基坑西侧均为京广线，不具备起吊作业条件，因此，材料等吊运作业主要依靠基坑东侧场地。结合基坑线性特点，基坑材料吊运以走行式大跨门吊为主，个别地点如断面宽度变化大的部位安装塔吊，零星材料使用吊车配合。基坑大跨门吊如图7所示。门吊跨度为基坑跨度+1 m。

图7 上跨基坑门吊Fig.7 Gantry crane crossing foundation pit

2.3 基坑防汛措施

由于受太行山麓影响，石家庄市有夏季雨量分布不均的特点，易出现集中降雨情况，短时间降水量过大，石家庄市政排水设施不足以快速疏排，地面出现大范围积水，常见多个框构桥积水断交。六线隧道穿过的市政路口均为地道口，是地面水汇集点，基坑土体以砂性土为主，遇水浸泡冲刷易发生坍塌，进而影响营业线安全。防止雨季水淹基坑造成基坑事故是六线隧道防汛工作的重点。

雨季防汛的原则是:外拦截，内引排，应急有准备;早封闭，缓坡度，重点防流失。防汛组织上遵循分区域管理的原则，各段统一安排，分别组织，各成独立系统。

1)外水不内流。要通过采取有效措施确保各封闭区域以外的地表水不流入施工区域，锁定收水面积，避免场地外水流入增大各段防汛压力，措施有砌筑截水墙、排水沟，基坑边设挡水埝，基坑东西两侧15 m范围内的场地进行平整并采用20 cm厚C25混凝土硬化，并完善排水设施，确保雨季排水顺畅和基坑安全。营业线侧排水防汛措施如图8所示。

图8 临近营业线侧排水设施详图Fig.8 Detail of drainage facilities of foundation pit on the side adjacent to the operating railway

2)坑内少流失。坚持重堵轻排的原则，由于基坑开挖深度范围内以砂类土为主，需防止抽排水引起基坑内边坡或桩侧水土流失严重，造成大的冲沟、坍塌或基底扰动，引发基坑事故。对开挖形成的纵坡，要求坡度1∶1，大雨前对坡面采用防水篷布覆盖，防止雨水携带走泥砂，造成冲沟或滑坡，并利于雨后迅速恢复施工。

3)桩壁无裸露。减少一次开挖桩侧侧壁裸露面积，大雨前基坑两侧侧壁及时网喷混凝土封闭，以防桩间土体坍塌，波及围护结构外侧土体，基坑开挖到底后及时封闭。

4)应急有准备。做好应急预案、演练和应急物资的准备，以应对极端恶劣的天气情况。

2.4 信息化施工

六线隧道开展标准化施工，投入专项资金建立信息化管理系统(如图9所示)，规范4个工厂化作业点面，延伸管理手段，全面掌控各生产要素，实现了安全生产，被铁道部确定为全路四个标准化样板管理项目之一。

图9 监控系统Fig.9 Monitoring system

1)开发安全风险信息管理系统。目前各地结合地质和环境特点，分别建立了监测预警系统，如宁波［9］。结合各地经验，六线隧道通过建立变形控制标准和预警管理程序，动态与静态采集监测数据，超过预警值和报警值的监测点分别用橙色和红色显示在电子地图上，对超限数据报警，实现建设、监理、设计等各方联动监控。暗挖和一级基坑段采用分布式光纤等监测手段，实现对地层及围护结构的高密度高频度自动监测，沿光纤长度监测点最小间距5 cm，数据自动采集最小时间间隔20 min。系统增加了参建各方远程、实时对工程风险分段评估功能，系统结合各方定性评价和监测数据综合评估，并按低度、中度、高度和极高4个等级分段判定工程风险，对风险等级为高度及以上的风险提示相应的管理措施。评估结果显示实时评估出的风险概率、等级、主要风险点、风险时间曲线和建议性管理措施。结合安全风险信息管理预警系统，现场制定了配套的预警反应机制。

2)建立红外防侵入系统，确保既有线安全。沿京广线一侧设安全警戒线，在警戒线位置分段编号安装红外监控装置，在施工现场和集成监控室分别设置报警器，一旦人员或设备“侵限”，2处同时发出安全警报，有效预防安全事故的发生。

3)建立视频和门禁系统，实现施工秩序可控。广泛吸收市政工程管理经验，在围档和门卫看守的基础上，严格分开生产区和生活区，施工区全部安装刷卡通行的门禁系统，将所有管理人员和施工人员的个人资料作成磁卡，通过刷卡通道自动打开，并在集成监控室的显示屏上显示通行情况和个人资料。为了确保现场每一个段落和角落都在监控范围之内，在施工区段的基坑两侧间隔150～200 m安装一套摄像机，图像全部在集成监控室显示，而且可以自动存储数据信息半个月，既确保了施工场地的安全有序，也可以监控现场资源配置及施工情况。

3 项目实施效果

项目最早进场段开工时间为2009年5月8日，全线于2010年初开始大规模施工，为满足京石全线开通时间要求，于2011年3月底六线隧道主体完成。

隧道整个施工过程监测数据如表1所示，隧道施工过程基坑安全，最大位移和变形均控制在设计允许范围内。

表1 隧道监测数据统计表Table 1 Statistics of monitoring data

4 结论与体会

石家庄六线隧道已顺利完成主体结构的施工，本工程的顺利实施为临近既有线条件下的深基坑设计与施工积累了以下几点经验。

1)通过严格的施工管理，营业线侧实施大体量或大规模基坑施工是可行的，通过全过程全方位风险管理，营业线位移和沉降可以控制在允许范围内。

2)大体量深基坑围护结构及支撑体系设计和施工方案对工程安全及营业线安全影响至关重要，必须结合工程特点和地质条件比选安全可靠的围护结构方案，并在施工过程中对设备、工艺等环节严格控制，动态优化。

3)对大体量长大深基坑而言，化整为零、适当划分作业区域或段落是合理的施工组织方式，在整体把握的基础上，各区域或各段分别组织，逐个攻克。

4)在石家庄区域地质条件下，采取钻孔桩、混凝土支撑加锚索的支护体系，既能确保基坑体系安全，又能为基坑开挖提供足够作业空间，造价和投资上也比较经济，可以在类似工程中推广应用。

本文侧重于紧邻既有铁路运营线深基坑施工技术和工艺方面内容，营业线安全离不开高质量的现场施工组织管理［10］，优秀、合理的方案需要严格认真的落实，因此，营业线施工管理措施还需要继续总结、完善和改进。

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