5.3.3 案例三：东方路下立交工程
1）工程概况
东方路下立交工程位于浦东世纪大道、张杨路和东方路多条重要路口的交汇处，如图5-54所示。工程大体呈南北走向，全长600m，与地铁2号线相交处位于东方路站西端100m 左右，从2号线隧道上方斜穿而过。该下立交分为矩形箱型结构和敞开坞式结构两种形式，箱型结构长度为200m，位于交叉路口处，南北两端为敞开坞式结构，长度为270m。下立交每隔20～30m 设置一道沉降缝，按此划分原则，下立交共分为23段，分别为S01～S12，N01～N11，开挖深度6.3m。下立交为双向4车道，地道两侧设双向4车道地面道路。为保证东方路管线穿越，本工程南北两侧各设东西向的管廊一座，其中北管廊平面尺寸95.2m×22.0m（长×宽），基础底板底标高-5.90m；南管廊平面尺寸80.2m×15.3m（长×宽），基础底板底标高最低为-6.30m。由于整个工程施工范围内有大量的管线通过，地下构筑物众多，既有运营中的地铁2号线，又有正在建设中的4号线，还有预留站位的9号线车站。工程的N01（南侧）和N02段（北侧）从地铁2号线隧道上方通过，结构底板距离地铁2号线隧道不足2.6m。由于基坑开挖卸载较大，开挖过程中基坑坑底的回弹带动土层内的地铁隧道一起向上隆起。开挖施工对正在运营中的地铁2号线安全影响极大，施工稍有不慎，极有可能危及地铁安全，如何控制施工卸载引起的隧道沉降和隆起问题是设计施工之关键。
图5-54 下立交与隧道平面关系
2）施工难题及相应的对策
由于土体开挖深度达到6.3m，坑底以下隧道上方的覆土厚度仅2.6m，土体开挖卸载超过11吨，大深度开挖卸载会直接引起基坑坑底以下土层带动地铁隧道一起回弹。根据计算，如不采取可靠措施控制隧道的变形，隧道的隆起量将超过隧道变形控制指标，隧道结构变形将不能满足地铁运营安全，必须从设计和施工两方面着手解决这一施工难题。涉及地铁安全运营近距离的施工主要包括两部分内容：从地铁2号线隧道上方近距离斜穿段和张杨路北侧管廊的深基坑施工，对地铁隧道影响最大的施工是隧道顶部斜穿越段的施工，也是本工程施工能否成功之关键。
穿越地铁2号线隧道部分的基坑围护结构采用SMW 工法桩施工，该类围护结构具有施工效率高、防水性好、造价相对低廉等优点。但在穿越地铁隧道部位的基坑围护结构的插入比严重不足，不能满足基坑抗滑安全，需对该部位基坑围护结构外侧近10m 范围内的土体进行加固，以满足基坑安全要求。为减少和有效控制隧道的隆起，必须对穿越地铁隧道部分的基坑内部土体实施满堂加固，采用旋喷桩和SMW 工法桩加固，水泥掺入量不少于20%，为确保加固质量，开挖前须对加固质量进行取样检测。加固体距隧道顶部及隧道两侧的距离严格控制在0.5～0.7m。地基加固剖面图如图5-55所示。
为有效控制基坑开挖到底部时隧道的隆起，沿隧道两侧的SMW 桩体内插H 型钢，使之与加固土体形成一个有效约束系统，以备挖土施工时控制隧道的隆起，型钢插入深度不小于25m。穿越隧道部分的土体开挖按照地铁隧道的上下行线分别实施，沿上下行线纵向将土体分成多块分别施工。沿基坑深度共分两层土体开挖，第一层土体开挖深度不超过2m，其余为第二层土体，以期控制早期的卸载。在土体开挖施工过程中，严格按照“分层、分块、对称、平衡、限时”开挖支撑和回压进行施工。在开挖顺序上，先开挖中隔墙位置，快速形成中隔墙，而后由中隔墙沿隧道纵向分别向两个方向施工，单块挖土宽度原则上不超过3～4m。在进行第二层土体开挖时，单块土体的挖土时间控制在3 h，为控制单块挖土和浇筑砼的总施工时间，不做垫层。挖土之前要预先加工好底板钢筋，适当提高混凝土标号并具有微膨胀性能，混凝土浇筑一旦完成，及时采用砂袋回压，单块土体施工的总施工时间控制在7～9 h。对相邻不同块体之间的施工要求与前述相同。由于施工距离地铁隧道非常近，施工稍有不慎极有可能危及地铁安全，每一道工序的施工极具有风险性。在实施旋喷桩和搅拌桩时，需要对其位置精确定位并保持其垂直度，对施工桩深须严格控制，隧道的位置和覆土深度须经地铁运营单位现场复核确认。隧道顶部及附近的施工须在列车停止运行后进行，并先试验施工对隧道的影响情况，再决定是否允许在白天施工还是在夜间施工，并在施工顺序上优化施工。同时要求即时的信息化施工，发现异常及时报警，对隧道的管径收敛采用巴塞特收敛系统进行监测，对隧道的沉降和隆起采用即时的高精度静力水准仪自动监测，做到每10～20min显示一次隧道变形的数据。要求施工单位进一步深化施工组织设计，精心组织施工，对施工过程中可能发生的危及地铁运营的各种情况备有预案，使每一个施工环节具有可操作性，最大可能地减少基坑底部暴露时间，有效控制地铁结构的变形，确保地铁运营安全。
图5-55 地基加固剖面
3）施工过程中的地铁监控及分析
（1）基坑围护结构及地基加固。
2003年4月25日夜间开始对下行线隧道顶部实施旋喷桩试验性加固，并进行即时监测。旋喷桩施工时对隧道结构顶部产生向下的瞬时最大位移达到2.5mm，顶部两侧45度方向达到1.5～1.7mm，稳定后最大位移1.0mm，隧道腰部的变形0.5～0.7mm，旋喷桩施工对运营中的隧道影响明显。因此，要求旋喷桩施工一定在列车停止运行后进行，并对施工参数进行优化和调整，既满足加固要求又对隧道产生的影响要小。与此同时，在不同的隧道断面两侧实施SMW 工法桩试验性施工，采用Φ650mm和Φ850mm的搅拌桩施工，搅拌桩中心距离隧道边缘1.4m，桩长25m，单根SMW 工法桩对隧道产生挤压作用，靠近搅拌桩一侧的隧道挤压2.1mm，远离一侧产生0.4mm的挤压，隧道顶部产生3.0mm的向上隆起。鉴于搅拌桩施工对隧道影响比较大，要求最靠近隧道的第一排桩在列车停后的这一段时间内施工，并要求跳做，其他各排搅拌桩按照“先近后远”的顺序逐排进行。在围护结构和地基加固的整个施工过程中，全程采用静力水准仪和巴塞特系统对地铁隧道的变形进行监测。基坑加固施工持续到6月30日，在隧道上方土体开挖前地铁2号线上下行线隧道的局部隆起最大量已经达到6～7mm。
（2）隧道上方基坑开挖施工。
由于地下管线众多而且复杂、埋藏深度大，加上工程位于交通繁忙路口，给工程施工带来相当大的难度。为保证按时开通，不但对原定的上下行线施工顺序进行调整，而且对原定3～4m的挖土宽度也进行调整，最小开挖幅宽经过多方论证后适当放宽，以缩短施工工期。先施工N01段，后施工N02段。调整后的上下行线分块施工顺序如图5-56所示。
图5-56 上下行线分块施工
自2003年4月27日进行土体加固到7月15日开挖，上行线隧道的累计沉降局部已经达到7mm。2003年7月15日开始施工上行线第一层土体的中隔墙处，上行线隧道回弹1.5～2mm。7月17日开挖第二层中隔墙处的土体，先挖除隧道两侧的土体，最后挖除隧道上方的土体，在22∶30时土体开挖结束，然后绑扎钢筋立模板，18日3时开始浇筑中间隔离墙混凝土，5时完成，9时并回压砂袋高度3m。整个施工过程中，隧道的持续隆起达到1～3mm，隧道累计隆起量达到12.1mm。20日开施工第2块土体，21日开挖第3块土体，24日开挖第4块土体，此时隧道的最大隆起量已经达到16mm。25日开挖第5块土体，6时浇筑结束，11时回压结束，最大累计隆起量17mm。在8月2日在中隔墙和侧墙混凝土浇筑完成后，上行线隧道基本保持稳定在16～17mm。自基坑加固开始至开挖及回筑期间2号线上行线隧道隆起历时曲线图如图5-57和图5-58所示，图中sCJ15-18点是位于基坑中部下方隧道的监测点。而在此期间，下行线由于受上行线隧道上部卸载的因素由开挖前的隧道隆起6～7mm，累计达到10mm，影响达到3.5mm以上，如图5-59所示。
图5-57 隧道上方基坑加固-开挖及回筑期间2号线上行线隧道隆起历时曲线
图5-58 隧道上方基坑加固-开挖及回筑期间2号线上行线隧道隆起曲线
图5-59 各种不同施工因素对下行线隧道变形的影响
自2003年4月下旬对2号线下行线隧道上方及两侧土体的加固，8月18日进行开挖地表层1.5～2.0m，8月19日19时开始挖隧道上方第一块土体，24∶00挖土结束，20日4时混凝土浇筑结束，10时回压完毕。其后，每天施工一幅底板，直到8月24日完成最后一块。施工要求与上行线施工要求相同，9月4日完成顶板的混凝土浇筑。其间，上行线隧道的隆起增量达到6mm，使累计隆起量达到15.24mm。自基坑加固开始至开挖及回筑期间2号线下行线隧道隆起历时曲线图如图5-60所示，图中xCJ12-xCJ17点是位于基坑中部下方隧道的监测点。从图上可以明显表示，上行线隧道上部基坑开挖施工对下行线隧道隆起达到3mm。
图5-60 自基坑加固开始至开挖及回筑期间2号线下行线隧道隆起历时曲线
4）数值模拟分析
采用第4章介绍的上方卸载作用下盾构隧道变形数值分析方法，建立有限元数值模拟计算模型，如图5-61所示。由于东方路下立交工程与地铁2号线斜交约45°，选取垂直隧道走向的剖面建模。模型考虑土体分层，开挖前坑内土体满堂加固以及隧道上半圆1m 范围内土体注浆加固，且根据实际工程考虑了隧道两侧抗拔桩的设置。计算过程中考虑土体分块分层开挖。土层选用HSS模型，模型参数依据项目勘察报告确定；隧道管片采用梁-铰接头模型。
图5-61 东方路下立交有限元计算模型
图5-62和图5-63分别为上行线隧道上方N01段土体开挖和下行线隧道上方N02段土体开挖引起的隧道管片变形。从图5-62中可以看出，N01段土体开挖引起上行线隆起约9.8mm，其间影响下行线隆起约5.0mm。根据图5-57所示监测结果，在上行线上方N01段土体开挖及回筑期间，2号线上行线隧道最大隆起约10.0mm，其间对下行线的影响隆起量约3.5mm，模拟计算结果较为接近。
考察下行线隧道管片的整体变形，在上行线上方土体开挖期间，对下行线隧道管片的影响表现出随周边土体变形的刚体位移。图5-63所示下行线上方土体开挖计算结果，上行线亦表现出此变形规律。
根据图5-60下行线变形监测结果，在下行线上方N02段土体开挖期间，下行线最大隆起约6.0mm。此时N01段已完成中隔墙和侧墙混凝土浇筑，而计算中未考虑回筑工况，因此下行线上方N02段土体开挖计算结果比监测结果略大。
图5-62 上行线上方N01段土体开挖引起的隧道管片变形（单位：m）
图5-63 下行线上方N02段土体开挖引起的隧道管片变形（单位：m）
表5-10列出了东方路下立交项目隧道正上方土体开挖引起的隧道管片的变形。根据计算结果可知，在卸荷比为0.7时，隧道隆起量约占挖深的1.6‰。
表5-10 东方路下立交项目隧道变形计算统计
从工程案例中同样可以看出，加固过程对隧道影响明显，而纯开挖期间的隧道隆起量仅是开挖深度的1‰左右，因此，必须控制加固过程中的挤压扰动。