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強透水砂層運營地鐵隧道正上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

文檔作者：叢竺1，楊小平1’2，劉庭金1’2 文檔來源： 1．華南理工大學土木與交通學院 2．亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月08日
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2015年7月上施工技術(shù)
第44卷第13期c0NsTRucTl0N TECHNOLOGY 5 l
DOI：10．7672／s舀s201513005l
強透水砂層運營地鐵隧道正上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)
叢竺1，楊小平1’2，劉庭金1’2
(1．華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州510640；2．亞熱帶建筑科學國家重點實驗室，廣東廣州510640)
[摘要]某運營地鐵盾構(gòu)隧道上半部分主要處于富水的中、粗砂強透水地層，由于垂直于隧道走向的兩側(cè)地下連續(xù)
墻無法插入隔水地層，如何有效形成封閉的基坑止水體系，并實現(xiàn)運營地鐵隧道的安全保護，是隧道正上方基坑施
工的關(guān)鍵技術(shù)問題。通過對無法插入隔水地層的兩側(cè)地下連續(xù)墻外側(cè)砂層實施凍結(jié)法以形成止水帷幕，隔斷了基
坑內(nèi)、外側(cè)的水力聯(lián)系；通過采用三軸水泥土攪拌樁加固基底下方至隧道上方的砂層，控制地鐵隧道位移，并加強
基坑豎向止水效果。監(jiān)測表明，運營地鐵盾構(gòu)隧道的最大位移量為一2．3mm，滿足地鐵安全保護要求。
[關(guān)鍵詞】地鐵；隧道；基坑；盾構(gòu)；止水措施；凍結(jié)法；施工技術(shù)
[中圖分類號]Tu753 [文獻標識碼】A [文章編號】1002—8498(2015)13·005l-05
Key Technology of Foundation ExcaVation Construction AboVe operation
Subway Tunnel in Strong Permeable Sand Stratum
Cong Zhul，Yang Xiaopin91一，Liu Tingjin’·2
(1．sc，lDoz D，C謝Z E增i胱eri昭口，ld‰，印onn砌n，勘uf^c^i兒口c，ni口已邢渺礦扎cJII，10如gy，Gu口，彬^Du，
G￡‘口增dong 5 l 0640，C婦Io；2．St口把‰y h60mto哆0，Su脅Dp如nf ArcI|l厶ecIl‘陀Sc拓，Ice，
G加，咿JIlDu，Gu口凡gdo增510640，儺i加)
Abstract：Top half of an operation subway tunnel which mainly lies in the strong pe珊eable medium—
coarse sand stratum． Since the two sides of the continuous concrete wall that aI℃perpendicular to the
subway tunnel can not be insened into the impemeable layer． It is a key technical pmblem tllat how to
make a enclosing waterpmof system in foundation excavation e矗．ectively and achieve security and
protection for operation subway tunnel． The fo瑚ed waterproof curtain by fbezing met}lod in the sand
layer， outside which the continuous concrete wall can not be insened into the impemeable layer． It
isolate hydraulic connection inside and outside the fbundation excavation． The sand layer between tIle
foundation excaVation and the subway tunnel is reinforced by triaxial cement—soil mixed piles to control
the defomation of the subway tunnel e矗奄ctively． The monitoring data indicates that the maximum
defo冊ation of the operation subway shield tunnel is 一2．3 mm，which meets the requirements of subway
tunnel security．
Key words： subways； tunnels； foundation excavation； shields； waterproof method；
method：constllJction
0 引言
隨著國內(nèi)地鐵的大規(guī)模建設(shè)和開通運營，以及
城市下穿地道的大量修建和地鐵沿線物業(yè)的高強
度開發(fā)，在運營地鐵隧道上方進行基坑開挖的工程
將越來越多。滿足地鐵安全運營的保護要求，將成
為嚴重制約隧道正上方基坑開挖的關(guān)鍵技術(shù)問
[作者簡介]叢竺，碩士研究生，E—mail：691120770@qq．com
[通訊作者]劉庭金，博士，副教授，E-mail：liu-tingjin@163．com
[收稿日期】2014_08．1l
freezing
題?。文獻[2擊]針對運營地鐵隧道上方基坑工程
設(shè)計和施工的相關(guān)技術(shù)和控制措施進行了研究。
地鐵隧道正上方基坑能否形成封閉的止水體系，是
確保地鐵隧道安全的關(guān)鍵所在。隧道周邊若為不
透水地層，將極大地有利于地鐵隧道的安全保護；
若隧道周邊為強透水地層，則將不利于地鐵隧道的
安全保護，如何形成封閉的基坑止水體系將是關(guān)鍵
所在。凍結(jié)法作為地層止水和地層加固的一種技
術(shù)措施，已在地鐵隧道的聯(lián)通通道和盾構(gòu)端頭井加
萬方數(shù)據(jù)
52 施工技術(shù)第44卷
固等工程中得到了廣泛的應(yīng)用??。
目前，針對強透水地層條件下運營地鐵盾構(gòu)隧
道正上方進行基坑施工的相關(guān)報道較少。某運營
地鐵盾構(gòu)隧道下臥不透水的強、中風化粉砂質(zhì)泥
巖，隧道上半部分及隧道上方則主要處于富水的
中、粗砂強透水地層，由于垂直于隧道走向的兩側(cè)
地下連續(xù)墻無法有效插入隔水地層，因此，如何有
效形成封閉的基坑止水體系，并實現(xiàn)運營地鐵隧道
的安全保護，則是嚴重制約在隧道正上方進行基坑
施工的關(guān)鍵技術(shù)問題。
為此，本文以某上穿運營地鐵盾構(gòu)隧道的市政
工程為例，從地鐵隧道安全保護技術(shù)角度出發(fā)，詳
細介紹了該基坑工程的主要特點、工程地質(zhì)條件、
凍結(jié)法止水方案、主要的地鐵保護措施以及地鐵隧
道位移監(jiān)測結(jié)果，以期為今后類似強透水地層條件
下運營地鐵盾構(gòu)隧道正上方基坑工程的設(shè)計和施
工提供借鑒。
1 工程概況
某市政隧道為雙向六車道，全長520m，其中敞
開段長350m；遮光段長40m；暗埋段范圍為K2+
510—K2+640，共長130m。暗埋段采用整體式矩
形框架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，敞開段采用U形塢式鋼筋
混凝土結(jié)構(gòu)。
市政隧道垂直上穿已運營的地鐵盾構(gòu)隧道，盾
構(gòu)隧道外徑為6．0m，左、右線隧道凈距約6．9m。地
鐵隧道上方覆土約16．0m，上方基坑開挖深度約
9．6m，地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂距離基坑底約6．4m?；?
平面上分為東、西2個區(qū)域，先施工西側(cè)區(qū)域，待其
主體結(jié)構(gòu)全部施工完成后，再施工東側(cè)區(qū)域，深度
方向上分層開挖。基坑支護結(jié)構(gòu)采用800mm厚地
下連續(xù)墻+2道支撐，其中第l道鋼筋混凝土支撐
距地面0．5m，第2道鋼管支撐距離第1道支撐
4．5m。基坑四周設(shè)置了800mm厚地下連續(xù)墻，兩
隧道中間為西1 000@1 270的旋挖樁，東、西兩側(cè)的
地下連續(xù)墻和中間的旋挖樁均要求深入基巖，以確
保形成基坑止水體系。地鐵隧道正上方基坑第1，2
道支撐平面如圖1所示，基坑與下方盾構(gòu)隧道關(guān)系
剖面如圖2所示。
垂直于地鐵隧道走向的基坑兩側(cè)(南北側(cè))的
地下連續(xù)墻墻底距離地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂約1．0m，隧道
上方地層為強透水的中、粗砂地層，基坑無法形成
封閉的止水體系，為有效封閉基坑并控制坑底隆
起，針對基坑底至距離地鐵隧道結(jié)構(gòu)頂2．0m范圍
內(nèi)約4．0m厚的地層采用咖850@600三軸水泥攪拌
樁進行滿堂加固，水泥摻量為20％；同時，針對基坑
南北側(cè)的地下連續(xù)墻外側(cè)范圍采用凍結(jié)法形成止
： l： ： l高壓旋噴樁
I l
西區(qū)先施工
I I I I
地鐵隧道地鐵隧道
a第l道支護結(jié)構(gòu)
b第2道支護結(jié)構(gòu)
圖l 基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置
Fig．1 The plan layout of fbundation excaVation
suppOrting structure
型夠一鋼支撐崔
b Ⅲ
‘：i．+jo～：．、j? j．_’oo，·j．鼉o
·■．水泥土攪拌樁．· !水強擊磐警夠；j： o
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陋鐵隧狙
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k下誶縫墻一≮摻排撤下誶續(xù)《．
琴國薹簍主土
：收
：：崮粉質(zhì)黏土層
7l雪砂質(zhì)泥巖國黜
圖2基坑與盾構(gòu)隧道關(guān)系剖面
Fig．2 The section of foundation excaVation
and the shield tunnel
水帷幕。為盡可能減小基坑土方開挖對下方隧道
的影響，要求地鐵隧道正上方約30m長的基坑采取
分段分期施工。
2工程地質(zhì)條件
場地原始地貌屬三角洲海陸交互相沉積階地，
地勢較平整。根據(jù)鉆孔揭露，本場地區(qū)巖土層按成
因可劃分為：①人工填土層；②第四系海陸交互相
沖積層；③古近系、白堊系和風化基巖3個成因?qū)印?
土層從上至下分別是：素填土(厚度約2．5m)一淤
泥質(zhì)土(厚度約5．0m)一中砂(厚度約9．0m)一粉
慫棒嘞●■筋I(lǐng)—I
i，
萬方數(shù)據(jù)
叢竺等：強透水砂層運營地鐵隧道正上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)53
質(zhì)黏土(厚度約3．0m)一風化巖層。
地鐵盾構(gòu)隧道下臥不透水的強、中風化砂質(zhì)泥
巖，隧道上半部分及隧道上方則主要處于富水的
中、粗砂強透水地層。
地下水主要有第四系沖淤積松散層中賦存的
孔隙潛水，主要含水層有粉砂層及中砂、粗砂層；人
工填土層及頂部淤泥質(zhì)土中賦存有上層滯水；基巖
裂隙水含水微弱或較小。地下水主要靠地下水循
環(huán)補給，其次靠大氣降水滲入補給及附近地表水體
向下滲入補給，地下水埋深約1．0m。
3 凍結(jié)法止水帷幕方案
3．1 總體方案
為確?；邮┕げ挥绊懙罔F的正常運營，針對
垂直于地鐵隧道上方無法施工至不透水地層的連
續(xù)墻部位外側(cè)，增加了凍結(jié)止水帷幕。凍結(jié)止水帷
幕平面布置如圖3所示。通過以氯化鈣溶液為載體
將地層內(nèi)的熱量帶到制冷站進行熱交換，以形成凍
結(jié)止水帷幕，隔絕基坑內(nèi)、外側(cè)的水力聯(lián)系。
圖3凍結(jié)止水帷幕平面布置
Fig．3 The pIan layout of freezing waterproof curtain
根據(jù)現(xiàn)場總體施工情況，在連續(xù)墻施工后，接
著組織凍結(jié)法施工。首先進行凍結(jié)孔鉆孔施工和
凍結(jié)站的安裝，按基坑開挖施工進度安排凍結(jié)加固
施工。
采用垂直局部凍結(jié)加固止水方案，即：沿14．3m
深地下連續(xù)墻外側(cè)布置凍結(jié)管，采用局部凍結(jié)工藝
加固地層，形成凍結(jié)止水帷幕，隔絕基坑內(nèi)外側(cè)的
水力聯(lián)系，確?；娱_挖安全。經(jīng)過凍結(jié)后，通過
測溫孔觀測計算，確定凍結(jié)達到截水要求后，再進
行基坑開挖施工。凍結(jié)帷幕剖面布置如圖4所示，
施工工藝流程如圖5所示。
3．2凍結(jié)設(shè)計
根據(jù)凍結(jié)壁的暴露時間長短確定凍結(jié)壁平均
溫度為一8℃，暴露時間較短，對凍結(jié)墻的強度和變
形影響較小。凍結(jié)壁厚度：與隧道結(jié)合范圍為
2．0m，其他部位為1．2m，與管片膠結(jié)面處厚度≥
1．0m。每區(qū)的凍結(jié)寬度31．0m，垂直局部凍結(jié)范圍
凍結(jié)帷幕水泥土攪拌樁
亢唐＼
樁店
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地鐵隧道地鐵隧道
3l }00
圖4凍結(jié)止水帷幕剖面布置
質(zhì)泥巖
質(zhì)泥巖
圖5凍結(jié)法主要施工流程
Fig．5 Main construction process of fteezing method
一3．5～一12．0m，以開挖底板至進入強風化巖不透
水層0．5m為準。在地下連續(xù)墻外側(cè)0．8m和1．6m
處布置2排凍結(jié)管，呈梅花形布置，孔間距為0．8～
1．0m。在南北側(cè)兩個凍結(jié)區(qū)各57個，總計114個，
總長度約2 066m。布置20個測溫孔，計358m。凍
結(jié)管采用咖127×8無縫鋼管，供液管、回液管采用
弘5×3．5無縫鋼管，成孑L后應(yīng)進行密封性水壓力
測試。
凍脹處理措施：在凍結(jié)帷幕外圍1．0m處布置
泄壓孔，泄壓孑L間距2．0m，每側(cè)布置11個泄壓孔，
鉆到設(shè)計位置后，用優(yōu)質(zhì)泥漿充填護壁。當凍脹力
產(chǎn)生時，通過泄壓孔直接向地面釋放地層過高壓
力，以減少可能對隧道的擠壓影響。融沉控制：因
周圍地表環(huán)境要求高，采取強制解凍方法，利用信
息化監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測土體溫度、沉降變化，利用注漿
管進行壓密注漿。
3．3凍結(jié)法的潛在風險
1)凍結(jié)帷幕與正在運營的地鐵隧道正膠結(jié)，凍
結(jié)主要起止水作用，但運行隧道活塞風較大，凍結(jié)
帷幕與隧道膠合面散熱量大，對凍結(jié)效果影響很大。
土
土砂砂
土質(zhì)
Ⅸ素淤中粗粉強微 m填泥砂質(zhì)風 黏化化 心溷惕搦圈吲舊蚓詹禺冒扈
w～彭
7
2
3，一7
9
3
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8
2
5
7
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萬方數(shù)據(jù)
54 施工技術(shù)第44卷
2)地層已進行三軸攪拌加固，凍結(jié)孔布置在攪
拌加固體的一側(cè)，地層軟硬不均，易造成鉆孔困難
和成孔易偏斜現(xiàn)象，對成孔精度有很大的影響。
3)在已運營的地鐵隧道上部鉆孔，有潛在鉆通
隧道結(jié)構(gòu)的風險，需采取可靠的施工措施避免。
4)凍結(jié)期的凍脹和后期的融沉可能會對正在
運營隧道有一定的影響。
3．4主要技術(shù)措施
1)鉆孔前，對每個孔的長度和地面及孔底標高
進行細化分析，在隧道頂上部1．Om以上段采用牙
輪鉆頭鉆孔，以克服地層軟硬不均的影響，保證鉆
孔垂直度和提高鉆孔效率。
2)在隧道上部的孔可能偏斜碰到隧道凍結(jié)孔，
提前在地面配好鉆桿長度，詳細記錄鉆進深度，根
據(jù)設(shè)計尺寸當離隧道還有1．0m時，改換三翼鉆頭，
鉆頭上不配硬質(zhì)合金(鉆不動隧道管片)，慢慢鉆至
設(shè)計深度，同時根據(jù)鉆進扭矩和進尺速率判斷是否
到達隧道邊緣。造孔鉆孔冷卻管及測溫管采用
咖60mm鉆桿，成孔直徑152mm，泄氣孔采用咖79mm
鉆桿，成孔直徑242mm。
3)本凍結(jié)區(qū)域土體為砂層、粉質(zhì)黏土層和風化
巖，含水量和滲透系數(shù)小，同時上部土層已進行攪
拌樁加固，土性被改良，綜合分析此工程弱凍脹情
況。凍結(jié)帷幕的外側(cè)沒有受限，凍脹力可以得到及
時釋放，不會產(chǎn)生較大的凍脹力。為安全起見，在
凍結(jié)帷幕外圍布置若干泄壓孔，當凍脹力產(chǎn)生時，
通過泄壓孔直接向地面釋放地層過高壓力，以減少
可能對隧道的擠壓影響。
4)在解凍期，因凍結(jié)在隧道上半部，凍結(jié)區(qū)的
上部地層會受融沉影響，解凍過程對隧道幾乎不會
構(gòu)成影響。另外停止凍結(jié)后，在拔出凍結(jié)管的凍結(jié)
孔內(nèi)埋人注漿管，根據(jù)解凍情況向地層內(nèi)注漿，可
以有效地控制融沉對地層的影響。
4地鐵保護主要措施
由于基坑開挖距離地鐵盾構(gòu)隧道較近，為減少
基坑施工過程對地鐵隧道的擾動，采取了以下保護
措施。
1)隔離墻地鐵隧道兩側(cè)采用地下連續(xù)墻，距
E
E
簿
a
離地鐵隧道5．0m；地鐵隧道中間采用旋挖樁。地下
連續(xù)墻與旋挖樁均深入微風化巖層，以有效形成基
坑止水體系。
2)在地下連續(xù)墻內(nèi)、外側(cè)進行三軸攪拌樁施
工，并先于地下連續(xù)墻施工，以起到止水及地下連
續(xù)墻護壁作用。
3)基坑底土體加固坑底4．0m范圍內(nèi)采用攪
拌樁滿堂加固。攪拌樁與地下連續(xù)墻、攪拌樁與旋
挖樁問的空隙進行注漿，以完全封閉基坑。
4)對無法插入隔水地層的兩側(cè)地下連續(xù)墻外
側(cè)砂層實施凍結(jié)法以形成止水帷幕，有效隔斷了基
坑內(nèi)、外側(cè)的水力聯(lián)系。
5)基坑要求實現(xiàn)分塊、分層、分條、限時開挖。
6)抗隆起板分條開挖時，每條開挖完成后及
時澆筑該條墊層及抗隆板?？孤“鍛?yīng)與地下連續(xù)
墻和旋挖樁有效連接，以控制基坑隆起、減少對地
鐵隧洞的影響。
7)樁基托換市政隧道施工完成后完全坐落
于地下連續(xù)墻和旋挖樁上，以減少市政隧道通車期
間對地鐵隧道的影響。
5地鐵隧道位移監(jiān)測結(jié)果
為確?；邮┕て陂g下方地鐵的運營安全，對
下方地鐵盾構(gòu)隧道進行了三維位移自動監(jiān)測工作。
其中戈方向為隧道縱向，y方向為水平面上垂直于
隧道縱向，石方向為隧道豎向。戈為“+”表示監(jiān)測
點在水平面上向南移動，為“一”表示向北移動；，，為
“+”表示水平面上向東移動，為“一”表示向西移
動；z為“+”表示豎向向上移動，為“一”表示豎向
下沉。
左、右線地鐵隧道的位移曲線如圖6，7所示。
截止到2013年12月28日(正上方基坑已完成回
填)，左線隧道的最大位移量為一2．3mm(z方向)，
位于隧道里程zDK2+468；右線隧道的最大位移量
為2．2mm()，方向)，位于隧道里程YDK2+490。其
中隧道里程Z／YDK494—522為基坑的正下方范圍。
基坑施工期間地鐵隧道的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)較小，滿足
地鐵安全運營要求。
實踐表明，采用的凍結(jié)法止水帷幕和三軸攪拌
{|參嘲嚼2 里程／n1：筮霧瘩j
b 1．方向1卜-監(jiān)測點5
圖6左線地鐵隧道位移曲線
c：方向
560
點1
點2
點3
點4
點5 匣逼躐趟 霧
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勤瓢豁擬郫
融攤警～舳
萬方數(shù)據(jù)
叢竺等：強透水砂層運營地鐵隧道正上方基坑施工關(guān)鍵技術(shù)55
薹顙 ++一監(jiān)監(jiān)監(jiān)測測測點點點二l3
‘一監(jiān)涮點燮4 墜 每。j‘“醢5≤蕊
里程／m
a』方向
姜；
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里程／m
b y方向
薹一裂
圖7右線地鐵隧道位移曲線
Fig．7 DispIacement curVes of subway tunnel of right route
樁封底措施，有效隔斷了基坑內(nèi)、外側(cè)的水力聯(lián)系。
6 凍結(jié)帷幕下方管片滲漏現(xiàn)象
地鐵隧道現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，下方盾構(gòu)隧道結(jié)
構(gòu)整體完好，未出現(xiàn)管片結(jié)構(gòu)開裂、錯臺等病害現(xiàn)
象，但在基坑南、北側(cè)凍結(jié)帷幕下方盾構(gòu)管片接縫
處出現(xiàn)了滲漏水現(xiàn)象，且主要表現(xiàn)為管片環(huán)向接縫
處滲漏水。推測發(fā)生滲漏水的主要原因為：由于盾
構(gòu)隧道管片接縫處采用橡膠密封墊防水，當溫度降
低時，沿隧道走向方向的管片產(chǎn)生收縮，導致環(huán)向
接縫處密封墊的接觸壓力有所減小，進而產(chǎn)生了環(huán)
向滲漏現(xiàn)象。而沿隧道徑向，則由于隧道受外側(cè)土
體的凍脹力作用，導致盾構(gòu)隧道縱向接縫部位的接
觸壓力有所增大，因此，盾構(gòu)隧道縱向接縫處未發(fā)
現(xiàn)明顯的滲漏水現(xiàn)象。
7 結(jié)語
強透水砂層條件下運營地鐵盾構(gòu)隧道正上方
基坑由于兩端地下連續(xù)墻無法深入隔水地層，難以
形成封閉的基坑止水體系，通過對隧道正上方地下
連續(xù)墻外側(cè)一定范圍內(nèi)的土體采用凍結(jié)法形成止
水帷幕，采用三軸攪拌樁加固基底下方砂層，有效
地進行了運營地鐵隧道的安全保護。本工程實踐
的成功經(jīng)驗，可為今后類似強透水地層條件下運營
地鐵盾構(gòu)隧道正上方基坑工程的設(shè)計和施工提供
借鑒。
鑒于凍結(jié)帷幕下方盾構(gòu)隧道管片環(huán)向接縫部
位出現(xiàn)了一定程度的滲漏水現(xiàn)象，建議今后開展凍
結(jié)法對盾構(gòu)隧道管片接縫張開量影響的研究，開展
凍結(jié)帷幕下方管片接縫張開量的現(xiàn)場測試工作，并
加強凍結(jié)溫度的精細化控制。
參考文獻：
[1] cJJ／T 202—2013城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范[s]．
北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014．
[2] 張俊龍，劉國彬，劉浩．隧道上方基坑開挖的施工工藝研究
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(上接第42頁)
化情況，在振壓加固效果分析方法上取得了可以借
鑒的研究成果，修改的能量吸收計算方法在地基加
固分析評價中是一次新的嘗試。試驗結(jié)果表明，在
1．0m厚度范圍內(nèi)，振動能量很快減少到18．4％，振
動碾壓的有效加固厚度為1．0 m；換填墊層的下層
土層經(jīng)事前碾壓后強度提高，確保了換填墊層的最
佳壓實效果。
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