崔巍

摘要：本工程为全国地铁首次采用“地下桥”结构跨越煤炭采空区。地质情况复杂，为了控制基坑自身及周边建筑物的变形，施工采用“明挖围护结构及地下桥基础”的方案，根据最终监测数据分析，该方案对结构的变形影响较低，施工风险可控，为以后列车长期运营提供了充足安全保障。本文主要介绍该工程施工工艺及监测数据分析，为其他城市类似工程提供参考借鉴。

关键词：煤炭采空区；地下桥；监测

1 工程概况

1.1 设计情况

南湖北路站～王家梁站区间沿南湖北路转向西，穿越王家梁村、六道湾村煤炭采空区后继续穿越王家梁陶瓷建材市场建筑群至新医路上，在新医路和昆仑路北二巷交叉口前到达王家梁站。区间隧道穿越六道湾村煤炭采空区，在穿越采空区段采用明挖工法施工，明挖段长度为222m。其中跨越不良地层煤炭采空区“南大槽”与“北大槽”。首先施做明挖基坑围护桩及地下桥承台灌注桩，形成初步围护形式；其次进行基坑开挖；最后跨南、北大槽施做地下桥承台及限位板，对南、北大槽进行注浆加固。

1.2 工艺情况

区间主体基坑围护结构采用钢筋混凝土灌注桩。采空区围护分为Z-A，Z-B，Z-C，Z-D四种型号桩，桩径均为1m，采用C30水下混凝土。其中A型桩长22.45m，39根，B型桩长63.95m，170根，C型桩长26.45m，129根，D型桩长26.45m，64根，共计402根。地下桥跨结构设置5个承台，承台桩涉及3种桩型，分别为桩长40m，桩径1500mm的Z-1型桩；桩长33m，桩径1200mm的Z-2型桩和桩长25m，桩径1200mm的Z-3型桩。

2 工程地质与水文地质

2.1 工程地质条件

场地位于乌鲁木齐河东侧二级阶地上，由于受煤矿开采，地面塌陷及塌陷治理等影响，原始地貌已被人为改造，场地为第四系松散堆积物所覆盖，第四系主要地层由冲积、洪积形成的圆砾、卵石层组成；表层多为人工堆积层，主要为建筑垃圾、生活垃圾以及煤渣等；在第四系松散沉积层下为侏罗系中侏罗统西山窑组（J2X）含煤地层。其岩性为粉砂岩和炭质泥岩夹煤层。场地含有2组特厚煤层。第一组煤层总厚度18～23m左右，称为南大槽；第二组煤层总厚度38～45m，称为北大槽。北大槽与南大槽之间的距离为89～92m。煤层产状：走向64～66°，倾向334～336°，倾角70～75°。

2.2 水文地质条件

采空区明挖基坑分布于卵石层中，勘察中钻孔钻至17m附近发现地下水。随着钻探深度加深，由于钻探钻透该含水层，该层地下水迅速渗漏于地下。该层地下水为碎屑类裂隙孔隙水，上部的松散卵石、砾石、砂砾石以及南、北大槽塌陷回填层为透水层。碎屑岩类裂隙孔隙水分布于下伏侏罗系煤层顶底板的砂岩、粉砂岩裂隙孔隙中，含水层岩性主要为煤层顶底板砂岩和粉砂岩，富水性较差。钻孔实测地下水埋深约88m。

2.3 主要风险

明挖基坑深度18.3～23.7m，采空区范围内基坑底为杂填土、回填卵石、建筑垃圾、煤渣等，基坑跨越南、北大槽，地质情况復杂，需控制施工过程对高层建筑鸿基大厦变形的影响。采空区基坑国内首次采用地下桥跨越施工，施工难度大。

2.3.1 基坑跨越南、北大槽

基坑跨越南、北大槽，存在大量塌落煤体，岩层稳定性差，施工难度大，不利于施工过程中沉降控制，对建成后的结构影响较大，采空区明挖基坑国内首次采用地下桥跨越施工。

2.3.2 基坑北端临近高层建筑鸿基大厦

采空区基坑距鸿基大厦地下室5.2m，此风险源为一级环境风险源，鸿基大厦为框剪结构，地上19层，地下2层；鸿基大厦桩基位于中风化泥岩、砂岩层，基础为Ф1200桩基础（扩底墩），桩顶标高-8.5m，桩长不小于8m。基坑深23.7m，距离鸿基大厦4层裙房10.58m。

3 施工工法

采空区施工采用“明挖围护结构及地下桥基础”的施工方案，即：首先施做明挖基坑围护桩及地下桥承台灌注桩，形成初步围护形式；其次进行基坑开挖；最后跨南、北大槽施做地下桥承台及限位板，对南、北大槽进行注浆加固。

地下桥结构承台灌注桩剖面示意图

3.1 基坑开挖

基坑位于砂卵石层，土方开挖采用机械开挖为主，人工清理基底、桩间及桩侧的方式进行。开挖遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖。分成10个流水段进行，向下分层开挖，中间拉槽，横向对称扩边，先撑后挖，坑内集水抽排。开槽宽度为4～7米。横向对称扩边，即中槽纵向贯通后，由中槽向两侧横跨向对称开挖。先撑后挖，即钢支撑先于开挖前完成，保证围护桩结构的安全。

开挖步骤如下：

第一步：破除地面施做基坑两侧围护结构、基础桩、冠梁。基底注浆加固。第二步：开挖基坑至第一道支撑下，浇筑第一道混凝土支撑。第三步：继续开挖基坑至第二道横撑下400mm，架设第二道钢管横撑。第四步：继续开挖基坑至第三道横撑下400mm，架设第三道钢管横撑。第五步：继续开挖基坑至第四道横撑下400mm，架设第四道钢管横撑。第六步：继续开挖基坑至设计坑底标高，完成基坑开挖。施做坑内排水沟及集水沟。第七步：浇筑承台或限位板。第八步：待承台或限位板砼达到强度后，拆除第四道横撑。施作底板柔性防水层及保护层，浇筑底板及底部侧墙。第九步：待底板砼达到强度后，施作侧墙防水层，浇筑侧墙至中板下，架设换撑。第十步：拆除第三道横撑。施作侧墙防水层，浇筑侧墙、中墙及中板。待中板砼达到强度后拆除换撑。第十一步：待中板砼达到强度后，拆除第二道横撑。施作侧墙防水层，浇筑侧墙、中墙及顶板。第十二步：待顶板砼达到强度后，拆除第一道横撑。施作顶板防水层及保护层。回填并恢复路面。

3.2 地基加固

由于地下采空区的存在，不仅造成空体上部煤层和覆盖层失稳而冒落或沉陷，而且使煤层顶底板产生岩移和变形。因此需对基坑底以下回填土体进行注浆加固。

加固深度为南、北大槽采空区基坑底以下0～10m以及20～30m深度处土体。注浆加固前，应进行室内浆液配比试验和现场注浆试验，确定设计参数和设备。应采用多次注浆，间隔时间应按浆液初凝实验结果确定且小于4小时，封闭泥浆7d后70.7mm×70.7mm×70.7mm立方体试块的抗压强度应不小于0.5Mpa。注浆钻孔直径100mm，间距1500mm，梅花形布置，深孔最小49m或进入岩层为止。注浆管径50mm。注浆采用42.5级普通硅酸盐水泥，水泥浆液的水灰比1：1，参加5%水玻璃，水玻璃模数2.5～3.3，浓度40°Be。注浆压力控制在0.5～1Mp。

注浆加固对施工要求：

1）施工场地应预先平整，并沿钻孔位置开挖沟槽和集水坑。

2）注浆施工时宜采用自动流量和压力记录仪，并及时进行数据整理分析。

3）注浆孔垂直度允许偏差为±1%。

4）注浆流量可取（7～10）L/min，对填充型注浆，流量不宜大于20L/min。

5）当用花管注浆和带活堵头金属管注浆时，每次上拔或下钻高度宜为0.5m。

6）浆体应经过搅拌机拌匀后，方可压注，注浆过程中应不停缓慢搅拌，搅拌时间应小于浆液初凝时间，浆液在泵送前应经过筛网过滤。

7）水温不得超过30℃～35℃，气温过低或过高时，采取措施防止浆液凝固或冻结。

8）应采用跳孔间隔注浆，且先外围后中间的注浆顺序。

9）对渗透系数相同的土层，应先注浆封顶，后由下而上进行注浆，防止浆液上冒。如土层的渗透系数随深度而增大，则应自下而上注浆。对互层地层，应先对渗透性或孔隙率大的地层进行注浆。

10）对冒浆、窜浆、饶塞返浆等现象根据相关规范准备预案并处理。

4 风险监测

4.1 监测目的

1）保证基坑支护的安全。支护结构在破坏前，往往会在基坑侧向不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。如有周密的监测控制，有利于采取应急措施，在很大程度上避免或减轻破坏的后果。

2）验证支护结构设计，指导基坑开挖和支护结构的施工。了解现场实际的应力和变形情况，与设计时采用值进行比较，必要时对设计方案或施工过程进行修正，从而实现动态设计及信息化施工。

4.2 测点控制值

为保证周边环境安全和施工安全，应进行必要的现场监测。当监测显示不正常情况时，应立即向各方报告。现场监测应实行预警、警戒、极限三级管理。

1、围护结构监测项目：

①桩顶水平位移：累计值25mm报警。②桩顶垂直位移：累计值25mm报警。③桩体水平位移：累计值30mm报警。④支撑轴力：设计轴力的80%。

2、周边环境监测项目：

①地表沉降测点：累计值30mm报警。②临近建筑物位移：累计值10～60mm报警。③地下管线沉降测点：累计值10～30mm报警。④建筑物地表裂缝：建筑物裂缝宽1.5～3mm，地表裂缝宽10～15mm报警。

4.3 主测断面分析

基坑共布设4个主测断面，煤炭采空区南、北大槽各布设一个主测断面，测点间距3m、5m、5m、5m，选取跨越北大槽主测断面05断面进行监测数据分析。

基坑开挖过程中各阶段分析如下：①基坑开挖第一层，地表监测累计沉降逐渐增大；②基坑开挖第二层，地表监测累计沉降因受钢支撑架设及其他因素呈现出波动；③基坑开挖第三层，地表监测累计沉降逐渐增大；④基坑开挖第四层，地表监测累计沉降处于开挖阶段最大值；⑤基坑开挖完成后对地层进行深孔注浆加固导致监测数据回升；⑥注浆完成后进行基坑与地下桥结构施做，受施工影响导致监测累计沉降增大；⑦基坑结构施做完成后，监测数据处于稳定。

4.4 监测数据统计及分析

（1）地表沉降

各测点最终累积沉降值分区如下表所示。基坑共布设62个监测点，沉降均控制在-25mm以内，按间距3mm划分柱状图如下图所示，可以看出呈单峰状，在-7.0mm～2.0mm沉降范围内的测点最多，共43个测点，占到所有沉降测点的69.3%，而-13.0mm ～-25.0mm沉降范围内的测点只占所有统计测点的12.9%，表现出正态分布的特性。

（2）桩体水平位移

各阶段的桩体水平位移最大水平位移基本是在开挖至一半后产生的，之前有未开挖的土体支撑约束，之后土体的支撑约束消失，水平水位增长较快，增长幅度占总变形的50%～60%；开挖至底后，开始拆撑做结构，此时由于钢支撑的约束消失，水平位移又有一次增长，此次增长幅度占总变形的15%～20%左右。

（3）支撑轴力

开挖过程中，支撑轴力未发生预警。测点受基坑开挖深度增大而呈上升趋势，基坑开挖至第三层时轴力明显增大。

（4）环境风险

鸿基大厦的建筑物沉降未发生预警，最大累计沉降-3.88mm，其中基坑开挖到第二道钢支撑至第三道钢支撑时沉降变化量最大-2.23mm，占累计变化量58%，开挖第三道支撑及以下，沉降趋于稳定。

（5）监测总结

基坑从開挖到结构封顶共计150天，对地表沉降、桩体位移、支撑轴力、周边建筑物等进行了监测，各测项数据均未发生预警，基坑风险可控。

5 结语

本工程成功采用地下桥跨结构，跨越南、北大槽，使施工安全及结构稳定得到了保障，施工过程中各测点变形无异常，地下桥跨结构施工在该工程得到了成功的应用。可以看出对存在塌陷区，稳定性不足的地层，选取地下桥跨结构跨越塌陷区，既降低了施工风险，又对既有的结构及以后列车运营提供了充足了安全保障。但由于地下桥跨结构所需围护桩及承台桩数量多，桩基深度大，底板结构复杂（承台、限位板，结构底板），因此以后在类似工程筹划过程中对于是否采用应科学分析，及早决策。