下沉式隧道基坑支護施工方案及技術要點

1、下沉式隧道基坑支護施工方案及技術要點五公司 趙建國摘要： 復合土釘墻支護技術是近年來發(fā)展起來用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的一種新型擋土結構。該文結合工程實例的地質及周邊復雜的施工條件，對下沉式大跨度汽車隧道基坑工程結構所采用的復合土釘墻支護方案的支護機理進行了分析，對該支護方案的施工技術要點、技術難題處理及施工保通措施進行了闡述。關鍵詞：隧道；基坑支護；土釘墻；下沉式隧道；施工技術某樞紐互通位于國道G107線鄭州段改建工程項目終點，連接機場互通連接線中州第一門、航空港區(qū)主干道新港大道和迎賓大道，現狀為環(huán)形平交，交叉樁號K41+871.432。（見圖1）圖1 迎賓大道互通（一期）地理位置示意圖為保護迎

2、賓大道的形象，不干擾在建的大型雕塑，采用單向雙車道定向式匝道增加通行能力；主線直行方向采用下沉式隧道，減少直行與轉向交通的沖突。地面層進行渠化交通設計，解決其余方向的轉向交通。根據預測的交通量，該互通可分期實施，近期僅實施主線下沉式隧道，地面采用環(huán)島（充分利用現狀環(huán)島、避免大量拆遷)渠化交通。其遠期方案和近期實施工程如圖2所示。 （a）遠期 （b）一期 圖2 迎賓大道互通立交實施方案 1. 下沉式隧道工程地質概況根據程巖土工程勘察報告，所建隧道區(qū)段內的地下水補給來源以降雨和側向徑流為主，屬空隙潛水。穩(wěn)定水位4.4米左右。根據鉆探土的成因、結構及物理力學性質，該隧道所在區(qū)域內的土層可劃分為7個小

3、層，其物理性質如表1所示。表1土層物理性質層號土層土質特點土層厚度/m1粉土黃褐色，松散，局部夾粉砂9.52粉質黏土黃褐色，軟塑塑，含小顆粒鈣質結核3.03粉砂中密密實 ，黃褐色，飽和6.04粉土黃褐色，密實，飽和，含小顆粒鈣質結核，粒徑不等3.05中砂黃褐色，密實，飽和，礦物成分以石英長石為主2.06粉質粘土棕黃色，硬塑，濕，含鐵質斑點及小顆粒鈣質結核等14.07黏土硬塑堅硬，棕紅色，濕，局部夾薄層粉土7.52. 基坑支護方案基坑支護的常用方案有放坡、護坡樁、錨桿和噴錨等，各種方案有其優(yōu)點和局限性。因此，選擇合理的支護方案是保證基坑工程質量和施工安全的關鍵。在掌握和深入研究該隧道所在區(qū)域工程

4、地質、水文地質資料和周邊環(huán)境條件的基礎上，進行多種方案的分析、論證與優(yōu)化，確定采用敞口放坡開挖及微型樁、復合土釘墻相結合的支護方案。2.1 微型樁+預應力復合土釘支護形式微型樁和部分預應力復合土釘支護（見圖3）即聯合應用微型樁與土釘兩種支護形式，并通過對部分土釘施加預應力的措施來控制變形，保證支護結構的安全。圖3 微型樁+復合土釘支護形式2.2 微型樁+預應力復合土釘支護施工工藝基坑開挖前，先在待開挖的坑壁邊緣采用壓力注漿法設置微型樁，微型樁強度滿足后，對土體進行分段開挖，設置土釘。對需施加預應力的土釘，注漿時其前端預留24米作為自由段，并在端部設置腰梁，以便在面層砼達到強度后施加預應力（見圖

5、4）。腰梁內土釘鋼筋加塑料套管，防止砼與鋼筋粘結。圖4 預應力土釘與面層的連接2.3 微型樁+預應力復合土釘支護機理2.3.1復合土釘受力機理復合土釘受力過程分為三階段（見圖5）：1）土釘安設的初期，注漿體與土層的粘結尚未形成，土釘基本不受力 ；2） 注漿體將土釘粘結于地層中，隨著開挖深度的增加，土釘逐漸產生拉力，并將拉力集中在與面層粘結的部位，這時內力類似于無自由變形段的土層錨桿(靠近面層處拉力最大，往后逐漸縮小)； 3） 開挖足夠深度，土釘的大部分處于滑裂范圍之內，這時土釘內力表現為中間部位(近滑裂面)最大、兩端最小，類似于土筋。 (a) 土釘內力為零 (b) 土釘內力類似于錨桿 (3)

6、土釘內力類似于土筋圖5 復合土釘的受力過程2.3.2 微型樁受力作用機理微型樁受力主要來自土壓力，在不同情況，可能受彎、受壓、受剪、受扭及各種作用的組合，目前其主要起超前支護作用，體現在：(1) 提高了微型樁周圍一定范圍內土體的強度和面層強度.(2) 改善了開挖后土體的受力和變形.(3) 調動并協調土釘的支護作用，保證基坑周圍環(huán)境的安全.2.4 基坑計算荷載(1) 土壓力及水壓力，水壓力取離地面4.4m為地下水位線。(2) 地面堆積荷載及大型車輛的動、靜荷載。(3) 周邊建筑物的作用荷載：為20kPa。(4) 施工荷載，為20kPa。2.5 支護結構形式該項目采用明挖施工，支護結構根據基坑開挖

7、深度按表2選取。表2 明挖基坑與放坡級別關系表基坑深度H/m放坡級別土釘長度/ m及型號入射角/()橫豎間距/ m0H21：1放坡開挖2H5一級4：110 、2820115mH10兩級4：115 、282011H10三級4：120 、282011注：當基坑深度大于5 m，放坡的平臺為2 m，且每個平臺采用一排微型樁加固，其直徑15cm，樁長7.5m，縱向樁間距1.2m?；娱_挖坡面均噴射C20砼，厚度為8cm，內含10mm100100mm鋼筋網。該隧道基坑支護斷面如圖6所示。 （a）開口段支護橫斷面（b）閉口段支護橫斷面圖6 下沉式隧道基坑支護斷面（單位：cm）3. 基坑支護施工及施工難題處理

8、方案3.1 基坑支護施工方案3.1.1基坑開挖方案土方開挖中充分考慮時空效應，合理確定土方分層開挖層數、每層分段數量，分段開挖的時間限制等，且與設計工況保持一致，并遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則。具體如下：(1)各斷面的開挖分層次數與該斷面內支撐道數大致相同；一般土層分層開挖深度為12m，該項目分層開挖深度為1.5m；開挖寬度滿足支護作業(yè)和邊坡臨時穩(wěn)定性要求。(2)基坑開挖自上而下進行，嚴禁超挖和“大鍋底”開挖，開挖后及時支護。(3)基坑采用機械開挖，基坑底及坑壁留200mm厚土層，由人工挖掘修整。開挖層設集水坑，及時用泵排除坑底積水。(4)開挖到底后，及時清底驗槽，減少

9、暴露時間，防止地基土原狀結構受到破壞。支護前，清除松動土層。3.1.2放坡段施工方案(1)開挖工作面，修整邊坡，埋設噴射砼厚度控制標志。(2)噴射第一層砼。(3)綁扎、固定鋼筋網，噴射第二層砼。(4)坡頂、坡面和坡腳的排水處理。3.1.3噴射砼施工方案(1)噴射砼分段依次進行，同一分段內噴射自下而上分兩次進行。(2)噴射時，噴頭盡量與噴射面保持垂直，距離為60cm120cm。(3)噴射時控制好水灰比，保證砼表面平整、濕潤光澤、無干斑及滑移流淌現象。(4)上一級噴射砼面層達到設計強度的70%后，開挖下一級放坡施工。(5)鋼筋網與固定鋼筋連接牢固，噴射砼時鋼筋網不晃動。(6)鋼筋網的搭接長度不小于

10、300mm。3.1.4復合土釘施工方案土釘支護設計見圖7。施工方案如下：（a）正立面圖 (b) A A斷面圖圖7 土釘支護設計（單位：cm）(1) 按設計縱向、橫向尺寸及與水平面夾角進行鉆孔施工，采用洛陽鏟成孔。(2) 鋼筋平直、除銹、除油。(3) 注漿材料用水泥砂漿，其配合比為1：11：2，水灰比為0.40.45。(4) 注漿管插到距成孔底部250500mm，保證注漿飽滿，在孔口設止?jié){塞。(5) 安裝土釘時設置定位器，以保證鋼筋的保護層厚度。3.1.5微型樁施工方案(1)用全站儀測量放線，確定樁位坐標。(2)調整鉆機位置，慢速鉆孔。(3)開動水泵注入清水，待深為1m左右時加快鉆孔速度，確保成

11、孔的位置和垂直度。(4)成孔至設計深度后，往復提、降鉆桿，并不停抽入泥漿，盡量將孔內土屑排出。(5)排出泥漿中無大顆粒狀土屑時，停止抽入泥漿，并將鉆桿頭部卸掉，接上注漿管準備注漿。鋼筋籠主筋保護厚度取25mm。鋼筋籠一般在成孔前完成，步驟為加勁箍制作主筋配料主筋定位箍筋設置對中支架安裝。3.1.6基坑降水及排水方案土釘墻施工中應采取有效的地表排水、內部排水、基坑地下水位降低及排水等措施。該項目主要采用降水井、集水明排的方法。(1)基坑周圍地表排水。為防止地表水向地下滲透，使涇流遠離邊坡，在距離坡頂邊線2m左右設置截水溝，在低處設置集水井，以防雨水大面積匯入基坑。(2)基坑內部排水。在基坑開挖施

12、工階段，每開挖一層土方，沿坑底設置臨時排水縱溝及集水井，避免坑底積水浸泡邊坡土體；基坑開挖到底后，設置截水溝，在基坑四角和周邊每隔3040m設一個集水井，同時設置泵站排水。排水溝底面比挖土面低0.30.4，集水井底面比溝底面低0.5。(3)基坑地下水位降低及排水。當基坑側壁出現分層滲水，按不同高程設置導水管、導水溝等構成明排系統(tǒng)。3.2 施工中遇到的問題及處理方案3.2.1 施工中遇到的問題（1）K41775951長140m隧道閉口段采用單箱雙室閉口框架結構，斷面全寬30.0m，左、右室凈寬為13.5m；K41635775和K41915K42205段共計260m，開口段采用U形框架結構，凈寬2

13、7.0m。這兩個區(qū)段均為大跨度隧道基坑，地質條件復雜，基坑支護難度大。（2）2條大型高壓供電電纜位于隧道開挖段，管線保護要求較高。（3）基坑開挖深度和長度較大，對周邊建筑物及其他構筑物的影響較大，對安全施工的要求較高；同時施工期間需保證周圍道路的通行，施工場地狹小，施工條件惡劣。（4）隨著開挖深度的不斷增加，技術難度、施工難度也相應增大，施工單位承擔的風險越來越大。(5)建設單位不僅要求確保工程質量，對加快施工進度、降低工程投資、保證施工安全也提出較高的要求，相應地增加了施工難度。3.2.2 處理方案（1）根據該下沉式隧道施工技術難度大、施工工期緊及質量標準要求高的特點，從多個項目中抽調具備類

14、似工程經驗的技術人員，根據設計文件及現行規(guī)范的要求，選擇技術可行、造價合理、安全可靠的施工技術方案。（2）施工保通方案分三步進行：1）通過區(qū)域路網，對交通流實行分流；施工完畢兩側設臨時輔道，完成地面環(huán)島平交改造；利用兩側輔道及原有道路進行局部交通疏導，同時設置合理的交通標志和標線，保證交通暢通。2）對主線進行局部封閉，安裝彩色鋼板圍欄，開挖施工下沉式隧道閉口段；采用土釘墻支護施工，盡量少占用地面臨時輔道空間。3）施工閉口式隧道頂平交路面，采用平交渠化引導地面交通；封閉隧道開口段主線，施工下沉式隧道開口段；隧道開口段施工完畢，拆除彩色鋼板圍欄，恢復交通（見圖8）。 圖3-2保通方案設計圖3.3

15、基坑開挖施工應急措施為預防在基坑開挖過程中出現意外，預先準備足夠的鋼支撐、土方及砂袋；成立搶險領導小組和搶險救災隊伍；與當地氣象部門密切聯系，做好預防工作；工地自備發(fā)電機組和抽水設備。 施工期間采取降水措施，嚴格控制地下水位，側墻施工到一定高度時及時回填；暴雨時準備足夠的砂袋，均勻地堆放在隧道結構底板上抗浮。 4. 基坑支護監(jiān)控深基坑支護工程是一項高風險、高難度的系統(tǒng)工程，在市區(qū)高樓林立、交通繁忙的情況下，安全要求更高。因此，施工動態(tài)管理和信息化管理非常重要。該工程施工期間對基坑支護進行了的嚴密監(jiān)控量測（測布置點、監(jiān)測項目及頻率等如表3所示），確保施工期間基坑本身及周邊環(huán)境的安全。表3 下沉式

16、隧道基坑支護監(jiān)控量測表監(jiān)測項目監(jiān)測對象儀器監(jiān)測精度量測頻率測點布置地下水位基坑周圍1mm圍護結構施工及基坑開挖期間1次/(2d)，主體結構施工期間2次/周沿隧道縱向1525m布置1個測點地面沉降圍護結構周圍土體1/100(Fs)圍護結構施工及基坑開挖期間1次/(2d)，主體結構施工期間2次/周1520m布置1個測點孔隙水壓力圍護結構周圍土體1/100(Fs)圍護結構施工及基坑開挖期間1次/(2d)，主體結構施工期間2次/周沿隧道縱向每側布置4個測點，同一孔豎向23m布置1個測點圍護結構邊管線沿管線軸向1mm1次/(2d)，直至管線恢復為止根據管線部門的要求設置注：Fs為滿量程該項目監(jiān)測結果表明

17、地面沉降最大位移為22mm，無局部塌陷發(fā)生。證明微型樁與土釘墻相結合的復合土釘墻支護能有效控制圍護結構周圍地面土體的變形。5.結束語對大跨度深基坑支護，目前采用較多的鋼板樁、地下連續(xù)墻等圍護支撐結構，其造價太高。而復合式土釘墻在傳統(tǒng)土釘墻的基礎上，配合采用微型樁等技術措施，具有較強的技術優(yōu)勢和經濟優(yōu)勢，可降低造價10%40%。該項目大跨度下沉式隧道基坑支護工程的安全順利施工表明復合式土釘墻在深基坑支護中應用效果顯著，不僅突破了以往土釘墻支護僅適用于地下水位以上或經降水后的粘性土或密實性較好的砂土地層的界限，而且在放坡平臺上設置微型樁可提高土釘墻的整體穩(wěn)定性。土釘墻支護結構的應用范圍可進一步擴大。參考文獻1 JGJ120 99， 建筑基坑支護技術規(guī)程S.2劉建航，侯學淵；基坑工程手冊M：中國建筑工業(yè)出版社，1997.3楊志銀，張俊，王凱旭復合土釘墻技術的研究及應用J巖土工程學報，2005，27(2).4張欽喜，朱緒平，潘旭亮，等. 復合土釘支護的設計和應用實例 J .土木工程學報， 2004