石家莊六線隧道基坑圍護結構形式的比較

劉 毅 楊毅秋

1 工程概況

石家莊六線隧道為六線(局部七線)并行,為國內第一條六線并行隧道。隧道工程長4.98 km,除下穿石德線42 m暗挖外,其余均采用明挖法施工。基坑規模大,開挖跨度局部達42 m,開挖深度達27 m。基坑距離既有京廣線最近處為 5 m,最遠處約20 m,圍護結構工序復雜、基坑安全等級高。采用鉆孔灌注樁+鋼支撐(預應力錨索)作為圍護結構,在圍護結構的保護下進行開挖和主體結構的施工,基坑圍護結構安全等級為一級。

本文針對石家莊隧道工程深大基坑圍護結構方案比較進行論述,通過結構計算、數值模擬驗證所采用的鉆孔灌注樁+鋼支撐(預應力錨索)圍護結構形式是經濟、有效的。

2 基坑的控制標準

基坑側壁安全等級為一級,重要性系數為1.1,圍護結構最大水平位移不大于20 mm;計算地面最大沉降量不超過22 mm。整體穩定性安全系數：1.30。帶支撐抗傾覆安全系數：1.30。墻(樁)底、坑底抗隆起安全系數：1.60。

3 主要比較方案

3.1 基坑設計的基本參數

基坑斷面計算寬度41.2 m,深度22 m,圍護結構計算采用“同濟啟明星深基坑支擋結構設計分析計算軟件”。經過對基坑整體穩定性和帶支撐的抗傾覆檢算,圍護結構的嵌固深度為8 m,入土比約0.35。

3.2 方案比較

3.2.1 方案一：三道錨索+兩道鋼支撐放坡方案

1)圍護及內支撐的布置情況。圍護樁采用φ 1 200@1 500鉆孔灌注樁。基坑上部4 m～5 m范圍采用1∶1放坡開挖,坡面網噴混凝土+土釘保護(土釘間距2.5 m,梅花形布置,長度為3 m),并設置2 m寬平臺。基坑深度5 m～10 m范圍,豎向間距3.5 m,縱向間距1.5 m設置三排φ 150 mm預應力錨索,錨索長度分別為25.5 m,22.5 m,19.5 m,均采用3束φ 15.2鋼絞線錨固。基坑最下部7 m～10 m范圍設置兩道鋼管支撐,第一道鋼管支撐采用兩根φ 609,t=12 mm軋制鋼管,第二道采用φ 609,t=16 mm軋制鋼管,鋼管縱向間距3 m。因基坑較寬需設置兩排格構柱,格構柱間距6 m,基礎采用φ 1 000鉆孔灌注樁。錨索錨固體第一次灌漿用灰砂比1∶1,水灰比0.38～0.45的水泥砂漿,二次高壓注漿使用水灰比為0.45～0.50的水泥凈漿,漿體抗壓強度不小于25 MPa。

2)計算結果。基坑最大水平位移為9.4 mm,最大沉降量為20 mm,滿足一級基坑要求。

3)有限元計算結果[1](見圖1,圖2)。模型最大水平位移22.75 mm,圍護結構最大水平位移15.92 mm,基坑最大豎向位移為35.56 mm,沉降量為10.72 mm。

4)方案的主要優缺點。優點：根據基坑受力特點,結合發揮錨索及鋼管支撐的優點,可大量減少鋼管的使用量;采用鉆孔灌注樁施工方便、經濟;基坑上部土方施工方便;錨索設置在結構頂板上方,腰梁與結構不相互干擾,基坑不需要加寬;基坑受力比較合理,下部土層應力較大段采用剛度較大鋼支撐支護,上部應力較小處采用剛度較小的錨索支護。缺點：錨索及鋼支撐均需使用,需要的設備比較多,施工組織相對難度大;錨索長度比較長,并且主要依靠預加應力控制變形,對施工技術、施工精度、預加應力的準確、錨固體的施工質量等要求很高,基坑的安全儲備比較低,并且內支撐的變形不直觀;需設置格構柱及基礎,頂底板主體結構施工比較困難,結構受力不好;基坑頂部放坡,相對的施工場地比較窄。

3.2.2 方案二：兩道錨索+兩道鋼支撐放坡方案

1)圍護及內支撐的布置情況。圍護樁采用φ 1 200@1 500鉆孔灌注樁。基本與方案一相同,不同在于基坑深度5 m～10 m范圍,豎向間距4.5 m,縱向間距1.5 m設置兩排φ 150 mm預應力錨索,錨索長度分別為26.5 m,23.5 m,均采用4束φ 15.2鋼絞線錨固。2)計算結果。基坑最大水平位移為10 mm,最大沉降量為21 mm,滿足一級基坑要求。3)方案的主要優缺點。優點：可少布置一排錨索,開挖進度相對較快。缺點：相對于方案一基坑錨索間、錨索與鋼支撐豎向間距較大,基坑的安全性稍低;需要的預加應力、錨索設計應力相對較大,安全儲備相對較低。

3.2.3 方案三：鋼支撐放坡方案

1)圍護及內支撐的布置情況。圍護樁采用φ 1 200@1 600鉆孔灌注樁。基坑上部4 m～5 m范圍采用1∶1放坡開挖,坡面網噴混凝土+土釘保護(土釘間距2.5 m,梅花形布置,長度為3 m),并設置2 m寬平臺。基坑需設置四道鋼支撐,其中第三道為雙撐。第一道采用φ 609,t=16 mm焊接鋼管,第二、四道采用φ 609,t= 16 mm軋制鋼管,第三道采用兩道φ 609,t=12 mm軋制鋼管。因基坑較寬需設置兩排格構柱,格構柱間距6 m,基礎采用φ 1 000鉆孔灌注樁。2)基坑最大水平位移及最大沉降量。基坑最大水平位移為8.8 mm,最大沉降量為11.9 mm,滿足一級基坑要求;鉆孔樁配筋為26φ 25,配筋率為1.1%。3)方案的主要優缺點。優點：基坑的變形以及沉降量在各方案中最小,如基坑變形異常或不穩定時便于發現并及時采取措施;支撐剛度比較大,滿足一級基坑標準;鋼管支撐可回收重復使用;基坑不需要加寬。缺點：鋼材用量巨大,因工程圬工量非常大且工期緊張,隧道必須分成200 m～300 m一個單元段落同時施工,鋼管撐無法倒用;基坑寬度大,需設置格構柱及基礎,受鋼管撐及格構柱布置影響,頂底板主體結構施工比較困難;鋼管支撐的布置與基坑開挖、土方外運有一定干擾,對施工影響較大。

4 各方案的經濟比較

各方案經濟比較見表1。

表1 經濟比較表

通過技術及經濟比較,綜合考慮石家莊地層條件和基坑的安全性,推薦采用方案一：三道錨索+兩道鋼支撐放坡方案。

5 幾種圍護結構優劣比較

1)工期比較。鋼支撐為規格成品現場連接,配合基坑挖土,每天可安裝3道～4道鋼支撐,錨索為現場鉆孔、安裝、注漿,然后等7 d以后張拉才能起到支護作用,采取錨索支護施工對先期開挖工期有一定影響的隧道混凝土結構開始預計晚一個月左右,但鋼支撐的用量龐大且無法倒用,鋼材用量龐大。

2)開挖比較。錨索對于基坑采用機械開挖、裝載汽車的垂直運輸基本沒有影響;鋼支撐支護對于挖土機械旋轉,特別是裝載汽車的垂直運輸有很大影響,必須結合基坑水平位移、地面沉降等監測結果,以及距離既有線的距離和地下管線的重要性及時調整開挖方法或采取必要措施,相對的降低了基坑的安全。

3)安全比較。由于基坑較深,在基坑底層利用錨索基坑變形及沉降較大,基坑下部采用鋼支撐支護可靠性更高。

6 結語

本文通過理論公式計算(同濟啟明星軟件)輔助有限元計算設計圍護結構形式、錨索長度和布置方案等,通過比較確定預應力錨索配合鋼支撐的圍護結構方案。該方案滿足相關規范要求,結構安全、經濟、合理。相對其他方案,對六線隧道的施工更為適用,其結果對工程實踐有一定參考價值。

[1] 宋二祥,邱 月.基坑復合土釘支護的有限元分析[J].巖土力學,2001,22(3)：241-244.

[2] 何滿潮,景海河,孫曉明.軟巖工程力學[M].北京：科學出版社,2002.

[3] 程良奎.巖土錨固的現狀與發展[J].土木工程學報,2001, 34(3)：7.

[4] 張晗旭.關于預應力錨索加固效應研究的幾點看法[J].河海大學學報,1999,27(4)：93.