石家莊六線隧道深基坑圍護(hù)體系設(shè)計(jì)探討

萬(wàn) 清

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概況

石家莊六線隧道位于石家莊市區(qū)，自北向南縱穿石家莊市，是一個(gè)六線并行(局部七線)、普速與高速混行的龐大地下隧道工程，隧道包含京石客專、改建京廣、石青客專和石太聯(lián)絡(luò)線，隧道主體全長(zhǎng)4 980 m，隧道布局及外部控制情況見(jiàn)圖1。

圖1 石家莊六線隧道總平面示意

隧道標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)斷面寬度約40 m，結(jié)構(gòu)高度約13 m(圖2)。此類穿城入地的大型隧道工程，其規(guī)模和性質(zhì)在國(guó)內(nèi)尚屬首例。

圖2 石家莊六線隧道三跨標(biāo)準(zhǔn)斷面示意(單位:cm)

隧道大部分段落采用明挖法施工，明挖基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬約40 m，深約20 m，為長(zhǎng)大深基坑工程。

隧道穿越城市中心地帶，周邊建筑物稠密、城市道路眾多、各種地下地上管線密布，在隧道施工期間，西側(cè)既有線需繼續(xù)運(yùn)營(yíng)，隧道最西側(cè)線路中線距離最近既有線中線最小距離約為16.6 m，同時(shí)，隧道所處地層地質(zhì)條件較差，為松散的砂土地層，全部為Ⅵ級(jí)圍巖，因此隧道周邊環(huán)境極其復(fù)雜。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

(1)地形地貌

隧道地處山前沖洪積平原區(qū)內(nèi)，沿線地形平坦，地面高程70.81 ～74.53 m。

(2)地層巖性

隧道場(chǎng)區(qū)勘探深度內(nèi)巖性主要為新黃土、黏性土、粉土、砂類土及碎石土。隧道穿過(guò)地層大部分為砂類土和粉質(zhì)黏土，為松散堆積層，其圍巖分級(jí)為Ⅵ級(jí)。

(3)場(chǎng)地類別為Ⅲ類，場(chǎng)地土類型為中軟～中硬場(chǎng)地土。

(4)地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，對(duì)應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)深度0.6 m。

2.2 水文地質(zhì)特征

地下水為第四系孔隙潛水，含水層為砂、卵石層，主要由大氣降水補(bǔ)給，近5年的地下水水位埋深45～50 m，在基坑開(kāi)挖深度以下。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比選

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型不僅與地質(zhì)條件和環(huán)境條件有關(guān)，還取決于工期要求、工程造價(jià)和施工企業(yè)的工程經(jīng)驗(yàn)以及擁有的設(shè)備條件等。設(shè)計(jì)前，針對(duì)石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)境及工程特點(diǎn)，選擇了明挖基坑常用的鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁、SMW工法勁性水泥土攪拌樁以及復(fù)合土釘墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了深入的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和比較。

3.1 各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較(表1)

表1 各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)比較

3.2 經(jīng)濟(jì)比較

幾種強(qiáng)度和剛度均能滿足基坑支護(hù)要求的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟(jì)造價(jià)對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)比較

4 支撐體系比選

支撐體系的選擇不僅與圍護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)，還取決于基坑周邊環(huán)境條件等，設(shè)計(jì)前，針對(duì)石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)境及工程特點(diǎn)，選擇了明挖基坑常用的鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐和錨索進(jìn)行了深入的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和比較。

4.1 各種支撐體系的優(yōu)缺點(diǎn)分析(表3)

4.2 造價(jià)比較

幾種適用的支撐體系經(jīng)濟(jì)造價(jià)對(duì)比分析結(jié)果見(jiàn)表4。

5 圍護(hù)體系比選結(jié)論

5.1 基坑安全等級(jí)劃分

石家莊六線隧道屬于國(guó)鐵城市隧道，位于城市中心區(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜，特別是旁側(cè)有運(yùn)營(yíng)的既有鐵路線，針對(duì)石家莊六線隧道的地質(zhì)、環(huán)境及工程特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)慎重考慮，同時(shí)比照國(guó)內(nèi)地鐵明挖基坑的變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，最后確定隧道明挖長(zhǎng)大深基坑工程按段落分別按一級(jí)、二級(jí)基坑變形控制保護(hù)等級(jí)來(lái)控制，并制定保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5。

表3 各種支撐體系優(yōu)缺點(diǎn)比較

表4 各種支撐體系經(jīng)濟(jì)比較

表5 基坑變形控制保護(hù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

5.2 圍護(hù)體系的選擇

通過(guò)對(duì)明挖基坑常用的各種圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系的比選分析，結(jié)合石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)境及工程特點(diǎn)，確定隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，一級(jí)基坑段落支撐體系采用1道或2道鋼筋混凝土支撐+下部幾道錨索，二級(jí)基坑段落采用基坑上部土釘墻放坡+下部幾道錨索，理由如下:

(1)石家莊六線隧道明挖基坑處于黏土及砂土地層，且地下水位較深，沒(méi)有必要選擇造價(jià)較高的具有隔水效果的地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式;

(2)鉆孔灌注樁具有剛度大、整體性好、位移變形小等優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)相對(duì)較低;

(3)鉆孔灌注樁可使用數(shù)臺(tái)機(jī)械同時(shí)施工技術(shù)成熟，專業(yè)性一般，有利于保證施工進(jìn)度，確保工期目標(biāo);

(4)錨索支撐體系可為施工提供更加寬闊的場(chǎng)地，方便使用大型機(jī)械進(jìn)行土方開(kāi)挖，且不妨礙后期主體結(jié)構(gòu)的施工，有利于快速施工。同時(shí)，在此類寬大深基坑工程中，錨索支撐體系造價(jià)相對(duì)較低;

(5)一級(jí)基坑段落頂部采用1道或2道鋼筋混凝土撐有利于控制基坑變形，確保周邊環(huán)境安全，特別是既有線的運(yùn)營(yíng)安全;

(6)二級(jí)基坑段落周邊環(huán)境相對(duì)開(kāi)闊，基坑上部適當(dāng)采用土釘墻放坡形式可減短圍護(hù)樁長(zhǎng)度，節(jié)省投資。

5.3 圍護(hù)體系設(shè)計(jì)參數(shù)

確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系形式后，經(jīng)理論計(jì)算，石家莊六線隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

(1)一級(jí)基坑段落采用φ1 200 mm@1 800 mm鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護(hù)形式。在避開(kāi)主體結(jié)構(gòu)高度的前提下，基坑較深的段落采用兩道混凝土撐，基坑較淺段落采用一道混凝土撐，混凝土撐截面800 mm×900 mm，支撐間距6 m，基坑中部設(shè)格構(gòu)柱，錨索采用4束 φ15.2 mm的鋼絞線，錨索間距1.8 m(一樁一錨)。如圖3所示。

圖3 鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護(hù)體系示意(單位:mm)

(2)二級(jí)基坑段落采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨索(基坑上部約3 m土釘墻放坡)的圍護(hù)形式。第一道錨索采用3束φ15.2 mm的鋼絞線，錨索間距3 m(隔樁一錨)，下面幾道錨索采用4束 φ15.2 mm 的鋼絞線，錨索間距 1.5 m(一樁一錨)，土釘墻采用φ22 mm鋼筋。如圖4所示。

6 明挖基坑施工情況綜述

6.1 基坑施工過(guò)程中遇到的問(wèn)題和解決方案

(1)砂層錨索注漿量增加的問(wèn)題

問(wèn)題描述:基坑錨索穿越的地層從上至下依次如下所述，雜填土、新黃土、中粗砂、粉質(zhì)黏土、粉砂和中粗砂。大部分錨索錨固段位于干燥砂層，原設(shè)計(jì)按照規(guī)范考慮注漿只是把鉆孔填滿，未考慮擴(kuò)散，實(shí)際施工過(guò)程中，結(jié)合鐵道部課題研究(《城市鐵路大跨地下工程施工安全技術(shù)研究》(2009G006-B))，錨索二次注漿壓力增大，砂層內(nèi)錨索注漿漿液擴(kuò)散較為嚴(yán)重。

解決方案:為了確保預(yù)應(yīng)力錨索錨固力達(dá)到設(shè)計(jì)值，保證基坑安全，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)應(yīng)力錨索以二次注漿壓力指標(biāo)按5 MPa來(lái)控制，注漿量按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際注漿量進(jìn)行調(diào)整。

圖4 鉆孔灌注樁+土釘墻+錨索圍護(hù)體系示意(單位:mm)

(2)鉆孔灌注樁樁間土垮塌的問(wèn)題

問(wèn)題描述:隧道明挖基坑采用了 φ1 000 mm@1 500 mm和φ1 200 mm@1 800 mm鉆孔灌注樁2種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，圍護(hù)樁凈距分別為50 cm和60 cm，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于單次開(kāi)挖高度過(guò)高，造成樁間干燥的砂土垮塌嚴(yán)重。

解決方案:嚴(yán)格控制單次開(kāi)挖高度，隨挖隨噴，防止樁間土垮塌。

6.2 基坑監(jiān)控量測(cè)情況

石家莊六線隧道明挖長(zhǎng)大深基坑施工過(guò)程中，施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，從施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，基坑周邊環(huán)境及基坑本體各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的沉降、變形均在可控范圍之內(nèi)。

7 對(duì)石家莊地區(qū)深基坑工程圍護(hù)體系設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足基坑穩(wěn)定性要求，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)，基坑底部不產(chǎn)生管涌、隆起，支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生強(qiáng)度破壞，施工時(shí)地表沉降量須控制在環(huán)境許可的范圍內(nèi)，以確保鄰近建筑物和重要管線的正常使用。

(2)石家莊地區(qū)土層直立性較好，地下水位較低，一般明挖基坑開(kāi)挖范圍均在地下水位以上，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦選擇剛度較大，施工簡(jiǎn)便的鉆孔灌注樁，既能起到擋土護(hù)壁作用，投資也相對(duì)較小。

(3)圍護(hù)樁嵌入深度取35%左右較為合適。

(4)如果基坑周邊較為開(kāi)闊宜優(yōu)先選用施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、投資較小的土釘墻。

(5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、理論計(jì)算結(jié)果并結(jié)合周邊環(huán)境來(lái)選擇。在基坑周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下，第一道支撐建議采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐;在基坑周邊環(huán)境較為開(kāi)闊且距基坑較近范圍內(nèi)沒(méi)有地下建(構(gòu))筑物的情況下，建議采用錨索體系，便于快速施工。

8 結(jié)語(yǔ)

目前石家莊六線隧道主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部施工完成，在確保周邊環(huán)境特別是運(yùn)營(yíng)既有線安全的前提下，保證了鐵道部的既定目標(biāo)工期。

實(shí)踐證明，石家莊六線隧道明挖長(zhǎng)大深基坑圍護(hù)體系的選擇是安全、合理的。對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系的比選分析、基坑變形控制保護(hù)等級(jí)的確定、圍護(hù)體系確定的推薦理由以及對(duì)石家莊地區(qū)深基坑工程圍護(hù)體系設(shè)計(jì)的建議等，在以后類似的城市隧道長(zhǎng)大深基坑工程設(shè)計(jì)中可供參考。

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