隧道支護橫撐立柱基礎的布置與應用

王 鑫，孫帥勤，劉 坤，郭雨非，劉立健

（1.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京市100082；2.聯參警衛局，北京市100017）

0 引言

城市中的道路為了實現對軌道交通、城市道路、河道等構筑物的穿越，通常會采用上跨或下穿方案。下穿方案一般采用U 槽和閉合框架結構相結合的隧道形式，由于其對周邊景觀及環境影響較小，常作為首選方案。

在隧道工程建設過程中，基坑開挖是一個很重要的階段。一般來說，基坑開挖時以鋼板樁、護坡樁等支護形式最為常用，其固定形式主要有樁撐和樁錨。當土層性質較差或支護結構與地下構筑物矛盾時，樁錨無法使用，需采用樁撐。而如果基坑較寬，支護橫撐需在中間處設置立柱以提高橫撐剛度。將該立柱基礎作為后期隧道結構的支撐樁或抗拔樁使用，一樁多用，可大大節約工程造價和工程所用時間。在工程中對該方案進行核算，并予以實施，使其成為一種可行的施工方法。

1 工程概況

本項目位于嶺南某城市新區，地貌類型為河流沖積平原區，地勢平坦，植被不發育，現況多為魚塘，分布少量田地及村落。新區內部水域分布極廣，類型包括江河、渠道和魚塘等，總面積占新區面積的40%以上。經勘察揭示，本次勘察區段場地地基由人工填土層、第四系沖積層、洪積層及石炭系石磴子段灰巖等組成。第四系土層由粉質黏土、淤泥、淤泥質土及飽和砂土等組成；基巖按風化程度劃分為中風化巖帶，基巖中存在溶洞。建場區地下水位埋藏較淺，在進行抗浮設計時，考慮場地原始地貌及水文地質條件、氣象因素，抗浮設計水位按道路設計標高考慮。為完善道路交通功能，實現新區道路快速化，在該區域部分主干路建設下穿隧道。

2 發現問題

（1）隧道低于現況地面，實施隧道需下挖基坑。因項目場區內在隧道土層中有比較厚的淤泥及淤泥質土，故采用穩定性較好的鉆孔灌注樁+ 內撐支護結構進行基坑支護。隧道結構較寬，內撐長度達到25 m，需在其中點附近設置一支撐，采用鉆孔灌注樁+鋼格構柱形式。

（2）隧道基礎所在土層為軟弱土層，承載力無法滿足結構需求，經驗算需進行軟基處理。比選后采用PHC 管樁處理方式。而兩側相接隧道的U 槽段經抗浮驗算，需設置抗拔樁，采用鉆孔灌注樁結構。

（3）基于以上兩點，基坑內共有PHC 管樁基礎、抗拔樁基礎、鋼格構柱樁基礎等，基礎種類多，結構形式復雜，施工難度較大。

3 解決思路

結構設計與軟基處理設計、基坑支護設計統籌考慮，合理布置護坡樁橫撐的鋼格構柱基礎位置，將其作為后期結構基礎的鉆孔灌注樁使用，替代PHC 管樁及鉆孔灌注樁的作用，提高結構承載力；同時在結構有抗浮需求的節段，取代抗拔樁使用。利用其承載能力及抗拔能力，減少結構種類，避免重復施工和浪費。對結構基礎調整布置見圖1、圖2。

圖1 隧道結構斷面圖1

圖2 隧道結構斷面圖2

該鉆孔灌注樁占位原樁基礎，并替代原基礎作用。

鋼格構柱作為橫撐的支點，在拆撐后才失去其支點的作用，而通常隧道頂板施工完成，肥槽土回填壓實后方拆除該處橫撐。由此可知，鋼格構柱拆除應在頂板施工之后，此時底板早已完工，而鋼格構柱樁基穿透底板，沿底板頂面將該基礎截斷即可。其余樁基礎均不與結構底板直接發生關系：PHC 管樁上設置鋼筋混凝土整體托板，結構位于托板上，防水層位于結構與托板之間；鉆孔灌注樁或CFG 樁在樁頂設置碎石墊層做緩沖，結構位于墊層之上。這種做法給結構帶來的主要是施工工序的調整和底板防水層處理的問題。

參照地下建筑防水構造圖集（02J301）中樁基深入底板的防水構造，將樁頭包在底板中，底板在樁基礎加厚，外包防水層在相接處加強。做法見圖3。

圖3 樁基與底板相接處防水構造

4 結構分析

對擬建結構進行核算，核算結構各部分受力狀況，以驗證以上工程設想。

4.1 模型及體系

計算軟件采用Midas/Civil 軟件，隧道結構使用板單元模擬，樁基采用梁單元模擬，見圖4。通過該程序得出結構的內力值（見圖5～圖7）和撓度值（撓度計算時程序已按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》考慮了混凝土開裂時剛度的折減）。截面配筋和裂縫計算按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》列表計算。

圖4 閉合框架及樁基段有限元模型

圖5 閉合框架橫向彎矩

圖6 樁基最大彎矩

圖7 樁基最大軸力

4.2 材料

計算所選用的材料為鋼筋混凝土。其中鋼筋采用：HRB400 鋼；混凝土采用C30，其抗壓彈性模量：3.0×104MPa。

4.3 邊界條件

底板地基土體模擬為只受壓的文克勒彈簧。從《地質勘察報告》中得到，基底所屬土層為淤泥，其剛度參照相應基床系數，取值為1000 kN/m3。

樁基側處于淤泥環境，樁底進入巖層。樁基使用m法模擬，樁側為淤泥，m值取3000 kN/m4，樁底模擬為固結。

樁與底板接觸位置使用剛性連接，主從節點間約束6 向自由度。

4.4 荷載及工況

計算荷載考慮結構自重、土壓力荷載、水壓力荷載、鋪裝荷載、活載。

（1）結構自重密度取為26 kN/m3。

（2）鋪裝重度取24 kN/m3。

（3）側向壓力。側向壓為側向土壓力與側向水壓力疊加。水壓力直接根據靜水壓力計算；側向壓力按主動土壓力計算，按地下水位至地表距離0 m計算。

（4）鋪裝上部活載。汽車活載作用，城-A 級，按車輛荷載布載，45℃擴散考慮（《公路橋涵設計通用規范》）（車道荷載校核）。

計算過程分兩種情況：不考慮水浮力作用；考慮水浮力作用。

4.5 使用階段計算分析

根據模型計算結果，核算各工況下結構的受力及樁基受力，以確保結構安全及樁基承載力需求。

（1）根據計算結果，對隧道結構及樁基配置合理的鋼筋。

（2）樁基按摩擦樁考慮，進行相應的結構承載能力計算。

（3）進行抗浮計算，對有抗浮需求的節段，樁基需同時滿足承載力需求和結構抗拔力需求。

5 實施效果

對所構想的方案應用于實際工程中，并根據現場情況相應微調，效果見圖8、圖9。

圖8 鋼格構柱基礎與樁基礎布置（底板墊層施工中）

圖9 鋼格構柱與樁撐細部圖（結構底板施工中）

6 結 語

在隧道工程中，當支護結構采用樁撐結構而斷面較寬時，支護橫撐需在中間處設置立柱以提高橫撐剛度。而如隧道有抗浮或增加地基承載力需求，應設置抗拔樁或抗壓樁。此時結構設計與軟基處理設計、基坑支護設計宜統籌考慮，合理布置護坡樁橫撐的鋼格構柱基礎位置，將其作為后期結構基礎的鉆孔灌注樁使用，替代PHC 管樁及鉆孔灌注樁的作用，提高結構承載力；同時在結構有抗浮需求的位置，取代抗拔樁使用。利用其承載能力及抗拔能力，減少結構種類，避免重復施工和浪費。

該種樁基布置方式經工程實際應用，操作簡單有效，可滿足經濟性及安全性要求。