敏感環(huán)境下明挖隧道設(shè)計方案研究

陳廣深

摘要：穿越城市等敏感環(huán)境的明挖隧道是一項風(fēng)險高、難度大的系統(tǒng)工程，需要在充分掌握地質(zhì)資料、全面分析對周邊建（構(gòu)）筑物影響的基礎(chǔ)上，制定出合理的圍護結(jié)構(gòu)支護體系和加固工程措施。文章以南寧-崇左城際鐵路項目留村工程明挖段為例，通過分析研究地質(zhì)資料和周邊建（構(gòu)）筑物關(guān)系，系統(tǒng)性地介紹了敏感環(huán)境下選用圍護結(jié)構(gòu)支護體系和加固工程措施的方法和過程，為類似工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：明挖隧道;城市隧道;深基坑;圍護結(jié)構(gòu);建（構(gòu)）筑物保護

中國分類號：U452.2文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，公路、鐵路、市政等線性工程面臨穿越密集建筑、管線、橋梁、地鐵等敏感環(huán)境的工況日益增多，而隧道方案作為地下工程，具有對環(huán)境影響小、占地少、穿越性強的特點，因此常在穿越敏感環(huán)境的工況下被選用。本文以在建南寧-崇左城際鐵路（速度目標(biāo)值為250 km/h）項目的控制性工程——留村隧道為例，對敏感環(huán)境下明挖隧道的設(shè)計方案開展研究，拋磚引玉，以便后續(xù)同類型隧道項目參考。

1 隧道概況

留村隧道位于南寧市區(qū)，隧道起始于鐵路樞紐南化站北側(cè)，依次下穿[XC湴.TIF，JZ]綠村（城中村）、在建亭洪路延長線、壯錦大道、南站大道，沿留村路下方自北向南前行，在留村路與那洪大道路口上跨在建地鐵4號線區(qū)間隧道，終止于留村路南端盡頭西側(cè)。全隧道穿越多處鐵路、地鐵、在建道路、密集建筑物等重大環(huán)境敏感點，是本工程實施的重點與難點。

由于平面條件控制，全隧限速100～160 km/h，隧道按160 km/h設(shè)計。隧道進口樁號為DK4+120，出口樁號為DK9+845，全長5 725 m，屬于鐵路長隧道，采用明挖法+盾構(gòu)法開挖，其中明挖段長1 805 m，盾構(gòu)段長3 920 m。隧道采用單洞雙線結(jié)構(gòu)形式，線間距為4.2～4.324 m。

隧道縱斷面為V型坡，最大線路縱坡為24.7‰，最小縱坡為2.3‰，豎曲線最小半徑為10 000 m，最大半徑為15 000 m。隧道覆土2～48 m。

2 工程地質(zhì)

隧址上覆主要為第四系全新統(tǒng)（Q4ml）人工填筑土，第四系更新統(tǒng)（Qp）粉質(zhì)黏土及圓礫土;下伏基巖為上第三系中更新統(tǒng)中段（N12）砂質(zhì)泥巖夾含礫砂巖、粉砂，下段（N11）砂質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖。隧區(qū)附近地表水主要為邕江水，為常年流水，水量大。隧區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水及碎屑巖類孔隙裂隙水。

3 明挖段圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 圍護結(jié)構(gòu)的選型

圍護結(jié)構(gòu)類型選擇需依據(jù)場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、環(huán)境情況、開挖深度、施工方法、工期、工程造價、地區(qū)常用的圍護結(jié)構(gòu)型式等邊界條件，經(jīng)綜合的技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。一般情況下的基坑支護結(jié)構(gòu)如表1所示。

土釘墻支護具有施工速度快、用料省、造價低的優(yōu)點，需要放坡，占用的施工場地較排樁大，而且基坑變形一般大，因此多用于周邊沒有建（構(gòu)）筑物、管線保護要求的較淺基坑。

排樁可采用鉆孔灌注樁、旋挖樁或人工挖孔樁，與內(nèi)支撐、錨索等體系配合使用，并結(jié)合坑外降水，可有效控制基坑變形，可用于周邊建（構(gòu)）筑物及管線較多、深度較深的基坑。

地下連續(xù)墻支護特點在于自身可形成止水帷幕，搭配坑內(nèi)降水，可有效控制基坑變形。地下連續(xù)墻支護可用于周邊建（構(gòu)）筑物及管線較多、深度較深的基坑，但連續(xù)墻工程費用高于排樁支護，且存在施工占地大，管理不善易造成現(xiàn)場污染的缺點。

隧道明挖段主要位于南寧市區(qū)，周邊建構(gòu)筑物密集、地下管線復(fù)雜，為盡量減小對周邊環(huán)境的影響，綜合比選后，采用排樁+內(nèi)支撐支護作為圍護結(jié)構(gòu)。

3.2 圍護結(jié)構(gòu)支護參數(shù)的選用及驗算

3.2.1 支護參數(shù)的選用

圍護樁采用鉆孔灌注樁，樁直徑為1 m，間距為1.4 m，圍護樁的嵌入深度為5 m。豎向采用3道支撐+1道倒撐，均為鋼管支撐，水平間距為3 m，基坑安全等級為一級。

3.2.2 計算圖示與荷載

圍護結(jié)構(gòu)受力計算模擬施工全過程，按荷載“增量法”原理進行?；油鈧?cè)土壓力按朗肯主動土壓力計算，開挖面以下用一組彈簧模擬地層水平抗力。

圍護結(jié)構(gòu)計算時，其荷載主要有：

（1）結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土自重按25 kN/m3計算;

（2）水土側(cè)壓力：施工階段按朗肯主動土壓力進行計算，黏性土采用水土合算，其余采用水土分算。

（3）地面超載：按20 kN/m2考慮。

由于明挖段地面存在一定起伏，基坑深度在一定范圍內(nèi)變化，本文以具有代表性的開挖深度為22.5 m的明挖段基坑為例展開分析，其斷面圍護結(jié)構(gòu)計算如圖1所示。

3.2.3 計算結(jié)果及分析

基坑圍護結(jié)構(gòu)控制內(nèi)力、變形包絡(luò)如圖2所示。表2為圍護樁單樁最大內(nèi)力設(shè)計值。

經(jīng)計算分析，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移值均<0.1%H（H為基坑深度），滿足《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》的要求。

4 隧道明挖段穿越敏感環(huán)境加固措施

經(jīng)調(diào)查，明挖隧道范圍周邊存在大量建（構(gòu)）筑物等敏感環(huán)境，主要如下：

（1）房屋：主要是沿著路側(cè)的建筑，包括：進口段[HTXH1]湴綠村民房、富源小區(qū)、華聯(lián)超市、南寧奧園小區(qū)、奧園幼兒園、留村民房等。

（2）現(xiàn)有（規(guī)劃）地鐵隧道：上跨地鐵4號線盾構(gòu)區(qū)間隧道。

（3）在建市政路：下穿亭洪西路立交橋（在建）。

根據(jù)工程經(jīng)驗初擬了明挖隧道穿越敏感環(huán)境的主要設(shè)計原則和主要工程措施，并在具體分析明挖施工對各類建（構(gòu)）筑物影響的基礎(chǔ)上，制定了具體處理措施。

4.1 主要設(shè)計原則

（1）綜合考慮建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)型式、現(xiàn)狀及與明挖隧道關(guān)系、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等因素，因地制宜，擬定相應(yīng)的技術(shù)措施，以確保明挖施工安全和建（構(gòu)）筑物、地下管線的正常使用。

（2）若建（構(gòu)）筑物（或基礎(chǔ)）位于明挖隧道基坑一倍深度范圍內(nèi)，原則上需要在基坑開挖前對建（構(gòu)）筑物（或基礎(chǔ)）加強變形監(jiān)測，并在降水過程中于建筑物周邊布置回灌井。一旦開挖過程中變形監(jiān)測指標(biāo)超限，應(yīng)對該建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)進行袖閥管注漿加固。

（3）一般情況下，地表及道路沉降控制在30 mm以內(nèi)，并以20 mm作為安全警界值，但當(dāng)下穿建（構(gòu)）筑物時，控制值應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范及相關(guān)權(quán)屬部門的要求。

4.2 主要工程措施

（1）地面補償注漿

在基坑開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，導(dǎo)致基坑周邊地表沉降超限，采取通過地面在地層特定位置預(yù)埋注漿管的方式完成。注漿材料以水泥漿液為主，注漿參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場試驗確定，并在注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測反饋信息進行調(diào)整。

（2）加強基坑支護

為控制地表變形，增加基坑穩(wěn)定性，第一道支撐采用鋼筋混凝土撐。

（3）回灌井

基坑降水工程中，在需保護的建筑物周邊設(shè)置回灌井，確?；咏邓^程中建筑物安全。回灌井結(jié)構(gòu)及成井工藝與降水井相同。回灌井管壁綁扎A50 mmPVC花管作為水位觀測井孔。

（4）針對性設(shè)計

對于結(jié)構(gòu)特殊且施工過程中風(fēng)險較高的建（構(gòu)）筑物，采用特殊的針對性措施。

（5）監(jiān)控量測

明挖施工及相關(guān)工程措施施工過程中，針對相應(yīng)范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)、地層地表、建（構(gòu)）筑物及地下管線，進行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測，實行信息化施工。根據(jù)監(jiān)測反饋信息，調(diào)整、優(yōu)化各項施工參數(shù)，以確保明挖施工安全和建（構(gòu)）筑物、地下管線的正常使用，必要時采取應(yīng)急措施。

4.3 穿越重點敏感地段分析

4.3.1 下穿亭洪路立交橋

DK4+391.697～DK4+494.560明挖隧道下穿在建亭洪西路延長線立交橋，隧道開挖基坑邊緣與橋墩的凈距約為3～4 m，基坑相鄰的橋樁基礎(chǔ)長約54～65 m。該段隧道基坑深度約18～19 m，主要位于泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖地層。

由于立交橋項目先于留村隧道施工，因此經(jīng)建設(shè)單位協(xié)調(diào)后，隧道下穿亭洪路立交橋段圍護樁及隔離樁等防護措施由亭洪路立交橋項目代建并同步實施。

為控制留村隧道開挖造成亭洪路立交橋的結(jié)構(gòu)變形及破壞，采取了如下措施：

（1）亭洪路立交橋建設(shè)期間提前施作隔離樁加固，隧道圍護結(jié)構(gòu)排樁;

（2）加強基坑支護措施，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐;

（3）受影響的橋墩周邊布設(shè)水位觀測井及回灌井，確保既有建（構(gòu)）筑物安全;

（4）在基坑開挖過程中，對橋梁的變形加強監(jiān)測。

4.3.2 上跨地鐵4號線盾構(gòu)區(qū)間

留村隧道在那洪大道與留村路口正下方上跨地鐵4號線盾構(gòu)區(qū)間（在建），結(jié)構(gòu)凈距為2.3 m。經(jīng)建設(shè)單位協(xié)調(diào)DK8+977.522～DK9+010.722為上跨地鐵4號線先期施工段，由地鐵4號線項目代建圍護結(jié)構(gòu)，地鐵盾構(gòu)穿越部分圍護結(jié)構(gòu)鉆孔樁采用玻璃纖維筋，在留村隧道襯砌底板下方設(shè)置板凳樁及壓板進行加固。

4.3.3 臨近建筑物

明挖段隧道臨近建筑物較多，以進口段DK4+490線路左側(cè)的6層民房建筑為例：該建筑為6層磚混結(jié)構(gòu)，換填基礎(chǔ)，埋深約2.5 m，距離隧道基坑約10.3 m。為減小基坑開挖對周邊建筑物的影響，采取了以下措施：

（1）加強基坑支護措施，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐;

（2）預(yù)留地面補償注漿措施;

（3）基坑開挖過程中，對影響范圍內(nèi)民房的變形加強監(jiān)測;

（4）在受影響的建構(gòu)筑物周邊布設(shè)水位觀測井及回灌井，確保既有建筑物安全。

5 結(jié)語

本文通過對留村隧道明挖段穿越密集建（構(gòu)）筑物等敏感環(huán)境所采用的排樁、隔離樁、板凳樁、袖閥管注漿、回灌井、加強監(jiān)測等工程措施進行分析研究，為后續(xù)相似工程的建設(shè)提供參考。

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