明挖法過河隧道的深基坑支護方案選型與分析

張朝朋

[西安世園投資（集團）有限公司，陜西 西安 710024]

1 工程概況

西安浐灞生態區錦堤六路（歐亞四路）灞河隧道工程，西起灞河西岸的廣運潭大道，東至灞河東岸的香槐六路，主線設計總長度約2.9 km。自西向東依次下穿興泰北路、灞河西路、灞河、灞河東路、華文路后上跨世博大道和香槐六路。興泰北路至華文路段為下穿隧道，長度為1 458 m。其中過灞河段設置了緊急逃生通道和綜合管廊，長度為660 m。總平面圖如圖1 所示。

圖1 項目總平面示意圖

根據本項目特點、灞河水文資料和通航現狀等，各方對常規的隧道施工工藝如盾構法、明挖法、沉管法等進行比選后，確定本工程采用明挖法的實施方案。其中，灞河段通過設置土石圍堰進行導流的方式分兩期進行施工。

隧道結構采用現澆鋼筋混凝土箱型結構，隧道普通段凈寬26.5 m，基坑開挖寬度約30 m；過河管廊段凈寬30 m，基坑開挖寬度約34 m。隧道內凈高6.5 m，灞河河道段結構頂部覆土厚度約3 m，考慮頂板、底板厚度，基坑開挖深度約13 m。

2 周邊環境和工程地質條件

2.1 周邊環境條件

河道段基坑下游80 m處有一橡膠壩，基坑開挖邊線距離橡膠壩基礎大于3 倍基坑開挖深度，圍護結構施工和土方開挖等對橡膠壩的影響較小。

2.2 場地工程地質及水文地質

河道段基坑開挖范圍內的地層自上至下主要包括：

（1）淤泥②1。深灰色，飽和，呈泥流態，以粉質黏土為主，結構松散。該層層厚1.70～3.90 m。

（2）淤泥②2。深灰色，飽和，呈軟塑～ 流塑狀態，以粉質黏土為主，土質不均，結構松散，局部含砂粒。該層層厚0.30～5.60 m，層底深度為4.30～11.50 m。

（3）粗礫砂⑤。灰黃～灰褐色，飽和，密實，主要為粗砂、礫砂。實測標貫錘擊數20～40 擊。夾卵石⑤1雜色，密實，飽和，一般粒徑3～5 cm，最大10 cm，亞圓形，中等風化。該層最大厚度3.6 m。圓礫⑤2雜色，密實，飽和，一般粒徑1～3 cm，亞圓形，中等風化。該層最大厚度4.6 m。粉質黏土⑤3淺灰色，硬塑，飽和。該層層厚4.70～19.30 m，層底深度為15.20～27.60 m。

（4）粉質黏土⑥。黃褐色～灰褐色，硬塑，飽和。該層層厚3.00～16.20 m，層底深度為28.80～33.50 m。

（5）中細砂⑦。淺灰色，飽和，密實。最大揭露厚度11.20 m，最大鉆探深度40.00 m。

（6）粉質黏土⑧。灰褐色，可塑，飽和。含少量鈣質結核、鐵錳質斑點[1]。

本項目勘察地層的三軸固結不排水剪（CU）試驗成果和無側限抗壓強度試驗結果統計見表1，對②2層（泥炭質土）進行了固結系數測試。根據測試結果統計結合工程經驗，其固結系數與推薦值見表2。

表1 無側限抗壓強度試驗結果統計

表2 固結系數試驗成果統計與建議值

該場地地下水類型主要為第四系沖積和沖洪積地層中的潛水和承壓水。潛水含水層為粗礫砂⑤層及粉質黏土④層及其夾層。粉質黏土⑥層為相對隔水層，但其中的砂夾層透鏡體含水，中細砂⑦層在整個場地中分布連續，為含水層。受上部相對隔水層（粉質黏土⑥層）影響，該層水具有承壓特性，屬承壓水，承壓水水頭標高可按368.30 m考慮。

3 基坑支護方案選型

3.1 本工程河道段基坑特點

（1）基坑呈長條形，斷面大，基坑深度較深。

（2）周邊環境條件相對簡單，無重要建（構）筑物。

（3）工程地質條件復雜。

a.灞河河床區域分布有較厚的淤泥質土，力學性質極差。

b.隧道基坑開挖深度影響范圍內主分布有粗礫砂層，該層為中密～密實狀態，混圓礫、卵石顆粒。

c.地下水位豐富且埋深較淺，基坑開挖深度范圍內分布有卵石層及中粗砂層，透水性強。

3.2 基坑支護體系比選

支護結構設計不僅關系到基坑開挖和周邊環境的安全，還直接影響土方開挖和地下結構的施工成本。結合本項目主體結構和場地特點，確定本次圍護方案選型考慮重點如下：

（1）結合本地成熟經驗的支護形式，優先考慮支護結構體系的穩定性、可行性和適宜性。

（2）控制基坑開挖和地下結構施工期間對周邊環境的影響。

（3）方便施工，工期短。

（4）盡量節約工程造價。

結合大量類似工程經驗，對此類深基坑工程，可采用的圍護體系主要包括鉆孔灌注樁+止水帷幕、地下連續墻、SMW工法、咬合樁等板式支護。

3.2.1鉆孔灌注樁+止水帷幕

鉆孔灌注樁+止水帷幕有如下特點：

（1）剛度較大，且可根據基坑深度、工程地質條件和周邊環境條件選用不同樁徑以滿足變形控制要求。

（2）成樁工藝成熟，質量易保證。

（3）整體強度、穩定性可靠。

（4）受周邊環境限制，圍護體占地寬度較大，約2.0 m。

（5）對場地要求高，需要有鋼筋加工場地及泥漿處理設備。

（6）工程投資相對較少。

（7）止水帷幕可結合地層條件靈活選用水泥攪拌樁、等厚水泥土攪拌墻或高壓旋噴樁等。

（8）市場成樁設備種類較多、數量多，可根據地層特點選用適用的機械，并可大面積分段同步施工，節約工期。

現場情況見圖2。

圖2 鉆孔灌注樁支護

3.2.2地下連續墻

地下連續墻有如下特點：

（1）地連墻既可擋土又可止水。

（2）常規地連墻厚度為800 mm 及1 000 mm，側向抗彎剛度大，有利于變形控制。

（3）成墻工藝成熟，質量易保證。

（4）整體強度、穩定性可靠。

（5）圍護體占地寬度較小，僅為墻厚。

（6）地連墻可作為地下結構外墻使用，“兩墻合一”。

（7）對地墻接縫位置增加高壓旋噴樁止水。

（8）對場地要求高，需要硬化路面、鋼筋加工場地及泥漿處理設備。

（9）工程投資相對較高。

3.2.3SMW工法

SMW工法為三軸深攪樁插入型鋼組成的既可擋土又止水的一種支護形式。其特點有：

（1）施工速度較快。

（2）需要占用的空間較小，尤其適用于施工空間狹小的區段。

（3）本身具有止水作用，不需另設止水帷幕。

（4）造價受施工工期影響。

（5）剛度一般，變形相對較大，對周邊環境影響相對較大。

（6）內插型鋼可進行回收重復利用，節省造價。

（7）在密實砂層、卵石層或較硬黏土層成樁難度較大，需采取引孔措施，工效較低。同時，卵石層插入型鋼難度大。

現場情況見圖3。

圖3 常規SMW工法

3.2.4咬合樁

咬合樁是在樁與樁之間形成相互咬合排列的一種基坑圍護結構。樁的排列方式為一條不配筋，并采用超緩凝素混凝土樁（A 樁）和一條鋼筋混凝土樁（B樁）（采用全套管鉆機施工）間隔布置。咬合樁具有如下特點：

（1）既可擋土，又可防水。

（2）圍護結構占用的空間較小。

（3）同鉆孔灌注樁，剛度較大，且可根據基坑深度、工程地質條件和周邊環境條件選用不同樁徑以滿足變形控制要求。

（4）工程所在地成樁設備較少，需引進，對工期不利。

現場情況見圖4。

圖4 鉆孔咬合樁工法

3.3 基坑支護設計總體方案

考慮基坑周邊環境條件相對較好，對基坑變形控制要求不高。因此，圍護結構可采用剛度相對較小的鉆孔灌注樁、工法樁等，并可根據基坑深度靈活選用樁徑，在保證安全的同時降低工程造價。

本區域地下水相對豐富，水位較高，基坑開挖深度范圍內廣泛分布有中粗砂及卵石層，透水性較強，需采取合理的降、止水措施以滿足基坑開挖要求。目前常用的止水帷幕主要包括水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁，以及地下連續墻、咬合樁（擋土加止水）等。其中，止水效果相對較好的水泥土攪拌樁在本地區成樁難度大、工效較低，地連墻及咬合樁造價相對較高。因此，本工程止水帷幕考慮采用高壓旋噴樁[2]。

綜上分析，在滿足基坑安全和周邊環境要求的條件下，推薦本基坑周邊圍護體采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕的設計方案，坑外增加水位觀測井兼作備用降水井。

4 基坑支護設計

4.1 整體施工工況

本工程穿越的灞河水流量較大，無法全斷面截流，因此采用設置土石圍堰、分期實施的整體施工順序。河道內隧道明挖基坑按照圖5 至圖8 所示工況進行實施。

圖5 工況一（一期基坑支護施工、土方開挖及隧道主體結構施工）

圖6 工況二（拆除一期圍堰并修筑二期圍堰）

圖7 工況三（二期圍護結構施工、鑿除分界位置支護樁）

圖8 工況四（二期主體結構施工、拆除圍堰、恢復河道）

4.2 基坑支護設計

4.2.1設計內容

依據上述分析，結合具體地層并按照規范計算后，河道區域采用的設計方案為φ1 000@1 300 鉆孔灌注樁+雙排φ600 高壓旋噴樁止水帷幕+兩道水平支撐。灌注樁嵌固深度為6.5～6.9 m，滿足穩定性計算要求[3]。止水帷幕進入基底以下6.5 m，隔斷第⑤礫砂層，進入相對隔水層（粉質黏土層）。基坑豎向設置兩道水平支撐，均按照對撐的平面布置形式；考慮淺層淤泥層較厚，為保證安全，同時加快施工速度并降低工程造價，采用了鋼筋混凝土支撐與鋼支撐組合的形式。具體支護形式詳見圖9 至圖11。

圖9 基坑支護剖面圖

圖10 河道內基坑支護剖面圖

圖11 河道內基坑支護俯視圖

4.2.2計算結果

依據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012），對圍護結構采用增量法進行變形和內力計算[4]。其中，黏性土采用直剪快剪指標、水土合算，粉土及砂性土采用固結快剪指標水土分算，參數詳見表3，圍護結構樁身水平變形最大值為25 mm。

表3 各土層抗剪強度指標（建議值）

本工程開挖面以下為硬塑狀黏性土，抗剪強度高，基坑抗傾覆（K=1.6）及坑底抗隆起（K=2.5）計算均能滿足規范要求。

5 監測數據

依據信息化施工的原則，本工程在基坑開挖過程中對圍護結構的水平變形（樁身測斜）進行監測。通過監測數據（見圖12）可知，圍護結構水平變形相對較小，基坑開挖至基底標高后的最大水平變形約20 mm，滿足基坑安全和環境控制要求[5]。

6 結語

目前，本基坑工程已按上述方案實施完成，除部分區段因礫砂層中圓礫石較多導致旋噴樁止水效果相對較差外，其他狀況良好，整體上能滿足土方開挖和主體結構施工。對止水效果較差區段采用了坑外加設降水井或注漿措施，以保證坑內滲漏水可控。

圖12 典型樁身測斜曲線

由此可見，類似地層下的深基坑工程的止水、降水設計方案和施工工法是項目成敗的關鍵因素，前期方案階段在進行全方位的比選后，建議有條件的地區進行原位試驗以確保設計方案合理可行。