軟土區(qū)低施工凈空條件下明挖隧道設(shè)計探討

王佳辰

（中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

0 引言

隨著城市立體交通的快速發(fā)展，城市路口下穿通道建設(shè)項目越來越多。

中山市位于珠江三角洲沖積平原，軟弱土深厚。在該區(qū)域項目建設(shè)過程中，要充分研究軟弱土不良地質(zhì)條件下，基坑開挖過程中的穩(wěn)定性計算。針對基坑墻底隆起穩(wěn)定性計算，現(xiàn)行《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）采用的計算方法是Prandtl 法。而對于珠三角、長三角等軟土深厚地區(qū)，在常規(guī)圍護樁嵌固深度的條件下，采用此方法計算的安全系數(shù)經(jīng)常不滿足規(guī)范規(guī)定的坑底抗隆起穩(wěn)定性要求，進一步加長圍護樁的嵌固深度將難以滿足工程經(jīng)濟性要求。對此，童磊等[1]提出公式應(yīng)計入墻底以上土體抗剪強度有利作用作為抗力。劉銀芳[2]認為，軟土基坑被動區(qū)土加固的措施可以提高坑底抗隆起穩(wěn)定性。本文基于前人研究，以中山沙古公路裕祥路節(jié)點隧道明挖基坑為例，對規(guī)范采用的Prandtl 計算方法進行修正，且修正后的計算方法在項目設(shè)計過程中取得了良好效果。

中山沙古公路裕祥路節(jié)點隧道明挖基坑設(shè)計過程中，除了遇到軟土基坑坑底抗隆起穩(wěn)定性計算的問題，還遇到了受500 kV 高壓線控制，低凈空條件下基坑坑底加固攪拌樁實施困難的問題。通常在諸如橋梁投影面下、高壓線下需進行地基加固或基坑坑底加固施工時，受豎向施工空間限制，常規(guī)價格低廉的攪拌樁因施工機械高度大而無法實施時，常見的解決辦法為采用施工機械高度低的高壓旋噴樁施工，但因高壓旋噴樁延米造價遠高于攪拌樁，必然會造成工程投資費用陡增。近年來，一種新的接桿攪拌樁工藝逐漸得到推廣。其鉆桿可由多節(jié)組成，在施工過程中，可先打入首節(jié)鉆桿，接長組裝第二節(jié)鉆桿后再打入第二節(jié)鉆桿，以此類推。這種施工工藝可大大減少攪拌樁施工需要的豎向高度，且成樁質(zhì)量與常規(guī)攪拌樁差別不大，且比高壓旋噴樁具有明顯的價格優(yōu)勢。

1 工程概況

為實現(xiàn)中山市古鎮(zhèn)快線（沙古公路）主線直行交通在裕祥路節(jié)點的快速通過，在項目裕祥路節(jié)點設(shè)置一座下沉式隧道。隧道長340 m，其中封閉段90 m，北敞開段106 m，南敞開段144 m。隧道采用矩形一箱兩孔斷面，開挖基坑明挖順筑施工。隧道場地分布地層為2.5～6.4 m厚填筑土（），平均厚度16.6 m的淤泥質(zhì)土（）及7 m的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（），0.7～4.3 m厚粉質(zhì)黏土（），平均厚度7.5 m的砂類土（）、平均厚度3.7 m的全、強風化泥質(zhì)粉砂巖（J2-3bz），其下為中風化泥質(zhì)粉砂巖（J2-3bz）。

隧道基坑開挖深度9.16 m，基坑采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系支護，受軟土基坑穩(wěn)定性控制，需實施坑底加固。基坑安全等級按二級考慮，坑底隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.4。

隧道基坑坑頂場平標高上方20.5 m有一條500 kV高壓線走廊小角度斜交隧道軸線。根據(jù)《電力設(shè)施保護條例》及其實施細則，高壓線下、最外側(cè)導線外8.5 m范圍內(nèi)，施工機械高度不得侵入豎向8.5m 范圍內(nèi)的懸線保護范圍。基坑與高壓線相對位置關(guān)系見圖1。

圖1 本項目隧道基坑橫斷面圖（單位：m）

2 軟土區(qū)基坑坑底隆起穩(wěn)定性計算

2.1 修正前公式計算結(jié)果

引言中已提出：軟土深厚地區(qū)，在常規(guī)圍護樁嵌固深度的條件下，采用現(xiàn)行《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）Prandtl 法計算坑底隆起，所得安全系數(shù)常常不能滿足規(guī)范第4.2.4 條的要求。以本項目隧道主體（不含泵房段）最深基坑剖面計算為例，巖土參數(shù)取值見表1，抗隆起穩(wěn)定性計算簡圖見圖2，計算如下：

表1 巖土層物理力學參數(shù)取值

圖2 坑底隆起穩(wěn)定性計算簡圖

式中：Khe為隆起安全系數(shù)；γm1為基坑外樁底以上土的重度，kN/m3；γm2為基坑內(nèi)樁底以上土的重度，kN/m3；D 支護樁嵌固深度，m；h 為基坑深度，m；q0坑頂20 kPa 均布荷載；Nc、Nq為承載力系數(shù)；c 為支護樁底以下土的黏聚力，kPa；φ 為支護樁底以下土的內(nèi)摩擦角，°。

代入本項目參數(shù)，得Khe=0.87＜1.4，不滿足《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》第4.2.4 條的要求。

2.2 公式修正及修正后計算結(jié)果

在本工程案例中，基坑開挖深度9.16 m，支護樁嵌固深度插入比為0.93∶1。根據(jù)軟土地區(qū)基坑設(shè)計施工經(jīng)驗，當前方案是能夠滿足基坑穩(wěn)定性要求的，故分析公式計算不能通過的原因并對其進行修正。

分析修正前，公式計算不通過原因主要是：坑底隆起破壞面必須穿過樁底至坑底的土層才會發(fā)生坑底隆起破壞，但規(guī)范采用的安全系數(shù)公式抗力值（即Khe計算公式分子項）未考慮樁底至坑底間土體的剪切強度貢獻，導致計算結(jié)果過于保守。

因此，應(yīng)對計算公式進行適當修正：假設(shè)被動區(qū)樁底以上土體受到隆起土體傳來的荷載，沿著90°豎直面破壞，如圖3 所示，稱作直剪破壞模式。按此模型考慮樁底至坑底間土體剪切強度的貢獻，即其直剪強度黏聚力c底，若設(shè)計考慮坑底地基加固，則c底應(yīng)采用加固后復合地基和坑底未加固土關(guān)于厚度加權(quán)平均值的黏聚力。

圖3 被動區(qū)樁底以上土體破壞面示意

修正后計算公式如下：

“坑底加固土”及“加固土底部至樁底土”關(guān)于厚度的加權(quán)平均值c底取191 kPa(加固土復合地基黏聚力按經(jīng)驗取坑底加固土28 d 側(cè)限抗壓強度1.2 MPa的1/5，即240 kPa），代入公式得到Khe=1.46＞1.4，滿足規(guī)范要求，計算通過。

2.3 修正計算結(jié)果驗證

截至撰稿時，本項目基坑工程已完成基坑開挖施工，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)反饋，基坑位移變形等各項數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求，驗證了修正計算的正確性。

3 低凈空條件下攪拌樁施工方案

如前所述，本項目有一處500 kV 高壓懸線小角度斜穿隧道基坑上方，無法采用常規(guī)深層攪拌樁施工坑底加固。設(shè)計及施工過程中，經(jīng)過大量調(diào)研，最終選擇接桿攪拌樁工藝實現(xiàn)了坑底加固施工。

3.1 接桿攪拌樁工藝原理

接桿攪拌樁與常規(guī)攪拌樁的水泥摻量、水灰比技術(shù)參數(shù)相同，區(qū)別僅在于接桿攪拌樁的鉆桿可以分節(jié)接長安裝，使得其樁機高度大幅降低，通常可以控制在6 m以下。其工藝如下[3]：

（1）接桿攪拌樁就位，開始噴漿，鉆入第一節(jié)鉆桿，并在第一節(jié)鉆桿深度范圍內(nèi)的地層上下反復噴漿攪拌。

（2）停止噴漿，從第一節(jié)鉆桿接桿接頭處接入第二節(jié)鉆桿。

（3）開始噴漿，鉆入接長后的鉆桿，并在已鉆深度以下至組合鉆桿深度范圍內(nèi)的地層上下反復噴漿攪拌。

（4）按以上步驟依次接長鉆桿，噴漿攪拌，直至達到攪拌樁設(shè)計樁底高程。

（5）停止噴漿，提升鉆桿并分節(jié)拆除鉆桿，直至鉆桿完全提升出地面，從而完成單根攪拌樁施工（根據(jù)設(shè)計要求，鉆桿提升過程中也可繼續(xù)噴漿攪拌）。

需要注意的是，為了保證攪拌樁成樁質(zhì)量的均勻性，每次停止噴漿接長鉆桿至下一次反復噴漿攪拌的時間間隔必須確保在上一次噴漿水泥初凝時間以內(nèi)，具體時間根據(jù)現(xiàn)場水泥配合比、緩凝劑摻量、外界溫度的不同而確定。大面積施工前，務(wù)必做好試樁試驗。

3.2 接桿攪拌樁技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢

（1）接桿攪拌樁機由于鉆桿可分節(jié)安裝下放，故樁機高度可較常規(guī)攪拌樁機大幅壓縮，適用于高壓線下、橋梁投影下等低凈空施工條件下攪拌樁的施作。

（2）接桿攪拌樁較高壓旋噴樁、MJS 工法樁等其他低凈空施工工藝廉價。以本項目中山沙古公路裕祥路節(jié)點隧道基坑為例，采用D850 mm 高壓旋噴樁坑底加固時，樁延米單價為362 元/m；采用D850 mm接桿攪拌樁時，樁延米單價為232 元/m。上述單價已通過財政局審核批復。由此可見，接桿攪拌樁具有極好的經(jīng)濟性優(yōu)勢。

（3）接桿攪拌樁的成樁不產(chǎn)生過大的地層壓力，故在橋下低凈空條件下施工時，相對高壓旋噴樁而言，接桿攪拌樁對橋梁承臺樁基位移變形的控制效果好。

3.3 應(yīng)用成果案例

中山市古鎮(zhèn)快線（沙古公路）快速化改造工程裕祥路節(jié)點隧道已成功適用接桿攪拌樁工藝完成主線隧道基坑坑底加固處理。根據(jù)試樁試驗及成樁的抽芯檢測，其與相同地質(zhì)條件、相同直徑、相同水泥摻量的常規(guī)攪拌樁在28 d 無側(cè)限抗壓強度（1.2 MPa）等技術(shù)參數(shù)無異，取得了良好的運用效果。相關(guān)工程造價也已取得財政局批復，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，為在其他類似工程的運用提供了技術(shù)經(jīng)驗與可靠案例。

4 結(jié)語

本文根據(jù)中山市古鎮(zhèn)快線（沙古公路）快速化改造工程項目裕祥路節(jié)點隧道的設(shè)計施工經(jīng)驗，總結(jié)復盤了以下設(shè)計關(guān)鍵點及解決方案。

（1）在深厚軟土區(qū)采用符合設(shè)計經(jīng)驗的較強支護措施后，采用現(xiàn)行《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）Prandtl 公式計算仍不滿足基坑坑底隆起安全系數(shù)時，可修正公式，考慮坑底至樁底土層的剪切強度對抗隆起抗力的貢獻。

（2）當在低凈空條件下需施作復合地基或基坑坑底加固時，可考慮采用具有良好技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢的接桿攪拌樁工藝。

（3）上述兩點問題的解決方案已在中山沙古公路裕祥路節(jié)點隧道明挖基坑設(shè)計施工中成功應(yīng)用，取得了技術(shù)方案及投資預(yù)算批復，為類似工程問題的解決提供了有力參考。