市政隧道半明挖半蓋挖支護體系設計思路

邵銀秀

(中鐵四局集團第五工程有限公司，江西 九江 332000)

0 前 言

現階段，為進一步發展城市空間，各級地區都相續開始開發利用地下空間。因城市區域內地面建筑物分布較為密集，市政道路車輛保有量非常大，城市隧道建設工程直接在繁華街道展開施工。實際施工基本上采用明挖法，導致施工占用市政道路面積比較大，促使市政交通受到巨大的干擾，城市擁堵現象越來越嚴重。使用蓋挖法則可以解決上述問題，降低施工對周圍環境的影響，保證車輛正常通行，但是這種施工方法會導致施工工期延長。而半明挖半蓋挖則是基于蓋挖施工法而衍生出來的一種施工方法，這種施工方法不但可以解決交通擁堵問題，同時可以提高施工效率，縮短施工工期、降低施工成本。

1 工程概況

本文以遼寧省沈陽市市政隧道建設工程作為研究對象，該項目的南側隧道起點為五愛街的科普主題公園，隧道的終止點為樂郊路，隧道沿線總長度設計為3 352.678 m，沿線起止樁號設計為K0+270～K3+622.678。隧道部分的主體結構設計為矩形框架結構，總計設計為17段，隧道頂部的頂板與隧道側墻的倒三角、隧道頂部頂板與中隔墻之間的尺寸、底板與側墻倒三角的尺寸均設計為300 mm×900 mm。

2 施工方案及工序

施工車站西側臨時圍擋，施工鉆孔灌注樁、冠梁、降水井。隧道東半幅西側圍擋外擴2車道，施作東西剩余鉆孔灌注樁、冠梁，東側格構柱及棧橋板。進行東西兩側圍擋內臨時路面恢復。圍擋圍至道路中間，機動車道改至圍擋東西兩側各2車道。進行西側格構柱、混凝土支撐及東側剩余棧橋板施工。自上而下開挖基坑并設置鋼支撐，樁間掛鋼筋網噴混凝土，至基底設計標高。開挖至基底后施做底板墊層、防水層，結構底板。待結構底板達到設計強度后，繼續施工側墻至第四道鋼支撐底，并拆除第四道鋼支撐。繼續施工側墻及防水至第三道鋼支撐下方，待結構側墻達到設計強度后，在第三道鋼支撐下架設倒撐并預加軸力，并拆除第三道鋼支撐。繼續施工側墻及防水以及隧道結構頂板，待結構頂板達到設計強度后，繼續施工隧道結構頂部管廊側墻、頂板及防水結構，待管廊結構側墻和頂板達到設計強度，拆除第二道鋼支撐，依次回填，并拆除第一道混凝土撐，恢復路面結構。

3 支護體系設計

3.1 設計原則

在經過全面的分析以后，該項目采用半明挖半蓋挖方法進行施工，結合設計規范要求來看，在實際設計的過程中必須嚴格遵守以下原則。

1)支護結構必須保證安全性、耐久性、適用性，且需要堅持經濟性原則。

2)在設計支護體系結構時需要考慮施工的便利性、實際使用效果及防水、排水需求。

3)在設計支護體系結構時應保證支護體系的凈尺寸滿足施工工藝、結構尺寸的要求，同時控制好后期沉降、測量誤差等問題。

4)在對支護結構進行設計時應詳細計算永久荷載、可變荷載，對支護結構所能夠承受的極限狀態進行驗算，以保證維護結構的強度、剛度以及穩定性滿足設計要求。

5)在對支護體系結構進行設計時，設計人員應結合施工現場的地質條件、水文條件等具體情況展開設計，結合實際情況采取合理的環保措施，降低施工對周圍環境的影響。

3.2 體系結構設計

該項目內的隧道工程中，基坑平面呈南北走向，屬于長條狀，基坑開挖的寬度控制在19.8～28.3 m，基坑開挖的深度由淺逐漸加深，局部最大開挖深度達到了19.3 m。為了保證施工過程中地面行車不受影響，該項目的隧道部分施工采用的是半明挖半蓋挖施工工藝，基坑部分施工時，必須充分考慮施工場地以及交通狀況，結合實際情況設置棧橋板。基坑開挖的過程中采取必要的降水措施。此外，結合基坑的開挖深度以及環保要求設置支撐體系。基坑的內支撐體系具體由圍檁、支撐、鋼管支撐柱三個部分構成。

1)圍檁：第一道圍檁選擇使用鋼筋混凝土，剩余其他圍檁則選擇使用鋼結構圍檁，保證圍檁與圍護樁連接牢固。

2)支撐：結合該項目的工程規模以及基坑開挖深度，內支撐選擇使用鋼筋混凝土支撐與圓鋼支撐相結合的支撐方式，結合施工現場的實際情況，確定鋼筋混凝土的縱向間距設置為8 m，鋼結構支撐的縱向間距控制在3～4 m，第一道圍檁選擇使用鋼筋混凝土，以此滿足半明挖半蓋挖法施工工藝的需求。

3)鋼管立柱：因基坑的寬度相對較大，內支撐的整體長度偏長，基坑的深度較深，應該沿著基坑的縱向方向設置鋼管柱，鋼管柱與內支撐連接牢固，確保內支撐的整體穩定性；此外，鋼管柱的頂部與路面的梁體緊密連接，從而分散路面荷載。

4)圍護樁：圍護樁采用的是鉆孔灌注樁+網噴混凝土相結合的圍護形式。假若圍護樁的開挖深度未超過9 m，則灌注樁的規格為600 mm×1 000 mm；若圍護樁的開挖深度超出9 m，則灌注樁的規格為800 mm×1 200 mm。

5)系梁體系：系梁體系結構組成比較簡單，由混凝土支撐、冠梁以及立柱梁體共同組成。

6)棧橋板:現澆混凝土，混凝土的強度標號為C35，澆筑的厚度為350 mm。

3.3 體系施工方法及注意要點

圍護結構使用的是鉆孔灌注樁+內支撐的組合形式，基坑設置排水裝置，將基坑內部的積水排除到基坑外部，灌注樁使用噴射混凝土進行支護；首道內部支撐使用的是混凝土支撐，支撐使用材料為X609鋼管，標準段需要設置四道內支撐。為了有效緩解圍護結構的變形程度，需要加大鋼結構支撐的軸向力。

3.3.1 體系施工方法

該項目標準段設計采用的是蓋挖施工工藝，深基坑的圍護結構設計為鉆孔灌注樁，總計設計三種不同規格的樁徑：800、1 000、1 200 mm，內支撐總計有四道，其中第一道內支撐設計的是混凝土支撐，其他三道則屬于鋼結構支撐，確定鋼筋混凝土的縱向間距設置為8 m，鋼結構支撐的縱向間距控制在3～4 m，可以發現內支撐體系的跨度相對較大。

實際施工的過程中，施工人員應嚴格按照“隨挖隨撐”的基本原則進行，盡可能縮短無支撐持續的時間。應保證混凝土支撐自身的混凝土抗壓強度以及彈性模量滿足現行規范要求以后才進行開挖作業；鋼結構支撐設置軸向預應力，并定期檢查預應力的損失情況，一旦發現預應力損失量過大，則應該再次施加預應力，以保證圍護結構的整體穩定性[1]。

3.3.2 鋼支撐施工要點

1)在首次施加預應力的12 h以內，觀測預應力的損失量和墻體的位移量，結合損失量再次施加預應力至設計規定數值。

2)假若晝夜的溫度差異懸殊，促使預應力損失，那么應在當天氣溫最低時再次施加預應力至設計值。

3)在第二道內支撐設置完成且施加預應力的情況下，對前段施工的支撐再次施加預應力。

4)當墻體的位移量超出了標準值，可以通過增大軸力的方式控制形變，但是必須保證軸力指標處于安全范圍以內。

5)當軸力的損失超出3%以后，應再次施加軸力。

6)內支撐的拆除必須嚴格按照規范標準進行作業，且保證拆除順序的合理性。

3.3.3 混凝土支撐施工要點

1)利用鋼筋計可以檢測出鋼筋應力，從而了解混凝土支撐的形變情況，此外，應計算出混凝土支撐的應力和軸力。

2)對混凝土形變以及體積收縮造成影響的因素非常多，其中影響程度比較大的是混凝土的強度和回彈模量。結合實踐可以得出，對同標號的混凝土選用相同的計算參數來確定混凝土非荷載因素的影響是可行的，可以有效滿足實際施工的需求。

3)混凝土支撐的變形情況會對深基坑的安全性造成巨大的影響，由于混凝土的形變會導致深基坑的變形擴大，所以在整體結構形式穩定的情況下，應合理選擇施工工藝，以降低混凝土支撐的變形量[2]。

4)圍護結構在長時間受到荷載的情況下，因混凝土自身還會受到非荷載因素的影響，導致混凝土支撐的剛度大幅度降低，同時導致圍護樁的剛度降低，在這種情況下，圍護結構的內力必然會進行二次分配，為確保在計算支護結構時計算結果接近實際作業的數值，必須將非荷載因素考慮在計算體系內，以此保證設計計算獲取的基坑變形量與實際情況相吻合，從而有效解決實際變形值與理論變形值之間的矛盾。

5)鋼筋混凝土支撐施工。首道混凝土支撐在深基坑開挖至底部以后立刻施工。深基坑的開挖面表層應鋪設砂料做找平處理，混凝土支撐的底模采用砂漿，側面模板使用鋼模板。當找平層達到設計強度以后，則開始支撐鋼筋綁扎。在澆筑圍檁部位混凝土之前，對鉆孔樁表面進行鑿毛處理和灑水處理。混凝土支撐在混凝土中摻加早強劑完成澆筑。混凝土澆筑的過程中應不斷進行振搗，確保混凝土振搗密實。當混凝土澆筑完成以后及時養護，以保證混凝土的強度滿足標準。混凝土的強度養護至設計強度以后則開始后續的基坑開挖作業。

6)鋼支撐施工。鋼支撐的結構組成比較簡單，由3個部分組成：固定端、中間部位以及活動端。各個關節的法蘭盤應選用高強度的螺栓進行連接。

3.4 鋼支撐架設施工工藝

1)開挖過程中按照隨挖隨架的原則進行作業。結合土方開挖的實際進度，合理配置鋼管、圍檁的數量，并合理確定裝配長度，開挖一定土方以后，立即安裝圍檁及鋼支撐，并按照設計要求施加預應力。施工流程如圖1所示。

圖1 施工流程圖

2)雙拼工字鋼圍檁施工。將鋼牛腿焊接為三角形，角鋼的規格為∠75°×8 mm。牛腿可以使用強度為M20的膨脹螺栓固定在圍護樁上。鋼圍檁由I45a工字鋼與鋼板焊接而成，在支撐節點進行綴焊加勁處理。工字鋼圍檁裝置在鋼牛腿的后側，使用2根螺絲進行加固，分別固定在圍檁上側的錨環以及圍護樁的角鋼上。因圍檁與圍護樁之間存在一定的空隙，所以在圍檁得到加固以后，使用摻加早強劑的水泥砂漿進行填充，保證內支撐不會因局部受力過大而出現失穩現象。鋼圍檁在轉角節點進行焊接加固，保證整體結構的穩定性滿足設計要求。

3)鋼筋混凝土圍檁施工。當基坑開挖至鋼筋混凝土圍檁的底部標高時，施工人員則開始進行鋼筋混凝土圍檁施工。鋼管支撐部位的斜向混凝土支座與腰梁進行鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑作業，這個過程一次成型。混凝土圍檁、支座部位應設置預埋件，使用錨筋進行加固。

4)鋼支撐安裝。土方開挖的過程中堅持隨挖隨架的基本原則，當支撐體系的作業面開挖完成以后，立即安裝支撐，并嚴格按照設計要求施加預應力。每一根鋼支撐的長度配置按照固定端與活動端的長度確定，中間段則可以直接使用標準化關節進行配置。當管節拼裝完成以后，施工人員對內支撐的平直度進行檢查，管節兩側的平直度偏差必須控制在20 mm以內。

4 結束語

為有效保證施工過程中隧道頂部行車安全以及支護體系的穩定性、安全性，施工單位選擇使用半明挖半蓋挖施工技術，支護體系選擇使用剛度比較大的圓鋼管立柱樁、棧橋板，配備350 mm厚的鋼筋混凝土板與橫縱支撐梁組成整個支護體系，此次研究可以為類似工程項目提供參考。

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