裝配式下穿隧道基坑支護技術探討

陳繼燦 郭太軍

1.濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司廣州分公司 廣東 廣州 510000

2.中恩工程技術有限公司 廣東 廣州 510000

1 引言

自2016年國家提出發展裝配式建筑，并陸續出臺一系列政策以來，裝配式結構在房屋建筑、地鐵車站、綜合管廊、橋梁、隧道等多個領域均呈加速發展的態勢[1-2]，加上原本就普遍使用的裝配式橋梁上部結構（預制小箱梁、空心板、T梁、鋼結構等）及裝配式地鐵區間隧道（預制管片等），各行業裝配式建筑所占比例不斷提高。基于市政下穿隧道在基坑內進行傳統現澆施工方式的局限性及缺點，采用新型預制裝配式施工方式，隧道結構單元或模塊化產品均可在工廠內預制，運輸至現場拼裝施工，改變傳統的項目管理模式，減少人員在現場的參與，引進信息化的管理，智能化設備的輔助，加快項目建設速度，縮短工期。

但是在城市下穿隧道領域，由于各種因素的限制，其裝配式施工的實際應用并不多。截至目前，全國僅有3座城市共計3座明挖市政隧道進行了裝配式技術的試驗段嘗試，試驗段總長714.6m。

從項目實施情況看，受制于項目周邊情況，國內裝配式隧道基坑支護主要采用樁墻+內支撐或樁墻+錨索的垂直支護形式。但樁墻+內支撐的支護形式需協調裝配結構與內支撐、臨時立柱間的關系；樁墻+錨索的形式對于軟土地區風險較大，一般不建議采用。由此可以看出，各種支護方式在裝配式基坑支護方面都有不一樣的因素限制，因此有必要探討一下裝配式下穿隧道在基坑設計方面需要注意的一些問題，為設計和施工提供一些思路。

2 基坑支護方式選型

2.1 放坡或土釘墻基坑支護

放坡或土釘墻支護形式適用于周圍場地開闊，周圍無重要建筑物，地下水位較深，地質條件較好，位移控制無嚴格要求的基坑。但不適用含水豐富的粉細砂，中細沙及松散中粗砂、礫砂及卵石層、流塑狀的淤泥質土或淤泥、膨脹土及對變形、沉降要求較高的基坑[3]。

由于敞開施工，裝配式結構拼裝作業空間大且靈活，適用于各種工藝的裝配式結構。尤其基坑深度較小，且有放坡空間的地段，是優先選擇的支護方式。當單一放坡或土釘墻難以滿足要求時，可以采用與預應力錨桿、截水帷幕、微型樁結合而成的復合土釘墻。但仍需注意：

1)基坑設計時需考慮吊裝構件、運輸車輛及吊裝設備的在坡頂的荷載，預留足夠的安全儲備，防止基坑因荷載過大而滑塌。

2)土釘墻施工會侵入用地紅線，需考慮土釘對現狀管線、建（構）筑物的影響。

3)由于放坡后將明顯增加土方開挖量，土方回填量也將大幅度增加，需要保證回填土的密實度。

2.2 懸臂板墻式基坑支護

由于其頂部變形較大，材料性能難以充分發揮，經濟性不好，多用于土質好的淺基坑。懸臂板式支護基坑內不設置支撐結構，敞開施工，吊裝作業空間靈活，適用于各種工藝的裝配式結構，而且該支護方式無外加錨桿或錨索，不會侵占設計紅線，在放坡條件受限時，可優先采用。該支護方式需注意的地方是：

1)基坑設計時需考慮坡頂附加荷載，需采取措施嚴格控制基坑頂部變形。

2)需要考慮吊裝作業的空間，合理設置側向余寬。

2.3 板墻+內支撐體系基坑工程設計

僅從技術上說，支撐式支擋結構比錨拉式支擋結構應用范圍要寬很多，且易于控制基坑變形。尤其城市下穿隧道的基坑都是長條形，且大多數項目周邊是車輛繁忙的現狀道路及復雜的管線，對基坑變形控制嚴格，因此內支撐式支擋結構成為城市下穿隧道基坑支護的首選方式。成都一環路磨子橋隧道工程和上海武寧路快速化改造工程均采了該支護方式。

但內支撐的設置給后期施工造成很大的障礙。對裝配式結構來說，內支撐的布置除了需要滿足支護結構受力及土方開挖等要求外，還應滿足預制構件吊運和拼裝工藝操作空間要求，因此，支撐式支擋結構比常規設計有更多需要注意的地方[4]。

1)水平向支撐宜設置在同一水平面內，以方便裝配構件的縱向調整。內支撐的水平間距應滿足安全要求和土方開挖的施工要求。除此之外，其水平間距還需滿足預制件的尺寸、縱向拼裝工藝要求，水平凈距不應小于單環寬度，且應考慮吊裝安全、施工誤差等因素留出一定的空間[1]。

2)豎向支撐應設置在同一豎向平面內，以方便裝配構件的豎向調整。對多層支撐，層間凈高不宜小于3m。豎向支撐設置還應考慮預制構件的高度及拼裝工藝要求，避免支撐位置影響結構豎向拼裝。

3)在保證安全的前提下，通過加強支護樁墻的剛度、增大支撐尺寸等措施，優化支撐豎向道數及間距，方便吊裝施工。

4)通過加強支撐剛度等措施，盡量不設縱向系梁等連接構件，以方便吊裝。若必須設置縱向系梁，在拆除時需評估其對支撐穩定性的影響。

5)宜盡量采用一字形支撐，避免設置對吊裝有影響的八字形支撐。當采用八字形支撐，由于吊裝構件需要切除或拆除八字斜桿時，需評估其穩定性后方可進行。

6)當內支撐妨礙預制構件拼裝時，宜采取先加撐后拆除的原則進行內支撐轉換。若采用加撐方式換撐時，宜預埋換撐所需構件。

7)有拆撐或換撐需要時，宜利用已拼裝的結構作為支撐，為后續內支撐拆除提供條件。基坑側壁與結構之間應設置剛性支點，并需評估支撐轉換受力對已拼裝結構的影響。或者通過增加底部墊層厚度，形成板狀結構作為換撐支點。

8)當采用大斷面裝配式結構時，基坑寬度增大，內支撐式支護體系需考慮設置立柱。立柱宜根據裝配結構的縱向分縫、施工縫位置及支撐水平間距合理設置，避免與分塊結構沖突。當立柱不可避免與分塊結構有沖突時，結構設計需考慮立柱空間的預留及后續防水處理。

9)在滿足支護安全及吊裝作業要求的情況下，為符合裝配式結構綠色環保的設計理念及提高裝配施工效率，宜優先采用安裝拆卸方便，且可回收重復利用的裝配式型鋼支撐等支撐結構。

2.4 板墻+錨桿/錨索體系基坑工程設計

錨拉式支護體系通過對錨桿/錨索施加一定的預應力，可使其產生的水平變形較小，錨桿的位置和層數靈活，通過調整錨桿的位置和層數可使支護樁內力分布較為均勻，而且基坑內形成無障礙空間，便于土方開挖，也給裝配式結構吊裝施工提供很大便利。但該支護體系不適用以下情況：

1)缺少對錨桿/錨索提供足夠錨固力且不蠕變的土層。

2)受基坑周邊的建筑物基礎、地下管線、地下構筑物等的妨礙，使錨桿在穩定的土層內的錨固長度不足。定位不準或者未查清現狀建筑物基礎形式時，錨桿/錨索施工會對基坑周邊建筑物的地基基礎造成損害。

3)碎石土、砂土、粉土等土層中地下水或承壓水頭較高，錨桿成孔不能避免流砂或注漿不能形成完整的固結體。

4)錨桿/錨索長期留在地下，給相鄰區域的地下空間使用和開發造成障礙，不符合保護環境和可持續發展的要求。因此設計時可采用可回收錨索，在錨索回收施工時，需考慮在已拼裝結構與支護結構之間應設置剛性支點，完成受力轉換。

3 基坑側向余寬

基坑開挖寬度除了考慮結構寬度外，還需考慮支護結構寬度及變形和施工誤差需要，基坑外側需有一定的余寬。采用放坡或土釘墻的基坑，作業空間大，用于裝配式結構的拼裝條件較好，一般情況下基坑開挖寬度可無需放大或做特殊處理。而對于直立式支護的基坑，開挖寬度應在裝配式結構總寬度的基礎上，需綜合考慮構件吊運、拼裝作業空間、施工工藝要求、支護結構錨頭和圍檁占用空間等因素，考慮一定的側向余寬，取值可參考下列方式選取：

1)采用整環構件吊運拼裝時，側向余寬需考慮支護結構錨頭和圍檁寬度，且考慮吊裝誤差及支護結構施工誤差，建議支護結構錨頭和圍檁與吊裝結構間宜不少于20cm。

2)當結構采用分塊拼接時，若外側采用螺栓連接，基坑側向余寬除了需考慮支護結構錨頭和圍檁寬度外，還需考慮螺栓緊固作業空間，建議作業寬度不少于80cm，或者可以考慮在結構內部設置連接螺栓。

4 基坑回填

基坑回填基本要求如下:

1)當基坑采用放坡/土釘墻等支護形式時，基坑底部不小于底板高度的范圍內，宜采用結硬性材料回填，以上部分可采用常規回填材料回填。

2)采用整環吊裝或拼接接頭采用剛性連接時，基坑回填可以按照常規隧道基坑要求進行。

3)基坑回填應分層、對稱壓實，回填時機械或機具不得碰撞頂板結構及防水保護層。結構兩側及頂部500mm范圍內應采用人工使用小型機具夯填[5]。

4)采用柔性接頭的裝配式結構的基坑回填宜采用結硬性材料，如低強度等級的素混凝土、毛石混凝土、級配砂石灌漿等材料。回填應分層對稱進行，最終回填高度應高于側墻頂部拼接縫或頂板拼接縫不小于1m。

5)當基坑兩側余寬較小時，可采用高流動性、自密實型材料回填，如低強度等級素混凝土、輕質泡沫混凝土、流態固化土等材料。

5 設計案例

本項目位于廣州市黃埔區開創大道與蘿崗新城外環路T形交叉口處，為實現開創大道與外環路的快捷交通，設西往東單孔3車道隧道一座。隧道西側敞開段長179.85m，暗埋段長260m，東側敞開段長149.85m，總長589.7m，結構標準寬度15.4m。隧道結構采用預制密肋板結構形式，分段、分塊預制拼裝的施工技術。這是廣州首條甚至全國首條全段落裝配式下穿隧道。

本項目基坑開挖深度1.5～11.2m，標準段基坑寬度16.4m，呈窄長型。由于基坑深度漸變，采用了多種支護形式相結合。且基坑位于現狀道路中間，無放坡空間，且周邊管線較多，不宜采用錨索設計，因此本項目采用直立式支護結構+內支撐的方式。

1）基坑深度1.5～3.5m，采用鋼板樁或灌注樁懸臂支護。該段無支撐影響，方便吊裝施工。

2）基坑深度3.5m～11.2m，采用直徑1.0m灌注樁+1/2道混凝土支撐。設計要點：

（1）由于裝配式結構標準環寬2.7m，縱向分縫寬0.3m。為方便吊裝及后續換撐轉換，采用每3節段設置一道支撐，支撐間距約9m，支撐設置在分縫處。由于基坑寬度較窄，不設置立柱支撐。

（2）為減少后期施工工序，縮短施工工期，混凝土墊層采用400mm厚，作為拆除第二道支撐的剛性支點。

（3）當第一道支撐與吊裝結構在豎向有沖突時，采用已經拼裝結構完成支撐轉換(見圖1)。為響應裝配式結構施工快速的特點，剛性鉸采用預制塊(見圖2)。具體施工工序如下：吊裝全部結構底板→吊裝節段1、4其他構件→施工側邊剛性鉸（A-1A-2B-1B-2），形成受力結構→拆除支撐1→吊裝節段2、3其他結構→吊裝節段7→施工剛性鉸（C-1C-2）→吊裝節段5、6其他構件，形成受力結構→拆除支撐2……按照以上工序循環施工。

圖1 換撐施工平面示意圖

圖2 預制剛性鉸施工示意圖

（4）因為采用墊層作為換撐剛性支點，底板吊裝完成后可以拆除第二道支撐和腰梁結構，不影響后續側墻結構吊裝，所以為減少基坑開挖寬度，基坑側邊余寬設置為0.7m。由于寬度較窄，一般填土施工難以壓實，基坑采用泡沫輕質混凝土回填。

6 結語

本文以城市下穿隧道的裝配式應用為背景，總結了常用的支護方式在裝配式下穿隧道基坑中的適用條件，提出相應的設計要點和施工要點，并結合實際設計項目，分析解決設計過程中的沖突問題，為以后類似項目的實施提供設計借鑒。

裝配式下穿隧道跟隨我國裝配式建筑發展開始逐漸應用，其結構設計將逐漸標準化，規范化。但是作為與其配套的專業，基坑工程基本采用傳統的支護方式，其支護結構與裝配式結構在空間上仍然存在很多沖突點，需要在實施過程中不斷創新，解決矛盾，發揮裝配式結構的技術優勢，推動基坑工程向設計標準化、施工綠色化的方向發展。