復(fù)雜施工條件下城市隧道深基坑施工技術(shù)的研究

任作良

（中鐵六局北京鐵建公司，北京 100036）

復(fù)雜施工條件下城市隧道深基坑施工技術(shù)的研究

任作良

（中鐵六局北京鐵建公司，北京 100036）

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、人口的增長(zhǎng)和城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)生存條件的需求日益擴(kuò)展，這就導(dǎo)致了城市功能要不斷豐富和交通運(yùn)力也持續(xù)增大，從而促使了城市內(nèi)各種龐大構(gòu)筑物逐漸集中化格局的形成。城市隧道深基坑施工技術(shù)也是在這種背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的。然而，由于城市環(huán)境的特殊復(fù)雜性，致使此項(xiàng)技術(shù)在具體應(yīng)用過程中常會(huì)遇到各式各樣的矛盾和問題，有的還嚴(yán)重制約著工程建設(shè)的速度和質(zhì)量，甚至保證不了零事故的安全防線。本文在此就復(fù)雜施工條件下城市隧道的深基坑施工工藝做一些粗淺的闡述，旨在就如何高效處理施工過程中的各種難題進(jìn)行交流。

關(guān)鍵詞：深基坑；城市隧道；施工技術(shù)；復(fù)雜地況；研究

隨著經(jīng)濟(jì)的騰飛和科技的進(jìn)步，我國(guó)的城市化進(jìn)程在不斷加快，城市功能在不斷完善。這種形式下，城市隧道建設(shè)的深基坑工藝得到了廣泛的應(yīng)用，而且在大量的工程實(shí)踐過程中其技術(shù)水平也獲得了很大的提高。盡管如此，在實(shí)際的建設(shè)應(yīng)用中，工程技術(shù)人員們還存在著一定的心理壓力，其原因就是此種工藝技術(shù)還有諸多不完善之處，再有就是因?yàn)槌鞘袃?nèi)部地形條件復(fù)雜，各種城市設(shè)施交錯(cuò)縱橫，給深基坑施工帶來很大的困難，甚至因?yàn)樗鶎?shí)施的技術(shù)方案不成熟或者在施工過程中發(fā)生了嚴(yán)重的異常情況而造成人員傷亡事故的也屢見不鮮。另外還必須做好對(duì)工程周邊環(huán)境的保護(hù)工作。最大限度地減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。所以，大幅度地提高施工技術(shù)，認(rèn)真、細(xì)致地搞好施工前的勘查測(cè)量、數(shù)據(jù)采集工作，嚴(yán)格進(jìn)行施工過程的監(jiān)督管理，積極地開展技術(shù)創(chuàng)新，妥善處理突發(fā)問題等等是現(xiàn)實(shí)工程建設(shè)中非常迫切的問題。

一、我國(guó)城市隧道深基坑施工安全現(xiàn)狀

近幾年，由于我國(guó)城市建設(shè)速度的大幅度加快，在各個(gè)大小城市中的隧道建設(shè)也是大面積的展開。隧道開挖的深基坑技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，而且這項(xiàng)技術(shù)在基坑變形控制及模型計(jì)算等諸多方面都有了新的突破。但是，由于極其復(fù)雜的城市地形條件導(dǎo)致了這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)施具有較高的難度。盡管行業(yè)內(nèi)的廣大工程技術(shù)人員和工程管理者在具體施工過程中不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新和嚴(yán)格管理，然而，由于種種原因?qū)е碌墓こ贪踩鹿嗜詴r(shí)有發(fā)生，以至于在工程總量中的事故發(fā)生率一直維持在20%～30%，致使整體行業(yè)工程施工的安全狀況還不容樂觀。具體的情況有：2005 年7月21日，地處于廣州市海珠區(qū)江南大道和江南西路交匯地帶的海珠城廣場(chǎng)B建筑建設(shè)工地突然發(fā)生基坑坍塌，釀成3人死亡，8人受傷的嚴(yán)重事故，地處于江蘇鎮(zhèn)江的潤(rùn)楊長(zhǎng)江公路大橋的北錨旋，采取矩形的地下連續(xù)墻構(gòu)架，墻體厚度1.2m，基坑內(nèi)部開挖到48m，但因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案不科學(xué)，總體項(xiàng)目并未完功，墻體的最大變形范圍超過130mm，超出最大設(shè)計(jì)允許的變形數(shù)值。因此，進(jìn)行深基坑工程的穩(wěn)定性能和變形性能研究，保障基坑自身及周圍環(huán)境安全穩(wěn)定是相當(dāng)關(guān)鍵的。

二、隧道工程的深基坑施工

本文以蘭州市南山路工程第五標(biāo)段民大隧道施工為例，依據(jù)蘭州的獨(dú)特地形地貌，介紹了城市隧道深基坑施工技術(shù)的施工要點(diǎn)。

在挖掘和建造城市隧道的過程中，有多種施工方法。但是，據(jù)相關(guān)研究和實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，明挖法最為適宜和高效。因?yàn)槊魍诜ㄊ┕るy度相對(duì)較小，可以大幅度縮短建設(shè)工期，所耗費(fèi)成本亦相對(duì)最少。所以在行業(yè)中受到廣泛地采用。

1 地質(zhì)情況分析及施工方案確定

因?yàn)樯罨庸こ虝r(shí)常在建筑物密集程度比較高的區(qū)域開工建設(shè)，空間有限附近還很有可能存在重要的永久性建筑及市政基礎(chǔ)設(shè)施，所以，在深基坑施工時(shí)，對(duì)基坑的穩(wěn)定性及位移變量要有嚴(yán)格的措施進(jìn)行控制。

蘭州市位于我國(guó)的西北地區(qū)，地處于黃土高原與青藏高原的過渡區(qū)，地質(zhì)成分復(fù)雜，巖石的穩(wěn)定性較差，如果在進(jìn)行隧道施工時(shí)采用暗挖法，那將很容易出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。因此，基于蘭州地區(qū)巖土的特殊情況，我們?cè)谶M(jìn)行相關(guān)建設(shè)時(shí)，施工方法的最佳選擇就應(yīng)當(dāng)是明挖法。此項(xiàng)隧道工程位于隴海鐵路干線沿線，毗鄰隴海鐵路下行線中心。因此在施工時(shí)，做好防護(hù)工作尤為重要，不能因隧道的施工干擾鐵路的正常運(yùn)行。盡管現(xiàn)場(chǎng)工作空間狹窄，機(jī)械裝備難以實(shí)施，他們也克服了困難。但是，明挖法施工是屬于深基坑開挖工藝技術(shù)。它的深基坑開挖、支護(hù)兩個(gè)過程就成為了工程的關(guān)鍵。

2 施工條件準(zhǔn)備和影響要素

2.1 工程地質(zhì)參數(shù)確定

采用鉆孔技術(shù)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行勘測(cè)。結(jié)果表明，蘭州南山路工程段地層主要由四層組成，距離地表最近的是素粘土，往下依次是粉土、圓礫和粉質(zhì)粘土。進(jìn)行隧道深基坑建設(shè)時(shí)，基底要控制在粉土層。具體的參數(shù)如下：深度0.7m ～17.6m，厚度2.4m～17.2m。由于粉土一般具有失陷性，這也給施工帶來了很大的問題。對(duì)于該路段，場(chǎng)地屬于自重濕陷場(chǎng)地，塌陷的深度最深可達(dá)18m以上。

勘測(cè)結(jié)果還表明，場(chǎng)地的水主要來源于賦存在鵝卵石層中的潛水。除此之外，作為補(bǔ)充的就是雨水和徑流等等。

2.2 隧道施工中的不利條件

2.2.1 位于鐵路干線，施工量大，難度高

由于隧道建設(shè)場(chǎng)地緊鄰隴海鐵路，而隴海鐵路的大宗運(yùn)營(yíng)也給施工帶來了不利的影響。鐵路沿線的各種高壓供電設(shè)施（電壓均為27500V）會(huì)使2m之內(nèi)的絕緣體導(dǎo)通電流。這樣，就很容易使隧道施工人員在靠近供電設(shè)施時(shí)遭電擊身亡。另外，由于隴海線屬于我國(guó)主要鐵路干線，該隧道線路上通車的頻率是4分鐘/趟，這將嚴(yán)重影響工程效率。

2.2.2 支護(hù)設(shè)計(jì)種類繁多，監(jiān)控要求嚴(yán)格

在此次隧道建設(shè)中，工程縱向距離達(dá)1000m，深度達(dá)10m。按照規(guī)定，在隧道沿線要進(jìn)行一定的支護(hù)，支護(hù)的具體形式與當(dāng)時(shí)的土質(zhì)有關(guān)。由于隨著隧道的縱向延伸，土質(zhì)差異明顯，這無疑增加了支護(hù)形式的種類。這樣導(dǎo)致的結(jié)果不僅延長(zhǎng)了工期，還增加了預(yù)算。還有一點(diǎn)，每隔一段距離就要設(shè)置監(jiān)控點(diǎn)，對(duì)建設(shè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2.3 鐵路沿線的安全防護(hù)

由于隴海線鐵路的供電設(shè)備存在很高的電壓，它能夠把距離其2m之內(nèi)的絕緣體變成導(dǎo)體。工人們?cè)谡５氖┕r(shí)很容易被擊穿身亡。所以，現(xiàn)場(chǎng)施工中采取了加兩道防護(hù)檔的措施，這樣也可阻止物體的落入。

三、基坑的開挖和支護(hù)

依照實(shí)際情況，把民大隧道深基坑的施工分為4個(gè)階段，采用挖掘機(jī)開挖，以人力作為輔助，并依照從高到低，從南至側(cè)后再到北側(cè)的挖掘順序。在挖掘過程中，秉承“分層開挖、嚴(yán)禁超挖”及“大基坑小開挖”的原則，遵循上面的步驟逐步進(jìn)行挖掘，另外還要同時(shí)搞好防護(hù)工作和錨索施工，待到錨索張拉壓漿結(jié)束強(qiáng)度符合要求后，再進(jìn)行下一層的開挖。當(dāng)挖掘達(dá)到指定深度時(shí)，立即進(jìn)行清除底部的工作，當(dāng)然抄平工作同時(shí)進(jìn)行，目的就是保證施工結(jié)果安全達(dá)標(biāo)。

整條線路有兩種支護(hù)方式，具體分類為：鋼筋混凝土排樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)和按率放坡加噴錨支護(hù)。圖1為正在加固的深基坑內(nèi)的隧道主體。

四、深基坑施工易發(fā)問題和處理

由于城市的地質(zhì)條件有時(shí)相當(dāng)復(fù)雜，施工建設(shè)工地的周邊范圍很可能存在鐵道線路、地下管道或高壓線等城市功能設(shè)施，地層內(nèi)部各種情況復(fù)雜多變，各種異常地質(zhì)構(gòu)造都有可能出現(xiàn)。所以，對(duì)基坑的總體穩(wěn)定和位移變量控制必須提出嚴(yán)格的要求。特別是在軟土、高水位及其它復(fù)雜條件下開挖基坑，容易產(chǎn)生土體滑移、基坑失穩(wěn)、樁體變位、基坑隆起、支擋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重漏水、流土等災(zāi)害，對(duì)周邊建筑物、地下建筑物及管線的安全可造成很大威脅。此事要立即采取恰當(dāng)?shù)拇胧┯枰詰?yīng)對(duì)。其中可以采用防護(hù)樁、支撐、止水樁、注漿措施、超前導(dǎo)管、錨桿、各種支護(hù)等有效補(bǔ)救措施進(jìn)行恰當(dāng)?shù)靥幚?。以保證工程的順利實(shí)施。比如在處理基坑隆起的情況時(shí)可采用加強(qiáng)支護(hù)及進(jìn)行地板施工的方法進(jìn)行有效地處理，可以大大減少基坑的隆起量另外還可有效控制地表沉降。此外，基坑內(nèi)出現(xiàn)管涌或流沙等現(xiàn)象；基坑支護(hù)的局部出現(xiàn)明顯裂縫與大面積的不均勻沉降；氣候出現(xiàn)異常情況，出現(xiàn)罕見的且持續(xù)多日的狂風(fēng)暴雨等不良?xì)夂颍幌噜徥┕ざ沃g的影響較嚴(yán)重，如降水、打樁以及土方開挖等施工工序中；地下有障礙物影響了基坑結(jié)構(gòu)或止水帷幕等的施工。在類似的事件發(fā)生后，要及時(shí)啟動(dòng)預(yù)先準(zhǔn)備的應(yīng)急預(yù)案，并盡快提出相應(yīng)的解決 方案。

圖1

施工材料的質(zhì)量問題也會(huì)影響到深基坑施工的安全。有些施工單位為了降低成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，在施工過程中偷工減料，使用的一些施工材料不符合施工標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，一些施工單位為了創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，不惜減少工程材料，違背工程設(shè)計(jì)原則，這些做法，都可能導(dǎo)致支護(hù)防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題，出現(xiàn)變形、滑坡、涌土等現(xiàn)象，影響到深基坑施工的安全。另外，施工管理不到位也會(huì)導(dǎo)致安全問題的產(chǎn)生，由于施工管理不到位，導(dǎo)致一些施工單位不能夠按照施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，一些施工單位為了實(shí)現(xiàn)工程利益最大化，采用陳舊的設(shè)備進(jìn)行施工，在施工中不能夠按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求進(jìn)行施工，采用落后的生產(chǎn)工藝，作業(yè)人員沒有安全意識(shí)，施工管理不嚴(yán)格，擅自改動(dòng)施工方式，導(dǎo)致深基坑施工質(zhì)量很難保證，支護(hù)防護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題，給深基坑的施工安全帶來隱患。

五、對(duì)策研究

深基坑開挖屬于一類復(fù)雜的地質(zhì)工程施工過程，它不僅牽扯到基坑自身強(qiáng)度與穩(wěn)定性的內(nèi)容，還關(guān)聯(lián)了周圍環(huán)境問題。合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案和科學(xué)施工手段是工程安全實(shí)施的基礎(chǔ)保障。下面再針對(duì)在臨近地鐵隧道地帶深基坑開挖問題，依托基坑變形控制標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了如下部分控制方法。

1 選擇合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系

在目前常見的深基坑施工過程中，選擇合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)要以安全為主。對(duì)于靠近地鐵隧道的深基坑工程要首先選用側(cè)移小、剛度大的地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)時(shí)常使用的支撐是鋼筋混凝土支撐及鋼管支撐，鋼筋混凝土支撐強(qiáng)度大，然而現(xiàn)澆強(qiáng)度養(yǎng)護(hù)要耗費(fèi)一定時(shí)間，此將加長(zhǎng)基坑開挖側(cè)的無撐暴露階段時(shí)間，在混凝土硬化階段可能發(fā)生土體蠕變情況，對(duì)周邊土層穩(wěn)固沒有好處；鋼管支撐的管強(qiáng)度雖較差，然而依托數(shù)根鋼管能夠提升強(qiáng)度，而且安裝快捷，可以最大限度的縮短無撐暴露階段的時(shí)間，預(yù)加軸力方便，進(jìn)而降低對(duì)周圍環(huán)境的不利作用。

2 必要的加固措施

基坑主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)的土體，都能夠有力抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及給周圍環(huán)境造成的不利影響。研究表明，在接近地鐵隧道側(cè)，加固基坑被動(dòng)區(qū)土體效果較好?？拥妆粍?dòng)區(qū)加固，能夠抵消擋墻在插入深度上的差距。在坑底存在大面積承壓水，而且不易用帷幕隔離時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意實(shí)施坑底滿堂加固的手段?；幼陨砑庸痰幕A(chǔ)上，加固基坑和地鐵隧道間的土體亦能夠明顯地降低對(duì)地鐵隧道的負(fù)面作用。加固方法分側(cè)向加固土柱和縱向加固土墻兩個(gè)樣式，前面的方法能有力地抑制地鐵隧道發(fā)生的水平位移量，然而其限制沉降效果不如后者，后者需要大體積的加固量。那些在基坑施工影響范圍內(nèi)一定要給予保護(hù)的構(gòu)筑物，須在基坑開挖之前給其實(shí)施預(yù)加固。

3 掌握必要的技術(shù)要點(diǎn)

要做好施工計(jì)劃，在深基坑施工之前，要仔細(xì)分 析施工方案，運(yùn)用科學(xué)的方法和手段制定可操作性的 施工計(jì)劃。大面積深基坑作業(yè)，由于施工量比較大，作業(yè)時(shí)間比較長(zhǎng)，在施工過程中就會(huì)增加許多的不確定因素，為了確保施工質(zhì)量，我們可以采用分段、分層、 分塊均勻等作業(yè)方式，可以邊挖邊澆筑，以實(shí)現(xiàn)工程作業(yè)的安全性以及穩(wěn)定性。深基坑作業(yè)地下水的處理問題，傳統(tǒng)的地下水處理的方式有兩種，一種是排水，一種是止水，具體采用哪個(gè)處理方式主要根據(jù)工程所處的地質(zhì)條件而定。近些年，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，許多工程開始采用素混凝土樁以及沖孔樁等介質(zhì)充當(dāng)支柱介質(zhì)來穩(wěn)固工程，這些方法對(duì)于保證工程質(zhì)量也起到了重要作用。此外，投入大型施工設(shè)備，運(yùn)用現(xiàn)代化的施工手段進(jìn)行施工，這樣，不但施工的進(jìn)度可以大大提高，而且施工的安全性也獲得了有效保障。

結(jié)語(yǔ)

隨著城市化進(jìn)程的加快和城鎮(zhèn)人口的增多，投建城市隧道工程是解決當(dāng)前交通壓力的有效途徑。然而，此項(xiàng)工程的具體施工是非常繁瑣、冗雜的，從開始的選址開挖、到材料的選擇與應(yīng)用以及周邊基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)等等工作都需要花費(fèi)大量的人力物力。這樣的工程的成功建成需要廣大科研工作者不但要有全局觀念，懂得統(tǒng)籌兼顧的重要性，還要有局部思維，懂得對(duì)具體的問題要具體分析。在復(fù)雜施工條件下城市隧道深基坑建設(shè)中，首先要對(duì)施工地點(diǎn)的地形地貌也就是水文地質(zhì)環(huán)境了如指掌，其次能夠針對(duì)不同的環(huán)境因素，設(shè)計(jì)出多種適宜的方案，并從中選出最優(yōu)者。

從以上可以看出，在城市隧道建設(shè)過程中，無論進(jìn)行哪個(gè)施工環(huán)節(jié)之前，都要有已成文的指導(dǎo)方案作指導(dǎo)。在施工建設(shè)中要做好相關(guān)工作，嚴(yán)格按照既定方案辦事。特別要注意深基坑建設(shè)的支護(hù)和對(duì)周圍環(huán)境設(shè)施的保護(hù)工作，這是此次蘭州市乃至所有城市完成城市隧道建設(shè)的關(guān)鍵工作。在工作中，還要及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決問題，確保施工任務(wù)保質(zhì)保量完成。

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中圖分類號(hào)：U455

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