明挖隧道高低坑設(shè)計(jì)計(jì)算方案研究

蔣祝金

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海市 200092）

1 工程概述

上海諸光路通道是國家會展中心(上海)配套道路建設(shè)項(xiàng)目，為國家會展與虹橋區(qū)域提供一條北部快速疏解通道，起到保障會展和促進(jìn)區(qū)域發(fā)展的重要作用。諸光路通道與S26高架連接，大大緩解延安高架不堪重負(fù)的交通壓力。

該隧道工程連接閔行和青浦，中間區(qū)段采用盾構(gòu)法施工，南北兩側(cè)采用明挖法施工。主線與匝道的并行段采用明挖法施工，位于通道南側(cè)，松澤高架以北，現(xiàn)狀諸光路的徐靈路與龍聯(lián)路之間的范圍，見圖1。

圖1 主線與匝道并行平面圖

在平面上，主線隧道與匝道并行前進(jìn)；在豎向上，主線幾乎水平前進(jìn)，而匝道上行并逐漸爬出地面。在這種情況下，主線與匝道之間就會出現(xiàn)高差。相對于中間增設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、兩次開挖的分坑實(shí)施方案，具有工期和造價優(yōu)勢的合坑實(shí)施方案，成為了高性價比的圍護(hù)設(shè)計(jì)方案。受限于主線與匝道的豎向高差不斷變化，高低坑是不可回避且設(shè)計(jì)當(dāng)中經(jīng)常遇到的問題，見圖2。

圖2 主線與匝道剖面位置圖

對于圍護(hù)斷面，若按照深坑深度進(jìn)行計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)過長，插入比大，造成浪費(fèi)；而按照淺坑深度進(jìn)行計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)過短，風(fēng)險增加。

為解決上述兩難的問題，本文提出了一種設(shè)計(jì)計(jì)算思路，建議按深坑深度進(jìn)行計(jì)算，同時將深坑以上的土體自重考慮為壓重荷載，作用于基坑坑底，進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性計(jì)算。

2 工程地質(zhì)條件

擬建場地為濱海平原地貌類型，自上而下可分為八個大層，11個亞層及1個夾層。其中①層為近代人工堆填，②1～⑤3層為第四紀(jì)全新世Q4沉積層，⑥～⑧2層為第四紀(jì)上更新世Q3沉積層。

主線隧道的底板落于③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，匝道底板落于逐漸由③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土到②層粉砂層。

地下水由淺部土層中的潛水及賦存于⑦1、⑦2及⑧2層中的承壓水組成。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，設(shè)計(jì)時地下水潛水水位按上海市年平均水位埋深0.5 m采用。⑦1、⑦2及⑧2層大部分連通，承壓水水位一般低于潛水位，年呈周期性變化，埋深3.0～12.0 m，詳勘期間承壓水位為4.83～5.12 m。

土層參數(shù)見表1。

表1 場地土層參數(shù)表

3 高低坑節(jié)點(diǎn)研究[1-4]

3.1 圍護(hù)設(shè)計(jì)斷面

根據(jù)諸光路通道道路的總體布置，在里程范圍SK2+305.010～+385.271，主線隧道向南水平前進(jìn)，而匝道上升爬出，逐漸由暗埋變化為敞開，最后接地。該段高低坑縱向長度約80 m，基坑坑內(nèi)主線與匝道存在有高差。在該范圍內(nèi)，深坑深度約為11 m，淺坑深度為0～9.5 m，屬于軟土地區(qū)深基坑，采用排樁+內(nèi)支撐支護(hù)形式。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》3.1.3條和上海市《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》3.0.1～2條，基坑安全等級為二級，環(huán)境保護(hù)等級為二級。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用 ?800@950鉆孔灌注樁，坑外設(shè)置一圈封閉的三軸攪拌樁?850@600三軸攪拌樁止水帷幕，首道支撐設(shè)置為混凝土支撐，其余設(shè)置為鋼支撐，立柱樁兼做抗浮樁。在基坑的高差位置處，通過設(shè)置重力式擋土墻解決?；訉?shí)施工序?yàn)椋鹤陨隙?，依次隨挖隨撐，直至坑底；待底板澆筑并達(dá)到強(qiáng)度后，自下而上，依次澆筑養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)墻、頂板，拆除相應(yīng)鋼支撐或混凝土支撐，直至頂板完成，覆土回填，圍護(hù)設(shè)計(jì)斷面見圖3。

3.2 圍護(hù)計(jì)算

針對上述高低坑斷面，由于基坑深度不同，若兩側(cè)均采用同樣的圍護(hù)樁長是不合理的；針對淺坑，若采用淺坑深度計(jì)算亦是不合理的。

針對上述圍護(hù)斷面，可采用如下簡化計(jì)算模型，見圖4。對于深坑，仍然按照對應(yīng)深度計(jì)算，而對于淺坑，可按照深坑的深度進(jìn)行計(jì)算，同時考慮深坑以上的土層自重，按厚度折算為壓重荷載，作用于坑底內(nèi)側(cè)。計(jì)算斷面仍然按照較深基坑計(jì)算內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性，見圖4。

圖4 圍護(hù)斷面簡化計(jì)算模型（單位：mm）

壓重荷載的作用寬度與淺層土層同寬，荷載大小由土層的重度和厚度計(jì)算所得。

3.3 計(jì)算結(jié)果對比

基于上述簡化模型，圍護(hù)樁長為22 m，對于深度分別為11 m、11 m并考慮土體自重和9.5 m三種斷面，進(jìn)行對比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 變形和穩(wěn)定性結(jié)果對比

結(jié)果顯示，基坑深度越淺，穩(wěn)定性系數(shù)越高，越容易滿足規(guī)范要求。本基坑斷面的計(jì)算結(jié)果由坑底抗隆起穩(wěn)定性系數(shù)控制。對于較淺的深度，穩(wěn)定性系數(shù)很容易滿足規(guī)范要求，但坑底不是半無限土體，與實(shí)際的開挖工況不符；若按照較深的深度計(jì)算，不考慮淺層土體自重的有利影響，樁長不滿足坑底抗隆起的規(guī)范要求，1.77＜1.90，需增加圍護(hù)樁長，造成浪費(fèi)；若按照較深的深度計(jì)算，并考慮淺層土體自重的有利作用，1.93≥1.90，滿足穩(wěn)定性各項(xiàng)指標(biāo)的要求，與實(shí)際施工的工況相符合，計(jì)算合理。

3.4 計(jì)算樁長對比

針對上述三種不同的工況，需滿足整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、坑底抗隆起穩(wěn)定性、墻底抗隆起穩(wěn)定性和抗?jié)B流穩(wěn)定性等的穩(wěn)定性指標(biāo)的規(guī)范要求，計(jì)算所需樁長見表3。

表3 樁長結(jié)果對比

由表3可知，若考慮淺層土體荷載壓重的有利影響，樁長相對于淺坑，增加了2 m；相對于深坑，減少了2.3 m，該樁長取值更為合理。

4 結(jié) 論

本文提出了一種高低坑的設(shè)計(jì)計(jì)算方案?；影瓷羁佑?jì)算，同時考慮淺坑土體壓重的有利影響，復(fù)核圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；高低坑設(shè)計(jì)方法較為合理。相對于淺坑，不冒險；相對于深坑，不浪費(fèi)；在粉質(zhì)黏土層中，若按照該方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，相較于深坑的計(jì)算結(jié)果，樁長可減少2.3 m。

該段隧道基坑的土建結(jié)構(gòu)已于2017年12月施工完成，施工實(shí)踐進(jìn)一步證明設(shè)計(jì)方案安全可行，為今后類似的工程具有一定的參考意義。