城市隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)變更分析

游貴良

（廣州市花都區(qū)交通運輸局， 廣東 廣州 510800）

區(qū)別于地鐵隧道、 山嶺隧道埋深， 城市車行隧道往往埋深較淺， 覆土較薄， 土質(zhì)松軟易坍塌， 從施工安全和造價上考慮， 不適于采用傳統(tǒng)礦山法和盾構(gòu)法。 同時， 城市隧道的特點是用地受限， 隧道基坑周圍往往用地少， 建筑和地下管線密集。 這一特點決定了城市車行隧道較少采用放坡開挖， 而往往采用鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)支撐開挖。

1 工程概況

項目位于廣州某地， 屬亞熱帶季風氣候， 地勢相對平坦， 主要為河流沖積平原地貌單元， 局部為剝蝕殘丘地貌單元。 場地內(nèi)巖土層自上而下分為五層， 主要為人工填土層、 沖洪積土層、 坡積土層、 殘積土層和基巖（以細砂巖、 石英砂巖、 石灰?guī)r等）。

地表水系發(fā)達， 為河流和魚塘居多， 地下水較為豐富。 地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)的溶洞見洞率較高， 約為42%。項目按城市主干路進行設計， 設計車速60km/h， 寬度25.6m， 隧道段長1.8km， 隧道線位主要經(jīng)過農(nóng)田和村莊， 平面上的主要控制因素為現(xiàn)狀路網(wǎng)和規(guī)劃路網(wǎng)。 隧道洞口位置需結(jié)合既有和規(guī)劃道路進行合理設置。

2 隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)的設計及施工

根據(jù)基坑深度， 地質(zhì)情況及周圍地面條件等因素， 本工程隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)主要采用放坡開挖（坡面采用網(wǎng)噴混凝土防護）， 重力式擋墻、 SMW 樁， 鉆孔灌注樁、 地下連續(xù)墻等+2 ～5 道內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)型式。 樁深長約7 ～32m， 嵌固深度為3.5m～18m，圍護結(jié)構(gòu)頂設置冠梁。

2.1 放坡開挖

本工程在隧道敞口段及地質(zhì)條件、 現(xiàn)場條件等允許的情況下， 約有210m采用放坡開挖+土釘圍護的方式， 坡面采用網(wǎng)噴混凝土防護。 錨噴支護施工工藝流程： 土方開挖→修整邊壁→測量、 放線→埋設噴射砼厚度控制樁→安設泄水管→干配混凝土料→依次打開電、 風、 水開關(guān)、 噴射第一層砼→測量放線、 布孔位→鉆機就位→接鉆桿→校正孔位→調(diào)整角度→鉆孔（接鉆桿） →鉆至設計深度→安裝錨桿→壓力灌漿養(yǎng)護→焊接鋼筋網(wǎng)片→干配混凝土料→依次打開電、風、 水開關(guān)→進行噴射混凝土作業(yè)→混凝土面層養(yǎng)護（見圖1）。

圖1 三級放坡開挖設計圖

2.2 SMW 工法樁圍護開挖

基坑深度范圍小于7m的基坑， 根據(jù)地層情況，巖面較深段設計采用較為經(jīng)濟的SMW 工法樁圍護形式； 巖面較淺段考慮施工工藝的可施做性， 采用鉆孔灌注樁圍護型式。 主要施工工序： 平整施工場地、 清除地下障礙物→測量放樣→SMW 攪拌機就位→鉆進與攪拌（采用四攪四噴工藝） →棄土處理→插入型鋼→施工完畢→主體結(jié)構(gòu)施工后回收型鋼、 恢復既有地面。 其中， 三軸水泥攪拌樁施工完畢后， 吊機應立即就位， 準備吊放H型鋼， 采用插一跳一形式（見下圖2）。

圖2 攪拌樁和內(nèi)插型鋼（插一跳一型） 平面布置圖

2.3 鉆孔灌注樁施工工藝

本工程鉆孔灌注樁排樁支護結(jié)構(gòu)由支護樁、 內(nèi)支撐、 止水帷幕等組成。 Φ800mm、 Φ1000mm圍護樁采用旋挖鉆機施工。 項目采用Φ800mm、 Φ1000mm鉆孔灌注圍護樁+Φ800@1000mm三軸高壓旋噴樁止水帷幕。 主要施工工序： 施工準備→測量放樣→鉆機定位→鉆孔→清孔→鋼筋籠安裝→澆筑混凝土→驗樁（見圖3）。

圖3 Φ800 鉆孔樁圍護段典型橫斷面圖

鉆孔灌注樁具有剛度大， 可在深大基坑中使用；施工對周圍地層、 環(huán)境影響小等優(yōu)點。 但在含水比較豐富的地層中使用時， 需要和降水或止水措施（如攪拌樁、 旋噴樁） 配合使用。

2.4 地下連續(xù)墻施工工藝

本工程約910m采用800 厚地下連續(xù)墻+接頭旋噴樁止水圍護結(jié)構(gòu)。 主要施工工序： 施工準備→測量放樣→施工導墻→成槽機就位→成槽→清槽→驗槽→鋼筋籠安裝→再清槽→澆筑混凝土→檢驗。 見下圖4。

利用SPSS 20.0統(tǒng)計軟件處理實驗數(shù)據(jù),組間同類型計數(shù)比較使用x2檢驗,以“P<0.05”為比較差異有統(tǒng)計學意義。

圖4 地連墻施工工藝流程圖

地下連續(xù)墻具有剛度大、 適用于開挖深度大、 可適用于幾乎所有地層； 強度大， 變位小， 隔水性好，同時可兼作主體結(jié)構(gòu)的一部分； 可臨近建構(gòu)筑物， 環(huán)境影響小等優(yōu)點。 但也具有造價高昂的缺點。

地下連續(xù)墻水下灌注混凝土的質(zhì)量及澆筑應做到： ①砼坍落度控制到18cm～22cm， 擴散度為340 ～380mm， 灌注混凝土前必須有混凝土配合比報告， 并應現(xiàn)場測試坍落度； ②混凝土初凝時間不得小于6hl；③保證混凝土的和易性， 混凝土到現(xiàn)場后應及時澆灌入槽； ④水下混凝土應采用導管法連續(xù)澆筑。 導管水平布置距離不應大于3m， 距槽段端部不應大于1.5m，導管下端距槽底宜為300 ～500mm； 鋼筋籠吊裝就位后應及時澆筑混凝土， 間隔不宜大于4h。

3 工程變更分析

由于本工程地處廣州地區(qū)， 降雨充沛， 且相應隧道段基坑地表主要位于某干渠和某河流域， 基坑深度范圍砂層分布較廣， 地層含水率高， 從工程安全風險可控性角度考慮， 結(jié)合同類工程經(jīng)驗， 原基坑支護結(jié)構(gòu)施工圖設計方案采用了地下連續(xù)墻方案。

后經(jīng)相關(guān)民航部門明確， 本工程位于某航線范圍內(nèi)， 相應隧道段航空限高35m～40m。 由于航空限高，原地下連續(xù)墻施工方案中， 地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝高度受到影響， 鋼筋籠需分幾次搭接才能完成吊裝， 而鉆孔灌注樁的鋼筋籠尺寸較小， 吊裝較為靈活， 需搭接的次數(shù)較少， 可大大節(jié)約吊裝時間和混凝土灌注時間，圍護結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量容易得到保障， 具體計算分析如下。

3.1 地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝計算說明[3 ～4]

1） 連續(xù)墻鋼筋籠碰主臂長度計算， 選擇計算主吊機（150 噸） 垂直高度時， 吊車其主臂變幅仰角為30°～83°， 現(xiàn)考慮取a=75°。 不僅要考慮主吊臂架最大仰角75°和最大尺寸、 重量的鋼筋籠為標準， 而且要考慮鋼筋籠吊起后能旋轉(zhuǎn)180°， 不碰撞主吊臂架（見下圖5）。 加工制作的扁擔同鋼筋籠取6m， 滿足BC距離不小于3.0m（6m/2） 的條件； 考慮主臂桁架寬度（寬度為1.6m）， 即主臂外側(cè)邊C到吊臂終點D距離為0.8m， 所以取BD=4.0m≥3 +0.8 =3.8m， 進行計算。

圖5 地連墻鋼筋籠吊裝示意圖

h=AB=BD·tan75°=14.9m（BD=4m）

h的長度： 本工程的連續(xù)墻冠梁高度為1m， 考慮上部吊環(huán)（0.3m） 及扁擔的高度（0.5m） 及鋼筋籠變形影響， 取h為2m（2≥1 +0.3 +0.5）。 故連續(xù)墻鋼筋籠上部最少安全起吊高度為： H=h+h=14.9+2 =16.9m。

2） 分節(jié)吊裝次數(shù)計算， 根據(jù)民航部門要求， 本工程的地下連續(xù)墻鋼筋籠吊裝時限制高度為35m～40m。 取40m， 根據(jù)以上計算說明， 施工機具的最大限高高度為： H=40 -地面標高-安全距離=40 -15.95 （平整場地后標高） -1 =23.05m； 而連續(xù)墻鋼筋籠上部最少安全起吊高度為： H=16.9m； 鋼筋籠離地面高度： H=0.2m； 即連續(xù)墻鋼筋籠分節(jié)吊裝的長度： L=H-HH=23.05 -16.9 -0.2 =5.95m本工程最長的連續(xù)墻鋼筋籠為31m， 即N=31 ÷5.95=5.21， 取6； 最短的連續(xù)墻鋼筋籠為14m， 即N=14 ÷5.95 =2.35， 取3； 故連續(xù)墻鋼筋籠分節(jié)吊裝工藝最少為3 次吊裝， 最多為6 次吊裝。

3 次吊裝的最快時間為： T=2 ×3 =6h。

4 次吊裝的最快時間為T=2 ×4 =8h。

5 次吊裝的最快時間為T=2 ×5 =10h。

6 次吊裝的最快時間為T=2 ×6 =12h。

（實際施工時間大于此時間）

3.2 鉆孔灌注樁鋼筋籠吊裝計算說明

選擇計算主吊機（30t） 垂直高度時， 吊車主臂變幅仰角為30°～83°， 現(xiàn)考慮取a=75°。 不僅要考慮主吊臂架最大仰角75°和最大尺寸、 重量的鋼筋籠為標準， 而且要考慮鋼筋籠吊起后能旋轉(zhuǎn)180°， 不碰撞主吊臂架（見下圖6）。 吊機按采用30t， 吊車主臂寬度取1m（吊機上部主臂實際寬度小于1m）， 一半為0.5m， CD取0.6m（0.6≥0.5）； 鋼筋籠為1.2m， 一半為BC=0.6m。 即BD取1.2m （1.2≥0.5 +0.6），見下圖。

圖6 鉆孔灌注樁鋼筋籠吊裝示意圖

h=AB=BD·tan75°=4.48m（BD=1.2m）

故鉆孔樁鋼筋籠上部最少安全起吊高度為H=h=4.48m。 （不用考慮吊環(huán)影響， 已超出影響距離），同上施工機具的最大限高高度為： H=40 -15.95 -1=23.05m； 鋼筋籠離地面高度： H=0.2m； 即鉆孔樁鋼筋籠分節(jié)吊裝的長度： L=H-HH=23.05 -4.48 -0.2 =18.37m本工程最長的鋼筋籠為31m， 即N=31 ÷18.37 =1.69， 取2； 最短的連續(xù)墻鋼筋籠為14m～17m≤L=18.37， 即N取1； 故轉(zhuǎn)孔樁鋼筋籠分節(jié)吊裝工藝最少為1 次吊裝， 最多為2 次吊裝。 根據(jù)同等施工經(jīng)驗， 鉆孔灌注樁鋼筋籠分2 次吊裝， 1h內(nèi)可以完成吊裝工藝。

3.3 工程質(zhì)量對比分析

根據(jù)以上吊裝鋼筋籠的計算分析， 由于受到航空限高的影響， 本工程若采用地下連續(xù)墻施工工藝， 將導致需分節(jié)吊裝鋼筋籠（做多需分6 次吊裝）， 遠遠超出原設計要求“如果采用分段吊裝， 則優(yōu)先采用二次吊裝工藝” 的預期， 且僅地下連續(xù)墻鋼筋籠的吊裝時間最長將超12h， 遠遠無法滿足地下連續(xù)墻混凝土澆筑“鋼筋籠吊裝就位后應及時澆筑混凝土， 間隔不宜大于4h” 的要求， 況且施工現(xiàn)場還需考慮溶洞處理問題。 因此， 在航空限高范圍內(nèi)采用地下連續(xù)墻方式施工隧道圍護結(jié)構(gòu)不符合混凝土凝期要求， 澆筑混凝土過程中， 需中斷， 且中斷時間不可控， 最終將導致地下連續(xù)墻存在“墻壁坍塌”、 “墻體夾渣” 等的風險， 墻體施工質(zhì)量不可控。 而采用鉆孔灌注樁+高壓旋噴止水帷幕工藝施工， 鋼筋籠最多只要分2 次進行分節(jié)吊裝， 一般只需1h 就可以完成吊裝， 且鉆孔灌注樁工藝對于處理溶洞比較靈活， 成樁質(zhì)量易于得到保證。

鑒于此， 本工程受航空限高相應隧道段圍護結(jié)構(gòu)施工工藝由“地下連續(xù)墻” 的支護結(jié)構(gòu)變更為“鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁止水帷幕” 支護結(jié)構(gòu)， 是必要的。 后續(xù)， 建設、 設計、 施工、 監(jiān)理等各單位對該項變更進行了討論， 組織了專家論證， 履行變更程序后， 進行的變更現(xiàn)場達到預期效果， 且節(jié)約了工程造價（見圖7）。

圖7 現(xiàn)場鉆孔灌注樁圍護+止水帷幕實施效果圖

4 結(jié)語

本文通過對航空限高情況下， 城市隧道基坑圍護結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻和鉆孔灌注樁兩種施工工藝的鋼筋籠吊裝進行計算和對比分析， 得出結(jié)論： 在低凈空施工條件下， 地下連續(xù)墻鋼筋籠由于體積龐大， 需要分多節(jié)（最多6 節(jié)） 進行吊裝， 最終的施工時間超12h，不符合鋼筋籠安放后需要在4h 內(nèi)進行混凝土澆筑的規(guī)定， 同時， 地連墻在處理溶洞時不夠靈活， 施工質(zhì)量將無法得到保證； 鉆孔灌注樁施工工藝， 由于其尺寸相對較小， 受航空限高影響較小， 約1h 內(nèi)即可完成鋼筋籠的吊裝， 且在溶洞處理上比較靈活， 最終的成樁質(zhì)量容易得到保證。