敏感環(huán)境下明挖隧道設(shè)計(jì)方案研究

陳廣深

摘要：穿越城市等敏感環(huán)境的明挖隧道是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)高、難度大的系統(tǒng)工程，需要在充分掌握地質(zhì)資料、全面分析對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物影響的基礎(chǔ)上，制定出合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)體系和加固工程措施。文章以南寧-崇左城際鐵路項(xiàng)目留村工程明挖段為例，通過(guò)分析研究地質(zhì)資料和周邊建（構(gòu)）筑物關(guān)系，系統(tǒng)性地介紹了敏感環(huán)境下選用圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)體系和加固工程措施的方法和過(guò)程，為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：明挖隧道;城市隧道;深基坑;圍護(hù)結(jié)構(gòu);建（構(gòu)）筑物保護(hù)

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U452.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著城市化建設(shè)的迅速發(fā)展，公路、鐵路、市政等線性工程面臨穿越密集建筑、管線、橋梁、地鐵等敏感環(huán)境的工況日益增多，而隧道方案作為地下工程，具有對(duì)環(huán)境影響小、占地少、穿越性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此常在穿越敏感環(huán)境的工況下被選用。本文以在建南寧-崇左城際鐵路（速度目標(biāo)值為250 km/h）項(xiàng)目的控制性工程——留村隧道為例，對(duì)敏感環(huán)境下明挖隧道的設(shè)計(jì)方案開(kāi)展研究，拋磚引玉，以便后續(xù)同類(lèi)型隧道項(xiàng)目參考。

1 隧道概況

留村隧道位于南寧市區(qū)，隧道起始于鐵路樞紐南化站北側(cè)，依次下穿[XC湴.TIF，JZ]綠村（城中村）、在建亭洪路延長(zhǎng)線、壯錦大道、南站大道，沿留村路下方自北向南前行，在留村路與那洪大道路口上跨在建地鐵4號(hào)線區(qū)間隧道，終止于留村路南端盡頭西側(cè)。全隧道穿越多處鐵路、地鐵、在建道路、密集建筑物等重大環(huán)境敏感點(diǎn)，是本工程實(shí)施的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

由于平面條件控制，全隧限速100～160 km/h，隧道按160 km/h設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)口樁號(hào)為DK4+120，出口樁號(hào)為DK9+845，全長(zhǎng)5 725 m，屬于鐵路長(zhǎng)隧道，采用明挖法+盾構(gòu)法開(kāi)挖，其中明挖段長(zhǎng)1 805 m，盾構(gòu)段長(zhǎng)3 920 m。隧道采用單洞雙線結(jié)構(gòu)形式，線間距為4.2～4.324 m。

隧道縱斷面為V型坡，最大線路縱坡為24.7‰，最小縱坡為2.3‰，豎曲線最小半徑為10 000 m，最大半徑為15 000 m。隧道覆土2～48 m。

2 工程地質(zhì)

隧址上覆主要為第四系全新統(tǒng)（Q4ml）人工填筑土，第四系更新統(tǒng)（Qp）粉質(zhì)黏土及圓礫土;下伏基巖為上第三系中更新統(tǒng)中段（N12）砂質(zhì)泥巖夾含礫砂巖、粉砂，下段（N11）砂質(zhì)泥巖夾鈣質(zhì)砂巖、粉砂巖。隧區(qū)附近地表水主要為邕江水，為常年流水，水量大。隧區(qū)內(nèi)地下水主要為第四系孔隙潛水及碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水。

3 明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型

圍護(hù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型選擇需依據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、環(huán)境情況、開(kāi)挖深度、施工方法、工期、工程造價(jià)、地區(qū)常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式等邊界條件，經(jīng)綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。一般情況下的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

土釘墻支護(hù)具有施工速度快、用料省、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，需要放坡，占用的施工場(chǎng)地較排樁大，而且基坑變形一般大，因此多用于周邊沒(méi)有建（構(gòu)）筑物、管線保護(hù)要求的較淺基坑。

排樁可采用鉆孔灌注樁、旋挖樁或人工挖孔樁，與內(nèi)支撐、錨索等體系配合使用，并結(jié)合坑外降水，可有效控制基坑變形，可用于周邊建（構(gòu)）筑物及管線較多、深度較深的基坑。

地下連續(xù)墻支護(hù)特點(diǎn)在于自身可形成止水帷幕，搭配坑內(nèi)降水，可有效控制基坑變形。地下連續(xù)墻支護(hù)可用于周邊建（構(gòu)）筑物及管線較多、深度較深的基坑，但連續(xù)墻工程費(fèi)用高于排樁支護(hù)，且存在施工占地大，管理不善易造成現(xiàn)場(chǎng)污染的缺點(diǎn)。

隧道明挖段主要位于南寧市區(qū)，周邊建構(gòu)筑物密集、地下管線復(fù)雜，為盡量減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，綜合比選后，采用排樁+內(nèi)支撐支護(hù)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)參數(shù)的選用及驗(yàn)算

3.2.1 支護(hù)參數(shù)的選用

圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，樁直徑為1 m，間距為1.4 m，圍護(hù)樁的嵌入深度為5 m。豎向采用3道支撐+1道倒撐，均為鋼管支撐，水平間距為3 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

3.2.2 計(jì)算圖示與荷載

圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算模擬施工全過(guò)程，按荷載“增量法”原理進(jìn)行。基坑外側(cè)土壓力按朗肯主動(dòng)土壓力計(jì)算，開(kāi)挖面以下用一組彈簧模擬地層水平抗力。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，其荷載主要有：

（1）結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土自重按25 kN/m3計(jì)算;

（2）水土側(cè)壓力：施工階段按朗肯主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算，黏性土采用水土合算，其余采用水土分算。

（3）地面超載：按20 kN/m2考慮。

由于明挖段地面存在一定起伏，基坑深度在一定范圍內(nèi)變化，本文以具有代表性的開(kāi)挖深度為22.5 m的明挖段基坑為例展開(kāi)分析，其斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算如圖1所示。

3.2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)控制內(nèi)力、變形包絡(luò)如圖2所示。表2為圍護(hù)樁單樁最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值。

經(jīng)計(jì)算分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值均<0.1%H（H為基坑深度），滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求。

4 隧道明挖段穿越敏感環(huán)境加固措施

經(jīng)調(diào)查，明挖隧道范圍周邊存在大量建（構(gòu)）筑物等敏感環(huán)境，主要如下：

（1）房屋：主要是沿著路側(cè)的建筑，包括：進(jìn)口段[HTXH1]湴綠村民房、富源小區(qū)、華聯(lián)超市、南寧奧園小區(qū)、奧園幼兒園、留村民房等。

（2）現(xiàn)有（規(guī)劃）地鐵隧道：上跨地鐵4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道。

（3）在建市政路：下穿亭洪西路立交橋（在建）。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初擬了明挖隧道穿越敏感環(huán)境的主要設(shè)計(jì)原則和主要工程措施，并在具體分析明挖施工對(duì)各類(lèi)建（構(gòu)）筑物影響的基礎(chǔ)上，制定了具體處理措施。

4.1 主要設(shè)計(jì)原則

（1）綜合考慮建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)型式、現(xiàn)狀及與明挖隧道關(guān)系、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境等因素，因地制宜，擬定相應(yīng)的技術(shù)措施，以確保明挖施工安全和建（構(gòu)）筑物、地下管線的正常使用。

（2）若建（構(gòu)）筑物（或基礎(chǔ)）位于明挖隧道基坑一倍深度范圍內(nèi)，原則上需要在基坑開(kāi)挖前對(duì)建（構(gòu)）筑物（或基礎(chǔ)）加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，并在降水過(guò)程中于建筑物周邊布置回灌井。一旦開(kāi)挖過(guò)程中變形監(jiān)測(cè)指標(biāo)超限，應(yīng)對(duì)該建（構(gòu)）筑物基礎(chǔ)進(jìn)行袖閥管注漿加固。

（3）一般情況下，地表及道路沉降控制在30 mm以內(nèi)，并以20 mm作為安全警界值，但當(dāng)下穿建（構(gòu)）筑物時(shí)，控制值應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范及相關(guān)權(quán)屬部門(mén)的要求。

4.2 主要工程措施

（1）地面補(bǔ)償注漿

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，導(dǎo)致基坑周邊地表沉降超限，采取通過(guò)地面在地層特定位置預(yù)埋注漿管的方式完成。注漿材料以水泥漿液為主，注漿參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并在注漿施工過(guò)程中根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息進(jìn)行調(diào)整。

（2）加強(qiáng)基坑支護(hù)

為控制地表變形，增加基坑穩(wěn)定性，第一道支撐采用鋼筋混凝土撐。

（3）回灌井

基坑降水工程中，在需保護(hù)的建筑物周邊設(shè)置回灌井，確?；咏邓^(guò)程中建筑物安全?；毓嗑Y(jié)構(gòu)及成井工藝與降水井相同?；毓嗑鼙诮壴鶤50 mmPVC花管作為水位觀測(cè)井孔。

（4）針對(duì)性設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)特殊且施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)較高的建（構(gòu)）筑物，采用特殊的針對(duì)性措施。

（5）監(jiān)控量測(cè)

明挖施工及相關(guān)工程措施施工過(guò)程中，針對(duì)相應(yīng)范圍內(nèi)的隧道結(jié)構(gòu)、地層地表、建（構(gòu)）筑物及地下管線，進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測(cè)，實(shí)行信息化施工。根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息，調(diào)整、優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)，以確保明挖施工安全和建（構(gòu)）筑物、地下管線的正常使用，必要時(shí)采取應(yīng)急措施。

4.3 穿越重點(diǎn)敏感地段分析

4.3.1 下穿亭洪路立交橋

DK4+391.697～DK4+494.560明挖隧道下穿在建亭洪西路延長(zhǎng)線立交橋，隧道開(kāi)挖基坑邊緣與橋墩的凈距約為3～4 m，基坑相鄰的橋樁基礎(chǔ)長(zhǎng)約54～65 m。該段隧道基坑深度約18～19 m，主要位于泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖地層。

由于立交橋項(xiàng)目先于留村隧道施工，因此經(jīng)建設(shè)單位協(xié)調(diào)后，隧道下穿亭洪路立交橋段圍護(hù)樁及隔離樁等防護(hù)措施由亭洪路立交橋項(xiàng)目代建并同步實(shí)施。

為控制留村隧道開(kāi)挖造成亭洪路立交橋的結(jié)構(gòu)變形及破壞，采取了如下措施：

（1）亭洪路立交橋建設(shè)期間提前施作隔離樁加固，隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)排樁;

（2）加強(qiáng)基坑支護(hù)措施，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐;

（3）受影響的橋墩周邊布設(shè)水位觀測(cè)井及回灌井，確保既有建（構(gòu)）筑物安全;

（4）在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)橋梁的變形加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

4.3.2 上跨地鐵4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間

留村隧道在那洪大道與留村路口正下方上跨地鐵4號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間（在建），結(jié)構(gòu)凈距為2.3 m。經(jīng)建設(shè)單位協(xié)調(diào)DK8+977.522～DK9+010.722為上跨地鐵4號(hào)線先期施工段，由地鐵4號(hào)線項(xiàng)目代建圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地鐵盾構(gòu)穿越部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)鉆孔樁采用玻璃纖維筋，在留村隧道襯砌底板下方設(shè)置板凳樁及壓板進(jìn)行加固。

4.3.3 臨近建筑物

明挖段隧道臨近建筑物較多，以進(jìn)口段DK4+490線路左側(cè)的6層民房建筑為例：該建筑為6層磚混結(jié)構(gòu)，換填基礎(chǔ)，埋深約2.5 m，距離隧道基坑約10.3 m。為減小基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物的影響，采取了以下措施：

（1）加強(qiáng)基坑支護(hù)措施，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐;

（2）預(yù)留地面補(bǔ)償注漿措施;

（3）基坑開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)影響范圍內(nèi)民房的變形加強(qiáng)監(jiān)測(cè);

（4）在受影響的建構(gòu)筑物周邊布設(shè)水位觀測(cè)井及回灌井，確保既有建筑物安全。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)留村隧道明挖段穿越密集建（構(gòu)）筑物等敏感環(huán)境所采用的排樁、隔離樁、板凳樁、袖閥管注漿、回灌井、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等工程措施進(jìn)行分析研究，為后續(xù)相似工程的建設(shè)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]TB10003-2016，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]JGJ123-2012，既有建筑地基基礎(chǔ)加固技術(shù)規(guī)范[S].