石家莊六線隧道深基坑圍護體系設計探討

萬 清

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概況

石家莊六線隧道位于石家莊市區，自北向南縱穿石家莊市，是一個六線并行(局部七線)、普速與高速混行的龐大地下隧道工程，隧道包含京石客專、改建京廣、石青客專和石太聯絡線，隧道主體全長4 980 m，隧道布局及外部控制情況見圖1。

圖1 石家莊六線隧道總平面示意

隧道標準結構斷面寬度約40 m，結構高度約13 m(圖2)。此類穿城入地的大型隧道工程，其規模和性質在國內尚屬首例。

圖2 石家莊六線隧道三跨標準斷面示意(單位:cm)

隧道大部分段落采用明挖法施工，明挖基坑標準段寬約40 m，深約20 m，為長大深基坑工程。

隧道穿越城市中心地帶，周邊建筑物稠密、城市道路眾多、各種地下地上管線密布，在隧道施工期間，西側既有線需繼續運營，隧道最西側線路中線距離最近既有線中線最小距離約為16.6 m，同時，隧道所處地層地質條件較差，為松散的砂土地層，全部為Ⅵ級圍巖，因此隧道周邊環境極其復雜。

2 工程地質及水文地質情況

2.1 場地工程地質條件

(1)地形地貌

隧道地處山前沖洪積平原區內，沿線地形平坦，地面高程70.81 ～74.53 m。

(2)地層巖性

隧道場區勘探深度內巖性主要為新黃土、黏性土、粉土、砂類土及碎石土。隧道穿過地層大部分為砂類土和粉質黏土，為松散堆積層，其圍巖分級為Ⅵ級。

(3)場地類別為Ⅲ類，場地土類型為中軟～中硬場地土。

(4)地震動峰值加速度值為0.10g，對應地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤標準凍結深度0.6 m。

2.2 水文地質特征

地下水為第四系孔隙潛水，含水層為砂、卵石層，主要由大氣降水補給，近5年的地下水水位埋深45～50 m，在基坑開挖深度以下。

3 圍護結構設計比選

圍護結構的選型不僅與地質條件和環境條件有關，還取決于工期要求、工程造價和施工企業的工程經驗以及擁有的設備條件等。設計前，針對石家莊六線隧道的地質情況、周邊環境及工程特點，選擇了明挖基坑常用的鉆孔灌注樁、地下連續墻、鉆孔咬合樁、SMW工法勁性水泥土攪拌樁以及復合土釘墻等圍護結構形式進行了深入的技術、經濟分析和比較。

3.1 各種圍護結構優缺點比較(表1)

表1 各種圍護結構優缺點比較

3.2 經濟比較

幾種強度和剛度均能滿足基坑支護要求的圍護結構形式經濟造價對比分析見表2。

表2 各種圍護結構經濟比較

4 支撐體系比選

支撐體系的選擇不僅與圍護結構有關，還取決于基坑周邊環境條件等，設計前，針對石家莊六線隧道的地質情況、周邊環境及工程特點，選擇了明挖基坑常用的鋼筋混凝土支撐、鋼管支撐和錨索進行了深入的技術、經濟分析和比較。

4.1 各種支撐體系的優缺點分析(表3)

4.2 造價比較

幾種適用的支撐體系經濟造價對比分析結果見表4。

5 圍護體系比選結論

5.1 基坑安全等級劃分

石家莊六線隧道屬于國鐵城市隧道，位于城市中心區域，周邊環境復雜，特別是旁側有運營的既有鐵路線，針對石家莊六線隧道的地質、環境及工程特點，經過慎重考慮，同時比照國內地鐵明挖基坑的變形控制保護等級標準，最后確定隧道明挖長大深基坑工程按段落分別按一級、二級基坑變形控制保護等級來控制，并制定保護等級標準，見表5。

表3 各種支撐體系優缺點比較

表4 各種支撐體系經濟比較

表5 基坑變形控制保護等級標準

5.2 圍護體系的選擇

通過對明挖基坑常用的各種圍護結構及支撐體系的比選分析，結合石家莊六線隧道的地質情況、周邊環境及工程特點，確定隧道圍護結構采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，一級基坑段落支撐體系采用1道或2道鋼筋混凝土支撐+下部幾道錨索，二級基坑段落采用基坑上部土釘墻放坡+下部幾道錨索，理由如下:

(1)石家莊六線隧道明挖基坑處于黏土及砂土地層，且地下水位較深，沒有必要選擇造價較高的具有隔水效果的地下連續墻等圍護結構形式;

(2)鉆孔灌注樁具有剛度大、整體性好、位移變形小等優點，且造價相對較低;

(3)鉆孔灌注樁可使用數臺機械同時施工技術成熟，專業性一般，有利于保證施工進度，確保工期目標;

(4)錨索支撐體系可為施工提供更加寬闊的場地，方便使用大型機械進行土方開挖，且不妨礙后期主體結構的施工，有利于快速施工。同時，在此類寬大深基坑工程中，錨索支撐體系造價相對較低;

(5)一級基坑段落頂部采用1道或2道鋼筋混凝土撐有利于控制基坑變形，確保周邊環境安全，特別是既有線的運營安全;

(6)二級基坑段落周邊環境相對開闊，基坑上部適當采用土釘墻放坡形式可減短圍護樁長度，節省投資。

5.3 圍護體系設計參數

確定圍護結構及支撐體系形式后，經理論計算，石家莊六線隧道圍護結構設計參數如下。

(1)一級基坑段落采用φ1 200 mm@1 800 mm鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護形式。在避開主體結構高度的前提下，基坑較深的段落采用兩道混凝土撐，基坑較淺段落采用一道混凝土撐，混凝土撐截面800 mm×900 mm，支撐間距6 m，基坑中部設格構柱，錨索采用4束 φ15.2 mm的鋼絞線，錨索間距1.8 m(一樁一錨)。如圖3所示。

圖3 鉆孔灌注樁+混凝土支撐+錨索圍護體系示意(單位:mm)

(2)二級基坑段落采用φ1 000 mm@1 500 mm鉆孔灌注樁+預應力錨索(基坑上部約3 m土釘墻放坡)的圍護形式。第一道錨索采用3束φ15.2 mm的鋼絞線，錨索間距3 m(隔樁一錨)，下面幾道錨索采用4束 φ15.2 mm 的鋼絞線，錨索間距 1.5 m(一樁一錨)，土釘墻采用φ22 mm鋼筋。如圖4所示。

6 明挖基坑施工情況綜述

6.1 基坑施工過程中遇到的問題和解決方案

(1)砂層錨索注漿量增加的問題

問題描述:基坑錨索穿越的地層從上至下依次如下所述，雜填土、新黃土、中粗砂、粉質黏土、粉砂和中粗砂。大部分錨索錨固段位于干燥砂層，原設計按照規范考慮注漿只是把鉆孔填滿，未考慮擴散，實際施工過程中，結合鐵道部課題研究(《城市鐵路大跨地下工程施工安全技術研究》(2009G006-B))，錨索二次注漿壓力增大，砂層內錨索注漿漿液擴散較為嚴重。

解決方案:為了確保預應力錨索錨固力達到設計值，保證基坑安全，根據現場多次試驗結果，預應力錨索以二次注漿壓力指標按5 MPa來控制，注漿量按現場實際注漿量進行調整。

圖4 鉆孔灌注樁+土釘墻+錨索圍護體系示意(單位:mm)

(2)鉆孔灌注樁樁間土垮塌的問題

問題描述:隧道明挖基坑采用了 φ1 000 mm@1 500 mm和φ1 200 mm@1 800 mm鉆孔灌注樁2種圍護結構形式，圍護樁凈距分別為50 cm和60 cm，基坑開挖過程中，由于單次開挖高度過高，造成樁間干燥的砂土垮塌嚴重。

解決方案:嚴格控制單次開挖高度，隨挖隨噴，防止樁間土垮塌。

6.2 基坑監控量測情況

石家莊六線隧道明挖長大深基坑施工過程中，施工單位嚴格按照設計參數施工，從施工監測數據來看，基坑周邊環境及基坑本體各個監測項目的沉降、變形均在可控范圍之內。

7 對石家莊地區深基坑工程圍護體系設計的幾點建議

(1)圍護結構應滿足基坑穩定性要求，不產生傾覆、滑移和局部失穩，基坑底部不產生管涌、隆起，支撐系統不失穩，圍護結構構件不發生強度破壞，施工時地表沉降量須控制在環境許可的范圍內，以確保鄰近建筑物和重要管線的正常使用。

(2)石家莊地區土層直立性較好，地下水位較低，一般明挖基坑開挖范圍均在地下水位以上，因此圍護結構推薦選擇剛度較大，施工簡便的鉆孔灌注樁，既能起到擋土護壁作用，投資也相對較小。

(3)圍護樁嵌入深度取35%左右較為合適。

(4)如果基坑周邊較為開闊宜優先選用施工工藝簡單、施工速度快、投資較小的土釘墻。

(5)圍護結構的支撐系統應根據工程地質、水文地質條件、理論計算結果并結合周邊環境來選擇。在基坑周邊環境復雜的情況下，第一道支撐建議采用鋼筋混凝土內支撐;在基坑周邊環境較為開闊且距基坑較近范圍內沒有地下建(構)筑物的情況下，建議采用錨索體系，便于快速施工。

8 結語

目前石家莊六線隧道主體結構已經全部施工完成，在確保周邊環境特別是運營既有線安全的前提下，保證了鐵道部的既定目標工期。

實踐證明，石家莊六線隧道明挖長大深基坑圍護體系的選擇是安全、合理的。對圍護結構及支撐體系的比選分析、基坑變形控制保護等級的確定、圍護體系確定的推薦理由以及對石家莊地區深基坑工程圍護體系設計的建議等，在以后類似的城市隧道長大深基坑工程設計中可供參考。

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