長沙南湖路湘江隧道岸上段基坑圍護結構選型分析

段堅堤

（長沙市規劃勘測設計研究院，湖南長沙 410007）

長沙南湖路湘江隧道岸上段基坑圍護結構選型分析

段堅堤

（長沙市規劃勘測設計研究院，湖南長沙 410007）

為減少城市中復雜周邊環境下明挖隧道基坑因圍護結構選型不合理造成的施工事故和經濟浪費，在總結前人研究成果的基礎上，以長沙市南湖路湘江隧道岸上段明挖基坑為例，對周邊建筑物和管線密集道路下的深基坑、相互交錯且不同深度的隧道基坑及相互臨近基坑的圍護結構選型和設計進行了較為詳細地介紹，并得出以下結論：1）對于城市道路下明挖基坑，特別是對于路下管網和建筑物密集地段，建議采用防止側向變形較好的排樁（或連續墻）＋內支撐的圍護結構形式，可以有效地控制基坑變形；2）對于基坑深度差別不大，且具有一定距離的臨近基坑，建議采用互不影響的共用對拉圍護結構；3）對于復雜線路、深度差別較大，且基坑之間夾層較薄的交錯基坑，建議采用共用基坑短樁及有限放坡的圍護結構形式。

湘江隧道；臨近建筑基坑；盾構井；圍護結構

0 引言

我國城市有著依水而建、依江而立的傳統，但隨著城市建設的不斷發展，江河反而成了阻斷城市交通的主要障礙。為了滿足城市交通需求及景觀的要求，連接兩岸的主要手段越來越多的采用隧道形式，隧道兩端與地面連接段需采用明挖施工，因此如何在城市中心安全地進行大型市政交通隧道基坑建設尤為重要。

城市中隧道基坑基本位于道路下，其兩側房屋密集，管線眾多，如何進行基坑圍護的選型和設計是確保基坑安全的重點。文獻［1－2］介紹了深基坑圍護結構的主要類型、適用范圍及基坑圍護結構選型的主要原則。文獻［3－4］介紹了不同地鐵車站明挖基坑圍護結構的選型及圍護結構支擋體系的相關設計，通過采用不同的圍護結構，保證了地鐵深基坑的施工安全。文獻［5］對深基坑支護方案和所選支護類型細部結構的設計2個方面的優化進行了探討，并給出了深基坑圍護結構的優化方式。文獻［6］介紹了基坑周邊存在地鐵區間等地下建筑構造物的情況下圍護結構的選擇，并給出相應的計算結果。

國內對于基坑的單一支護形式、支護結構的計算及優化方式等相關內容進行了深入的研究，也取得了較為豐碩的成果，但對城市中大型市政交通隧道基坑工程的組合支護形式的選型及設計，相關文獻相對較少。本文以長沙南湖路湘江隧道岸上段明挖基坑為例，對臨近基坑、共用基坑及道路下隧道基坑等地下結構的基坑支護形式的選擇和設計進行介紹，對于臨近基坑、薄夾層基坑等基坑提出了共用對拉圍護結構和共用基坑短樁放坡的圍護結構形式，希望為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

長沙市南湖路湘江隧道位于橘子洲頭上游約100 m，南距猴子石大橋約3.0 km，北距橘子洲大橋約3.4 km。隧道西起湘江西岸瀟湘大道，下穿湘江，東接南湖路。

主線西岸端通過4條定向匝道以蝶型方式連至瀟湘大道上，主線東岸端的北線隧道洞口設置于書院路以西，南線隧道洞口穿過書院路，設置于書院路以東。南線在書院路口西往南及西往北設置定向匝道，連通書院路。其隧道平面效果如圖1所示。

圖1 隧道平面效果圖Fig.1 Plan of Xiangjiang river crossing tunnel

1.2 工程地質及水文地質

1.2.1 工程地質

隧址區地層主要由第四系人工堆積物、河流沖積物（粉質黏土、細砂、圓礫）和殘積粉質黏土組成。基巖以白堊系礫巖為主，石炭系白云巖次之，其在橘子洲頭以不整合形式出現，均下伏第四系松散層之下。湘江西岸第四系地層具有明顯的河流相二元結構特征。

西岸明挖隧道底板以上地層主要有雜填土、粉質黏土、粉細砂、卵石、圓礫和風化礫巖層；東岸明挖隧道底板以上地層主要有雜填土、素填土、粉質黏土和強風化礫巖。具體地層參數如表1所示。

表1 隧道基坑支護參數建議值Table 1 Proposed parameters of support of foundation pits of Xiangjiang river crossing tunnel

1.2.2 水文地質

擬建場地地下水的環境類型為Ⅱ類，主要有以下2種。

1）上層滯水。賦存于人工填土中，建設地段含水層位于雜填土之間，缺失穩定隔水層，極易形成穩定的潛水面，上層滯水穩定水位為28.44～35.88 m。

2）礫巖裂隙水。與湘江水互為連通，具有承壓性，場地內地下水與湘江水有直接水力聯系。

2 隧道明挖地段分布情況

明挖段隧道主要分布于湘江兩岸，根據隧道所處地段和其功能定位，主要分為湘江東西岸一般段、東岸盾構始發井段和臨近建筑基坑段，湘江西岸交叉段和盾構接收井段，具體位置如圖2和圖3所示。

圖2 湘江東岸明挖段分布圖Fig.2 Distribution of cut-and-cover tunnel section on east side to bank of Xiangjiang river

2.1 東、西岸一般地段

隧道一般地段主要位于地面道路下，為單條匝道獨立開挖基坑段，基坑深度較淺，均不大于10 m。東岸地層存在較厚雜填土層，西岸基坑范圍存在較厚粉細砂透水層。由于地面道路為城市主干道，施工時必須進行交通疏解，保證交通順暢。東岸道路兩側地塊房屋密集，道路交叉口處已建地下通道需在隧道施工同期予以拆除。

2.2 東岸盾構始發井段

東岸盾構井位于湘江大道以東的南湖路上，西距湘江大道約110 m，北線基坑深20.6 m，南線基坑深24.97 m，長×寬為42.8 m×27.6 m。由于需要滿足盾構井圍護始發條件，盾構井圍護結構受力分盾構井開挖和盾構始發2個階段，同時始發井周邊需考慮管片和大型設備存放場地超載。

圖3 湘江西岸明挖段分布圖Fig.3 Distribution of cut-and-cover tunnel section on west side to bank of Xiangjiang river

2.3 臨近建筑基坑段

盾構始發后配套及主線隧道基坑北側與保利基坑相鄰，約13 m，最小間距9.4 m，受工程項目管理、建設工期、施工場地布置及施工道路等因素影響，無法合并施工。后配套明挖基坑深度18.20～17.08 m，基坑寬度30.00～30.56 m，隧道北線基坑最深9.91 m，南線基坑深度15.49～10.94 m，臨近的保利基坑深9.80 m。基坑南側為底層民房，周邊地下市政管網需配合道路整改新建。

2.4 西岸交叉隧道段

按照交通需要，西岸4條匝道均需與瀟湘中路銜接，由于南北線距離較近，造成匝道之間相互重疊交叉，在路口形成了高低、連體等復雜的基坑形式。4條匝道基坑深度約0.5～18.12 m，其中：A，D匝道分別施作各自圍護結構，與其他匝道互不干擾；而B，C匝道在里程交叉長度230 m范圍設置為同一大基坑，同時施工B，C匝道主體結構。施工期間必須進行交通疏解，以保證交通順暢。

2.5 西岸盾構接收井段

由于線間距過大，西岸設置南北線2個盾構接收井，均位于瀟湘大道下。湘江大堤邊高出路面約4 m，圍護結構施工時，需要破除部分大堤的邊角。北線盾構井基坑深度23.87 m，后配套及北線分岔大跨段基坑深度18.60～16.60 m；南線盾構井基坑深度24.58 m，后配套及南線分岔大跨段基坑深度19.40～18.30 m。基坑范圍軟弱地層及強透水地層厚度達18.9 m。

3 圍護結構類型及選用原則

3.1 基坑圍護結構主要類型

基坑開挖圍護施工主要有：放坡開挖和帶支護體系的施工開挖［1－3］。

1）放坡無支護形式。放坡開挖是一種無支護，依靠土體自然穩定以保證基坑安全的一種圍護結構。此法既簡單又經濟，主要適應于地勢開闊、管線及房屋較少的地段。

2）帶支護體系的圍護結構形式。在不具備放坡開挖的條件下，需要采用一定的支護手段，以保證基坑施工的范圍盡量小，將對建（構）筑物的影響降到最低。根據不同的地質情況與現場邊界條件，基坑支護形式的圍護結構多種多樣。

3.2 圍護結構選用原則

基坑圍護結構選用主要從地質條件、地下水位、建設場地、基坑深度及大小、經濟等方面進行考慮，確定適合工程基坑的圍護結構［1］。

1）地質條件。在地質條件較好的情況下，可考慮采用土釘墻或噴錨支護等；如果地質條件差時，可采用地下連續墻或重力式擋墻。

2）地下水位。對于地下水較低的情況，可以不采用帶有止水效果的圍護結構；對于地下水位較高的情況，應采用帶有止水效果的圍護結構或者增加止水措施。

3）建設場地條件。基坑周邊建設場地是否開闊，直接關系到基坑圍護結構允許位移的大小。如果場地開闊，可采用放坡開挖、土釘墻、上段放坡下段重力式擋墻支護、懸臂式、樁錨式及錨拉式等支護結構；如果場地較為狹窄且周邊建構筑物較為密集，則采用位移和沉降控制較好的地下連續墻、鉆孔灌注樁加支撐或錨索的圍護結構。

4）基坑開挖深度和大小。當基坑開挖深度不大時，可采用懸臂式支護結構，并考慮防水；當開挖深度較大時，可根據受力情況采用單支點、多支點的地下連續墻或鉆孔灌注樁等支護結構加止水帷幕。當基坑開挖范圍較小時，可采用錨撐支護結構加止水措施；當基坑開挖范圍較大時，可采用“二墻一”地下連續墻附加鋼筋土桁架支撐方案，或單、多層錨索支護結構加止水帷幕。

4 分段圍護結構選型

4.1 東、西岸一般段圍護結構選型

對于地面道路下基坑，考慮地層和周邊地塊環境，主要采用鉆孔灌注樁加鋼管撐（φ609 mm，壁厚16 mm）的內支撐圍護結構體系。為防止管涌，東岸樁間采用0.8 m直徑旋噴樁止水帷幕，西岸采用雙排0.8 m直徑旋噴樁止水帷幕。經過結構計算，不同深度段鉆孔樁直徑采用0.8 m和1.0 m，間距分別為1.0 m 和1.3 m。某匝道圍護平面如圖4所示。

圖4 某匝道圍護平面圖Fig.4 Plan of retaining structure of a ramp tunnel

對于道路交叉口處基坑，由于同期拆除地下過街通道，有條件放坡開挖，基坑采用土釘支護，土釘采用φ28 mmⅡ級鋼筋，鉆孔直徑120 mm，網噴100 mm厚C20混凝土。某匝道圍護橫斷面如圖5所示。

4.2 東岸盾構始發井段圍護結構選型

圍護結構在盾構始發階段為了滿足盾構的吊裝，無法布置支撐，同時距盾構井北側約13 m左右為保利基坑，深約9.8 m。

為保證基坑安全與穩定，盾構井開挖階段采用連續墻＋內支撐體系，連續墻厚0.8 m，連續墻嵌固深度為5 m，第1道支撐采用環框梁（1 400 mm×2 600 mm），以下采用鋼管撐（φ609 mm，t＝16 m）的內支撐形式。同時由于距保利基坑較近，盾構井北側和保利基坑的鉆孔樁（φ1 200 mm＠2 000 mm）采用1道頂部連梁（1 000 mm×1 000 mm，間距4 m）＋2道對拉錨索，使其組成一個受力整體，作為此段基坑的圍護結構。

盾構井在盾構始發階段采用連續墻＋環框梁＋錨索的圍護體系。由于盾構始發，需要拆除內支撐，圍護結構支撐受力轉換為錨索和環框梁受力。在圍護結構頂（1 400 mm×2 600mm）、南線盾構頂（1 200 mm×2 500 mm）及北線盾構頂（1 400 mm×2 500 mm）設置3道閉合的環框梁，并在南側打設4道錨索，北側打設1道錨索，錨索自由段長度5～7 m，總長15～25 m，預加張力300～400 kN。同時在盾構始發時，在盾構井西側設置3個真空降水井，以減少此面連續墻上的荷載。盾構井圍護結構如圖6所示。

4.3 臨近建筑基坑段圍護結構選型

隧道基坑施工時，保利基坑已開挖了北側，正進行南側基坑的開挖，為了保證相鄰基坑的穩定，需要考慮相鄰基坑的安全性和圍護結構之間的相對關系［7－8］，結合2個基坑的相對位置及高程關系，將2個基坑的圍護樁組成一個整體受力體系［9］。鉆孔樁（φ1.0 m＠1.3 m）采用1道頂部連梁（1 200 mm× 800 mm，間距4 m）＋2道對拉錨索（間距4 m），使其組成一個受力整體。樁間采用直徑0.8 m的旋噴樁進行基坑止水。

圖5 某匝道圍護橫斷面圖（單位：mm）Fig.5 Profile of retaining structure of a ramp tunnel（mm）

圖6 盾構井圍護結構平面圖Fig.6 Plan of retaining structure of shield launching/arriving shaft

圍護結構南側采用鉆孔樁＋錨索的圍護體系。鉆孔樁為φ1.0 m＠1.3 m，打設3～4道錨索，錨索自由段長度5～7 m，總長15～20 m，預加張力200～350 kN。南、北線隧道基坑之間采用噴錨支護。臨近建筑基坑圍護結構橫斷面如圖7所示。

4.4 湘江西岸交叉段圍護結構選型

B，C匝道在里程臨近和交叉處設置為同一大基坑，因2個匝道線路走坡相反，基坑在中間約50 m段，基底標高差異較大，故在該范圍基坑內設置了鉆孔樁（φ0.8 m＠1.0 m）支護，其他里程基底標高差異采用放坡支護處理。B，C匝道換撐采用2種支撐方式：一種為兩端支撐于側墻上；另一種為一端支撐于側墻上，另一端支撐于底板上。B，C匝道局部設置1～2排臨時中立柱及聯系梁，中立柱采用L200×20角鋼，聯系梁采用［40C型鋼。交叉段圍護結構平面及橫斷面如圖8和圖9所示。

圖7 臨近建筑基坑圍護結構橫斷面圖（單位：mm）Fig.7 Profile of retaining structure of foundation pit adjacent to building（mm）

4.5 盾構接收井段圍護結構選型

經過必選計算，南、北線盾構井基坑均采用1 m厚連續墻＋5道混凝土內支撐，在拆除第4道和第3道支撐前進行換撐。南、北線大跨段基坑均采用1.0 m鉆孔樁＋4道支撐，前3道為混凝土支撐，第4道采用鋼支撐（φ609 mm，壁厚16 mm），在拆除第3道支撐前進行換撐。所有換撐均采用鋼支撐（φ609 mm，壁厚16 mm），換撐處需預埋鋼板。

西岸盾構井臨近湘江，地下連續墻墻縫采用2根高壓旋樁噴止水，鉆孔樁間采用雙排高壓旋噴樁止水，外排止水帷幕深度切斷透水層，進入不透水層深度不小于2.5 m。北線大跨度圍護結構平面及橫斷面如圖9和圖10所示。

圖8 交叉段圍護結構平面圖Fig.8 Plan of retaining structure of lapping tunnel section

圖9 臨交叉段圍護結構橫斷面圖（單位：mm）Fig.9 Profile of retaining structure of lapping tunnel section（mm）

圖10 北線大跨段圍護結構平面圖Fig.10 Plan of retaining structure of large-span section of north tunnel tube

圖11 北線大跨段圍護結構橫斷面圖（單位：mm）Fig.11 Profile of retaining structure of large-span section of north tunnel tube（mm）

5 結論與討論

本工程已于2013年12月建成通車。現場維護結構監測結果顯示，圍護結構內力和地表位移均未出現異常，表明明挖段圍護結構的選型是安全合理的。討論與建議如下。

1）對于城市中道路下明挖基坑，為了減少因為基坑開挖造成的地面沉降和周邊建筑物的側向變形，特別對于道路下管網和建筑物密集地段，建議采用防止側向變形較好的排樁（或連續墻）＋內支撐的圍護結構形式，可以有效控制基坑變形。

2）由于隧道線路變化，相鄰隧道可能距離較近，對于此類結構，如果在條件允許的前提下，建議采用共用基坑，這樣既可以減少基坑圍護結構的工程量，又可以減少施工工序造成的人為錯誤。對于共用基坑內的高低基坑可以采用優化支撐布置、增加短樁及有限放坡的方式進行解決。

3）對于間距較近且無法共用基坑的地下結構工程，相鄰的圍護結構建議采用對拉模式。將2個基坑的直立圍護結構進行連接，形成一個近似重力式直立擋墻結構，此結構除了可以保證此段圍護結構的自身穩定，在一定程度上也可以承受對撐的橫向力。

4）基坑支護作為一個結構體系，其選型除了應根據地質條件、周邊環境要求、不同支護體系的特點及造價等因素出發進行選擇，還應考慮圍護結構形式對周邊環境及人員出行的影響。

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Case Study on Selection of Proper Retaining Structures for Different Types of Foundation Pits of Nanhulu Xiangjiang River Crossing Tunnel in Changsha，China

DUAN Jiandi
（Changsha Planning＆Design Survey Research Institute，Changsha 410007，Hunan，China）

The on-shore section of Nanhulu Xiangjiang river crossing tunnel in Changsha has different types of foundation pits.Proper retaining structures should be selected for these different types of foundation pits so as to avoid accidents during construction and，on the other hand，to minimize the construction cost.In the paper，the selection and design of proper retaining structures for these different types of foundation pits are presented.Conclusions drawn are as follows：1）For open-cut foundation pits under urban roads，especially for foundation pits interfered with concentrated utility lines and buildings，retaining structures consisting of rowed piles（or diaphragm walls）and internal bracing should be adopted so as to control the lateral deformation；2）For neighboring foundation pits with almost the same depths and some distance in between，tying retaining structures should be adopted；3）For alignment-complex foundation pits with great depth difference and small spacing，retaining structures with common short piles and open cutting should be adopted.

Xiangjiang river crossing tunnel；foundation pit adjacent to building；shield launching/arriving shaft；retaining structure

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.006

U 45

A

1672－741X（2014）04－0324－07

2013－12－17；

2014－03－27

段堅堤（1961—），男，湖南長沙人，1982年畢業于同濟大學，工程地質及水文地質專業，本科，高級工程師，現從事工程地質勘查、地下工程設計工作。