明挖隧道高低坑設計計算方案研究

蔣祝金

（上海市政工程設計研究總院(集團)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)配套道路建設項目，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)段采用盾構法施工，南北兩側采用明挖法施工。主線與匝道的并行段采用明挖法施工，位于通道南側，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；在豎向上，主線幾乎水平前進，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。相對于中間增設圍護結構、兩次開挖的分坑實施方案，具有工期和造價優(yōu)勢的合坑實施方案，成為了高性價比的圍護設計方案。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計當中經常遇到的問題，見圖2。

圖2 主線與匝道剖面位置圖

對于圍護斷面，若按照深坑深度進行計算，圍護結構過長，插入比大，造成浪費；而按照淺坑深度進行計算，圍護結構過短，風險增加。

為解決上述兩難的問題，本文提出了一種設計計算思路，建議按深坑深度進行計算，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，進行圍護結構的穩(wěn)定性計算。

2 工程地質條件

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層為第四紀全新世Q4沉積層，⑥～⑧2層為第四紀上更新世Q3沉積層。

主線隧道的底板落于③層淤泥質粉質黏土，匝道底板落于逐漸由③層淤泥質粉質黏土到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)地質報告，設計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)點研究[1-4]

3.1 圍護設計斷面

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，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，基坑坑內主線與匝道存在有高差。在該范圍內，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+內支撐支護形式。依據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》3.1.3條和上海市《基坑工程技術標準》3.0.1～2條，基坑安全等級為二級，環(huán)境保護等級為二級。

圍護結構采用 ?800@950鉆孔灌注樁，坑外設置一圈封閉的三軸攪拌樁?850@600三軸攪拌樁止水帷幕，首道支撐設置為混凝土支撐，其余設置為鋼支撐，立柱樁兼做抗浮樁。在基坑的高差位置處，通過設置重力式擋土墻解決。基坑實施工序為：自上而下，依次隨挖隨撐，直至坑底；待底板澆筑并達到強度后，自下而上，依次澆筑養(yǎng)護結構側墻、頂板，拆除相應鋼支撐或混凝土支撐，直至頂板完成，覆土回填，圍護設計斷面見圖3。

3.2 圍護計算

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

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

圖4 圍護斷面簡化計算模型（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算所得。

3.3 計算結果對比

基于上述簡化模型，圍護樁長為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，進行對比計算，計算結果見表2。

表2 變形和穩(wěn)定性結果對比

結果顯示，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。本基坑斷面的計算結果由坑底抗隆起穩(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，與實際的開挖工況不符；若按照較深的深度計算，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，需增加圍護樁長，造成浪費；若按照較深的深度計算，并考慮淺層土體自重的有利作用，1.93≥1.90，滿足穩(wěn)定性各項指標的要求，與實際施工的工況相符合，計算合理。

3.4 計算樁長對比

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)定性指標的規(guī)范要求，計算所需樁長見表3。

表3 樁長結果對比

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 論

本文提出了一種高低坑的設計計算方案?；影瓷羁佑嬎悖瑫r考慮淺坑土體壓重的有利影響，復核圍護結構的穩(wěn)定性；高低坑設計方法較為合理。相對于淺坑，不冒險；相對于深坑，不浪費；在粉質黏土層中，若按照該方法進行設計，相較于深坑的計算結果，樁長可減少2.3 m。

該段隧道基坑的土建結構已于2017年12月施工完成，施工實踐進一步證明設計方案安全可行，為今后類似的工程具有一定的參考意義。