下穿高速公路隧道深基坑支護結構優化分析

張開權

摘要 文章以棲霞區馬高路北延道路建設工程為實例進行論述分析，隧道采用明挖順作法施工，綜合考慮施工場地、交通疏解，隧道分三期施工，為滿足工期節點及節約施工成本，對原方案進行了優化。通過原方案與優化后的方案進行對比分析，采取了隧道南側二期基坑取消原設計第二道Φ609鋼管支撐，對撐范圍頂圈梁標高漸變下調0.5 m等優化措施，旨在為今后在該地區及地質情況類似的區域進行明挖隧道施工提供借鑒。

關鍵詞 明挖隧道;基坑支護;方案優化;鋼支撐

中圖分類號 U455.49 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0110-04

0 引言

隨著城市建成區的擴大和成熟，重建現有的道路面臨越來越多的難題，向地下要空間，成為一條清晰的思路，其中城市明挖隧道的應用越來越多。明挖隧道深基坑支護是風險性較大的工程項目，圍護結構的施工質量將直接影響基坑及周圍建筑物的穩定，因此，保證深基坑圍護結構施工質量及日常監測，將對基坑施工期間的安全性起到決定性作用[1]。

1 工程概況

棲霞區馬高路北延道路建設工程隧道采用明挖順作法施工，隧道起點里程：K1+140，終點里程K1+

400，總長為260 m。隧道結構斷面采用單箱四倉結構。在左右雙向6行車道外各設置一倉人非通道。隧道暗埋段結構外輪廓寬45.7 m，高7.95 m，主線隧道內單向車行道總寬為12.8 m，隧道凈空≥5.5 m。頂板及側墻厚0.9 m，底板厚1 m。隧道最大覆土厚度約2 m。隧道標準段基坑寬度約45.7 m，泵房位置基坑寬度約53.1 m，隧道基坑開挖深度由設計起點位置的2.0 m 按設計縱坡漸變深至最低點位置約9.7 m（雨水泵房開挖深度約12.4 m）。基坑外輪廊總周長約626.2 m，基坑總面積約12 006.4 m2。

隧道施工過程中圍護形式：根據基坑深度分別采用放坡開挖、鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁+第一道鋼筋混凝土支撐+第二道鋼管支撐的內支撐的支護形式。

2 南幅原施工方案

隧道施工方案是經過施工單位總公司審批，監理審批，通過專家論證的。南幅隧道施工設東、南、西三邊圍護，北側為北幅隧道既有圍護，共有108根圍護樁;混凝土支撐有2道對撐+6道斜撐;鋼支撐有3道對撐+12道斜撐。

原施工方案計劃安排：隧道北幅完工恢復滬寧半幅交通后，（1）組織2臺旋挖鉆進行南幅隧道施工三邊圍護樁108根，工程樁22根。（2）跟隨施工高壓旋噴樁134根。（3）單邊樁完工揭滬寧面層結構進行混凝土冠梁支撐梁施工，第一道混凝土支撐梁養護期滿后進行基坑土方開挖。（4）南幅開挖采用縱向分層開挖，破除北幅交接圍護樁至鋼支撐底，修馬道利用新建北幅隧道四倉同時向北出土。（5）開挖至鋼支撐底50 cm后，進行第二道鋼支撐施工。（6）鋼支撐完工后，利用新建北幅隧道四倉同時向北出土開挖至底板。

地質情況：滬寧高速路基5 m為路基填土，其下為原狀硬塑粉質黏土，下伏基巖閃長巖埋深約20 m。基坑安全等級：一級，地面最大沉降量≤0.15%H（20 mm），支護結構最大水平位移≤0.15%H（20 mm）。

第一道支撐選用鋼筋混凝土支撐，混凝土標號為C35，水平間距以6～9 m布置，斷面尺寸為650 mm×750 mm，鋼筋混凝土支撐之間的連接采用結構尺寸為600 mm×550 mm

的連系梁，頂部冠梁尺寸為1 200 mm×700（800）mm，每道鋼筋混凝土橫向支撐下部設置兩根格構柱作為豎向支撐，平面布置如圖1所示;第二道支撐鋼支撐采用φ609×16 mm鋼管支撐，設計長度為5.6～44 m，水平以2.0～4.0 m間距進行布置。鋼支撐端頭橫向設500×300×11×18的雙拼H型鋼，下部設角鋼托架進行固定，支撐結構平面布置如圖2所示。

3 南幅方案優化比選

根據施工北幅隧道的經驗，開挖2 200 m3及施工第一道混凝土支撐390 m3用時16天，開挖8 500 m3及施工第二道鋼支撐230 t用時14天，開挖至底板底7 800 m3用時6天。預計南幅隧道開挖1 000 m3及施工第一道混凝土支撐140 m3需用時13天，開挖6 700 m3及施工第二道鋼支撐100 t需用時12天，開挖至底板底5 000 m3用時5天。

根據指揮部領導要求，依隧道北半幅施工現狀，南半幅施工采用放坡開挖不支護或者保留第一道混凝土支撐不進行第二道鋼支撐支護，再者優化施工方案，以達到縮短工期的目的進行具體研究，以下通過設計分析、方案對比以及施工建議進行分段闡述：

3.1 將南半幅的支護開挖變更為放坡開挖

由于下穿隧道離滬寧主線收費站較近，按之前與滬寧公司溝通的結果，高速要求收費站漸變率不能低于原漸變率，同時考慮到周邊電塔的保護范圍的需要，因此保通路設計時只能比較貼近滬寧老路，保通路邊緣與基坑間富余量較小（基坑邊緣間距6～9 m）。

現保通路已經修筑完畢，由于保通路邊緣與基坑間富余量較小，二期南半幅開挖時必須進行支護。同時北側下穿通道施工完畢后也必須進行支護，因此理論上僅東西兩側的支護可以改為放坡開挖。南半幅隧道基坑開挖深度8.6～9.7 m，放坡開挖后南北兩側的支護需要順延，以保障高速通行，因此總體支護長度減少有限[2]。

同時原基坑跨度較大（28～34 m），原設計四面支護采用了框架及較多的斜撐，如取消東西兩側支護，則需全改為對撐，則必須加大支撐量、增加鉆孔灌注樁直徑及配筋，加之土方量增大，其工期基本無縮減且安全風險大大增加，因此不建議改為放坡開挖。

3.2 圍護結構直接取消第二道鋼支撐

隧道工程周邊條件較好，居民樓等建筑均在影響范圍之外，因此當時設計考慮的保險系數較小，隧道采用兩道支撐（一道混凝土支撐+一道Φ609鋼管支撐），布置范圍基坑開挖深度8.6～9.7 m。北半幅軸力監測如表1所示，開挖過程中未上鋼支撐時實測軸力呈上升接近警戒值，撐完軸力回落，開挖至基底，現場實測軸力與計算軸力基本一致，即兩道支撐均發揮了重要的作用。

（1）支撐間距不能優化。該工程設計混凝土支撐間距8 m，鋼支撐間距4 m（規范明確鋼支撐間距不宜大于4 m），由于基坑規模本來就很小（總共14道對撐+角撐），因此無優化空間。（2）鋼支撐直接取消。如果直接取消鋼支撐只設置一道頂混凝土支撐，經過計算，基坑沉降及位移均在15 mm以上，不滿足一級基坑變形0.15H%的要求，因此直接減少第二道鋼支撐其支護結構擾度變化會加大，有較大的安全隱患。基坑頂即為滬寧高速公路，動載較多且復雜，安全要求極高，不建議直接取消鋼支撐。

3.3 調整圈梁標高及灌注樁縱向受力鋼筋后取消鋼支撐

（1）二期對撐范圍頂圈梁標高漸變下調0.5 m，即K1+245（圈梁頂板高22.00）漸變至K1+252（圈梁頂板高21.500）。為保證二期隧道頂板澆筑時和第一道混凝土支撐不沖突其余位置圈梁標高不作調整。

（2）二期范圍Φ800@1000鉆孔灌注樁豎向受力鋼筋①原設計為16Φ22，加強為18Φ22，其余不作調整，Φ800圍護樁樁豎向受力鋼筋①原設計為16Φ22，加強為18Φ22，其余不作調整的計算：安全系數最小的工況號：工況3（開挖深度9.7 m）。最小安全Ks=13.307≥1.250，滿足規范要求。

經調整后南側取消鋼支撐僅設一道混凝土支撐，通過對基坑穩定性、墻體位移及基坑開挖對周邊環境造成的附加變形影響預測分析計算，可得到如下結論：

1）南側基坑新方案經過穩定性驗算，各項穩定性安全系數均滿足規范要求。圍護樁形式及嵌固深度不需調整。2）經二維有限元計算預測分析，基坑開挖卸載后，對周邊道路產生的地表沉降、對周邊臨近的道路的影響等可滿足相關控制標準要求。3）取消一道支撐后，Φ800鉆孔樁彎矩較原來增大，需增加配筋量。4）混凝土支撐及頂圈梁內力變化不大，原設計截面及配筋能包絡，不作調整。

4 南幅方案優化選定

經過比選和分析計算，南幅二期基坑按如下方案調整：

（1）隧道南側二期基坑取消原設計第二道Φ609鋼管支撐。

（2）隧道南側二期對撐范圍頂圈梁標高漸變下調0.5 m，即K1+245（圈梁頂板高22.00）漸變至K1+252（圈梁頂板高21.500）。為保證二期隧道頂板澆筑時和第一道混凝土支撐不沖突其余位置圈梁標高不作調整。

（3）隧道南側二期范圍Φ800@1000鉆孔灌注樁豎向受力鋼筋①原設計為16Φ22，加強為18Φ22，其余不作調整。

（4）隧道南側第一道混凝土支撐軸力計算值158 kN/m，報警值158×1.1×1.35×0.8=188 kN/m。對撐報警值188×7=1 316 kN;斜撐報警值188×7×1.414=

1 860 kN。

（5）其余未提及部分仍維持原設計。減少一道支撐后，基坑安全儲備減少，施工中應加強基坑變形監測，做好基坑風險應急預案。

（6）調整后隧道南幅施工方案：北幅完工恢復滬寧半幅交通后，組織旋挖鉆進行南幅隧道施工三邊圍護樁施工;跟隨施工高壓旋噴樁134根;單邊樁完工揭滬寧面層結構進行混凝土冠梁支撐梁施工，第一道混凝土支撐梁養護期滿后進行基坑土方開挖;南幅開挖采用縱向分層開挖，破除北幅交接圍護樁至隧道基坑底，修馬道利用新建北幅隧道四倉同時向北出土[3]。

5 方案優化后存在問題與分析

（1）減少一道鋼支撐對施工工期減少有10天，總結北幅一期范圍基坑施工的經驗，進一步優化施工組織，采取相應措施達到縮短工期的目的。

（2）南幅施工時段正好在汛期梅雨季節，需做好雨季施工相應措施。

（3）減少鋼支撐后，南側基坑第一道混凝土支撐軸力相應調整如下：計算值158 kN/m，報警值158×1.1×1.35×0.8=188 kN/m;對撐報警值188×7=

1 316 kN;斜撐報警值188×7×1.414=1 860 kN。

（4）減少一道支撐后，基坑安全儲備減少，施工中要加強基坑變形監測，做好基坑風險應急預案。

6 方案優化后總結

（1）工期節約：優化調整后的總體施工進度計劃，可節約工期10天，2021年4月20日前完成北幅隧道主體結構，2021年7月底完成南幅隧道主體結構，其他道路及附屬結構施工在2021年9月底前完工，滿足指揮部工期節點要求。（2）成本節約：圍護樁樁徑調整按0.2 m間距布置數量減少至89根，總樁長減少345 m，樁基費用增加2萬元;高壓旋噴樁減少230 m，費用減少5.4萬元;混凝土支撐減少14 m3，費用減少26.2萬元;鋼支撐取消節約41.3萬元;總成本節約60.2萬元;如表2所示。

7 結語

通過對明挖隧道深基坑支護方案的優化，提高了明挖隧道深基坑支護工程的施工技術和質量水平，從而確保明挖隧道的開挖施工順利開展，同時保證其隧道工程的整體結構安全，在推動我國相關工程建設及其行業發展方面，均具有十分積極的促進作用，值得進行研究和推廣。

參考文獻

[1]公路隧道施工技術規范：JTG/T 3660—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]孔德巖.隧道淺埋段開挖及支護施工技術[J].浙江建筑，2006（4）：26-28.

[3]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2005.