劉 毅 楊毅秋

1 工程概況

石家莊六線隧道為六線(局部七線)并行,為國內(nèi)第一條六線并行隧道。隧道工程長4.98 km,除下穿石德線42 m暗挖外,其余均采用明挖法施工?；右?guī)模大,開挖跨度局部達(dá)42 m,開挖深度達(dá)27 m?；泳嚯x既有京廣線最近處為 5 m,最遠(yuǎn)處約20 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)工序復(fù)雜、基坑安全等級高。采用鉆孔灌注樁+鋼支撐(預(yù)應(yīng)力錨索)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),在圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下進(jìn)行開挖和主體結(jié)構(gòu)的施工,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

本文針對石家莊隧道工程深大基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比較進(jìn)行論述,通過結(jié)構(gòu)計算、數(shù)值模擬驗(yàn)證所采用的鉆孔灌注樁+鋼支撐(預(yù)應(yīng)力錨索)圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式是經(jīng)濟(jì)、有效的。

2 基坑的控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑側(cè)壁安全等級為一級,重要性系數(shù)為1.1,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移不大于20 mm;計算地面最大沉降量不超過22 mm。整體穩(wěn)定性安全系數(shù)：1.30。帶支撐抗傾覆安全系數(shù)：1.30。墻(樁)底、坑底抗隆起安全系數(shù)：1.60。

3 主要比較方案

3.1 基坑設(shè)計的基本參數(shù)

基坑斷面計算寬度41.2 m,深度22 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算采用“同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析計算軟件”。經(jīng)過對基坑整體穩(wěn)定性和帶支撐的抗傾覆檢算,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度為8 m,入土比約0.35。

3.2 方案比較

3.2.1 方案一：三道錨索+兩道鋼支撐放坡方案

1)圍護(hù)及內(nèi)支撐的布置情況。圍護(hù)樁采用φ 1 200@1 500鉆孔灌注樁。基坑上部4 m～5 m范圍采用1∶1放坡開挖,坡面網(wǎng)噴混凝土+土釘保護(hù)(土釘間距2.5 m,梅花形布置,長度為3 m),并設(shè)置2 m寬平臺。基坑深度5 m～10 m范圍,豎向間距3.5 m,縱向間距1.5 m設(shè)置三排φ 150 mm預(yù)應(yīng)力錨索,錨索長度分別為25.5 m,22.5 m,19.5 m,均采用3束φ 15.2鋼絞線錨固?；幼钕虏? m～10 m范圍設(shè)置兩道鋼管支撐,第一道鋼管支撐采用兩根φ 609,t=12 mm軋制鋼管,第二道采用φ 609,t=16 mm軋制鋼管,鋼管縱向間距3 m。因基坑較寬需設(shè)置兩排格構(gòu)柱,格構(gòu)柱間距6 m,基礎(chǔ)采用φ 1 000鉆孔灌注樁。錨索錨固體第一次灌漿用灰砂比1∶1,水灰比0.38～0.45的水泥砂漿,二次高壓注漿使用水灰比為0.45～0.50的水泥凈漿,漿體抗壓強(qiáng)度不小于25 MPa。

2)計算結(jié)果。基坑最大水平位移為9.4 mm,最大沉降量為20 mm,滿足一級基坑要求。

3)有限元計算結(jié)果[1](見圖1,圖2)。模型最大水平位移22.75 mm,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移15.92 mm,基坑最大豎向位移為35.56 mm,沉降量為10.72 mm。

4)方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)基坑受力特點(diǎn),結(jié)合發(fā)揮錨索及鋼管支撐的優(yōu)點(diǎn),可大量減少鋼管的使用量;采用鉆孔灌注樁施工方便、經(jīng)濟(jì);基坑上部土方施工方便;錨索設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂板上方,腰梁與結(jié)構(gòu)不相互干擾,基坑不需要加寬;基坑受力比較合理,下部土層應(yīng)力較大段采用剛度較大鋼支撐支護(hù),上部應(yīng)力較小處采用剛度較小的錨索支護(hù)。缺點(diǎn)：錨索及鋼支撐均需使用,需要的設(shè)備比較多,施工組織相對難度大;錨索長度比較長,并且主要依靠預(yù)加應(yīng)力控制變形,對施工技術(shù)、施工精度、預(yù)加應(yīng)力的準(zhǔn)確、錨固體的施工質(zhì)量等要求很高,基坑的安全儲備比較低,并且內(nèi)支撐的變形不直觀;需設(shè)置格構(gòu)柱及基礎(chǔ),頂?shù)装逯黧w結(jié)構(gòu)施工比較困難,結(jié)構(gòu)受力不好;基坑頂部放坡,相對的施工場地比較窄。

3.2.2 方案二：兩道錨索+兩道鋼支撐放坡方案

1)圍護(hù)及內(nèi)支撐的布置情況。圍護(hù)樁采用φ 1 200@1 500鉆孔灌注樁。基本與方案一相同,不同在于基坑深度5 m～10 m范圍,豎向間距4.5 m,縱向間距1.5 m設(shè)置兩排φ 150 mm預(yù)應(yīng)力錨索,錨索長度分別為26.5 m,23.5 m,均采用4束φ 15.2鋼絞線錨固。2)計算結(jié)果。基坑最大水平位移為10 mm,最大沉降量為21 mm,滿足一級基坑要求。3)方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：可少布置一排錨索,開挖進(jìn)度相對較快。缺點(diǎn)：相對于方案一基坑錨索間、錨索與鋼支撐豎向間距較大,基坑的安全性稍低;需要的預(yù)加應(yīng)力、錨索設(shè)計應(yīng)力相對較大,安全儲備相對較低。

3.2.3 方案三：鋼支撐放坡方案

1)圍護(hù)及內(nèi)支撐的布置情況。圍護(hù)樁采用φ 1 200@1 600鉆孔灌注樁?；由喜? m～5 m范圍采用1∶1放坡開挖,坡面網(wǎng)噴混凝土+土釘保護(hù)(土釘間距2.5 m,梅花形布置,長度為3 m),并設(shè)置2 m寬平臺?；有柙O(shè)置四道鋼支撐,其中第三道為雙撐。第一道采用φ 609,t=16 mm焊接鋼管,第二、四道采用φ 609,t= 16 mm軋制鋼管,第三道采用兩道φ 609,t=12 mm軋制鋼管。因基坑較寬需設(shè)置兩排格構(gòu)柱,格構(gòu)柱間距6 m,基礎(chǔ)采用φ 1 000鉆孔灌注樁。2)基坑最大水平位移及最大沉降量。基坑最大水平位移為8.8 mm,最大沉降量為11.9 mm,滿足一級基坑要求;鉆孔樁配筋為26φ 25,配筋率為1.1%。3)方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：基坑的變形以及沉降量在各方案中最小,如基坑變形異?；虿环€(wěn)定時便于發(fā)現(xiàn)并及時采取措施;支撐剛度比較大,滿足一級基坑標(biāo)準(zhǔn);鋼管支撐可回收重復(fù)使用;基坑不需要加寬。缺點(diǎn)：鋼材用量巨大,因工程圬工量非常大且工期緊張,隧道必須分成200 m～300 m一個單元段落同時施工,鋼管撐無法倒用;基坑寬度大,需設(shè)置格構(gòu)柱及基礎(chǔ),受鋼管撐及格構(gòu)柱布置影響,頂?shù)装逯黧w結(jié)構(gòu)施工比較困難;鋼管支撐的布置與基坑開挖、土方外運(yùn)有一定干擾,對施工影響較大。

4 各方案的經(jīng)濟(jì)比較

各方案經(jīng)濟(jì)比較見表1。

表1 經(jīng)濟(jì)比較表

通過技術(shù)及經(jīng)濟(jì)比較,綜合考慮石家莊地層條件和基坑的安全性,推薦采用方案一：三道錨索+兩道鋼支撐放坡方案。

5 幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)劣比較

1)工期比較。鋼支撐為規(guī)格成品現(xiàn)場連接,配合基坑挖土,每天可安裝3道～4道鋼支撐,錨索為現(xiàn)場鉆孔、安裝、注漿,然后等7 d以后張拉才能起到支護(hù)作用,采取錨索支護(hù)施工對先期開挖工期有一定影響的隧道混凝土結(jié)構(gòu)開始預(yù)計晚一個月左右,但鋼支撐的用量龐大且無法倒用,鋼材用量龐大。

2)開挖比較。錨索對于基坑采用機(jī)械開挖、裝載汽車的垂直運(yùn)輸基本沒有影響;鋼支撐支護(hù)對于挖土機(jī)械旋轉(zhuǎn),特別是裝載汽車的垂直運(yùn)輸有很大影響,必須結(jié)合基坑水平位移、地面沉降等監(jiān)測結(jié)果,以及距離既有線的距離和地下管線的重要性及時調(diào)整開挖方法或采取必要措施,相對的降低了基坑的安全。

3)安全比較。由于基坑較深,在基坑底層利用錨索基坑變形及沉降較大,基坑下部采用鋼支撐支護(hù)可靠性更高。

6 結(jié)語

本文通過理論公式計算(同濟(jì)啟明星軟件)輔助有限元計算設(shè)計圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、錨索長度和布置方案等,通過比較確定預(yù)應(yīng)力錨索配合鋼支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。該方案滿足相關(guān)規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、合理。相對其他方案,對六線隧道的施工更為適用,其結(jié)果對工程實(shí)踐有一定參考價值。

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