萬 清

(鐵道第三勘察設(shè)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(qū)，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(lián)絡(luò)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(jié)構(gòu)斷面寬度約40 m，結(jié)構(gòu)高度約13 m(圖2)。此類穿城入地的大型隧道工程，其規(guī)模和性質(zhì)在國內(nèi)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(cè)既有線需繼續(xù)運營，隧道最西側(cè)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(zhì)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(huán)境極其復(fù)雜。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

2.1 場地工程地質(zhì)條件

(1)地形地貌

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

(2)地層巖性

隧道場區(qū)勘探深度內(nèi)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(zhì)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(yīng)地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤標準凍結(jié)深度0.6 m。

2.2 水文地質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計比選

圍護結(jié)構(gòu)的選型不僅與地質(zhì)條件和環(huán)境條件有關(guān)，還取決于工期要求、工程造價和施工企業(yè)的工程經(jīng)驗以及擁有的設(shè)備條件等。設(shè)計前，針對石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)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(xù)墻、鉆孔咬合樁、SMW工法勁性水泥土攪拌樁以及復(fù)合土釘墻等圍護結(jié)構(gòu)形式進行了深入的技術(shù)、經(jīng)濟分析和比較。

3.1 各種圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點比較(表1)

表1 各種圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點比較

3.2 經(jīng)濟比較

幾種強度和剛度均能滿足基坑支護要求的圍護結(jié)構(gòu)形式經(jīng)濟造價對比分析見表2。

表2 各種圍護結(jié)構(gòu)經(jīng)濟比較

4 支撐體系比選

支撐體系的選擇不僅與圍護結(jié)構(gòu)有關(guān)，還取決于基坑周邊環(huán)境條件等，設(shè)計前，針對石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)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(shù)、經(jīng)濟分析和比較。

4.1 各種支撐體系的優(yōu)缺點分析(表3)

4.2 造價比較

幾種適用的支撐體系經(jīng)濟造價對比分析結(jié)果見表4。

5 圍護體系比選結(jié)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(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜，特別是旁側(cè)有運營的既有鐵路線，針對石家莊六線隧道的地質(zhì)、環(huán)境及工程特點，經(jīng)過慎重考慮，同時比照國內(nèi)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(yōu)缺點比較

表4 各種支撐體系經(jīng)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(jié)構(gòu)及支撐體系的比選分析，結(jié)合石家莊六線隧道的地質(zhì)情況、周邊環(huán)境及工程特點，確定隧道圍護結(jié)構(gòu)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(xù)墻等圍護結(jié)構(gòu)形式;

(2)鉆孔灌注樁具有剛度大、整體性好、位移變形小等優(yōu)點，且造價相對較低;

(3)鉆孔灌注樁可使用數(shù)臺機械同時施工技術(shù)成熟，專業(yè)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(jié)構(gòu)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(huán)境安全，特別是既有線的運營安全;

(6)二級基坑段落周邊環(huán)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(jié)省投資。

5.3 圍護體系設(shè)計參數(shù)

確定圍護結(jié)構(gòu)及支撐體系形式后，經(jīng)理論計算，石家莊六線隧道圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)格構(gòu)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(yù)應(yīng)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(zhì)黏土、粉砂和中粗砂。大部分錨索錨固段位于干燥砂層，原設(shè)計按照規(guī)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(jié)合鐵道部課題研究(《城市鐵路大跨地下工程施工安全技術(shù)研究》(2009G006-B))，錨索二次注漿壓力增大，砂層內(nèi)錨索注漿漿液擴散較為嚴重。

解決方案:為了確保預(yù)應(yīng)力錨索錨固力達到設(shè)計值，保證基坑安全，根據(jù)現(xiàn)場多次試驗結(jié)果，預(yù)應(yīng)力錨索以二次注漿壓力指標按5 MPa來控制，注漿量按現(xiàn)場實際注漿量進行調(diào)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(jié)構(gòu)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(jiān)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(shè)計參數(shù)施工，從施工監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，基坑周邊環(huán)境及基坑本體各個監(jiān)測項目的沉降、變形均在可控范圍之內(nèi)。

7 對石家莊地區(qū)深基坑工程圍護體系設(shè)計的幾點建議

(1)圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足基坑穩(wěn)定性要求，不產(chǎn)生傾覆、滑移和局部失穩(wěn)，基坑底部不產(chǎn)生管涌、隆起，支撐系統(tǒng)不失穩(wěn)，圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生強度破壞，施工時地表沉降量須控制在環(huán)境許可的范圍內(nèi)，以確保鄰近建筑物和重要管線的正常使用。

(2)石家莊地區(qū)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(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、理論計算結(jié)果并結(jié)合周邊環(huán)境來選擇。在基坑周邊環(huán)境復(fù)雜的情況下，第一道支撐建議采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐;在基坑周邊環(huán)境較為開闊且距基坑較近范圍內(nèi)沒有地下建(構(gòu))筑物的情況下，建議采用錨索體系，便于快速施工。

8 結(jié)語

目前石家莊六線隧道主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)全部施工完成，在確保周邊環(huán)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(jié)構(gòu)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(qū)深基坑工程圍護體系設(shè)計的建議等，在以后類似的城市隧道長大深基坑工程設(shè)計中可供參考。

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