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1、下沉式隧道基坑支护施工方案及技术要点五公司 赵建国摘要： 复合土钉墙支护技术是近年来发展起来用于土体开挖和边坡稳定的一种新型挡土结构。该文结合工程实例的地质及周边复杂的施工条件，对下沉式大跨度汽车隧道基坑工程结构所采用的复合土钉墙支护方案的支护机理进行了分析，对该支护方案的施工技术要点、技术难题处理及施工保通措施进行了阐述。关键词：隧道；基坑支护；土钉墙；下沉式隧道；施工技术某枢纽互通位于国道G107线郑州段改建工程项目终点，连接机场互通连接线中州第一门、航空港区主干道新港大道和迎宾大道，现状为环形平交，交叉桩号K41+871.432。（见图1）图1 迎宾大道互通（一期）地理位置示意图为保护迎
2、宾大道的形象，不干扰在建的大型雕塑，采用单向双车道定向式匝道增加通行能力；主线直行方向采用下沉式隧道，减少直行与转向交通的冲突。地面层进行渠化交通设计，解决其余方向的转向交通。根据预测的交通量，该互通可分期实施，近期仅实施主线下沉式隧道，地面采用环岛（充分利用现状环岛、避免大量拆迁)渠化交通。其远期方案和近期实施工程如图2所示。 （a）远期 （b）一期 图2 迎宾大道互通立交实施方案 1. 下沉式隧道工程地质概况根据程岩土工程勘察报告，所建隧道区段内的地下水补给来源以降雨和侧向径流为主，属空隙潜水。稳定水位4.4米左右。根据钻探土的成因、结构及物理力学性质，该隧道所在区域内的土层可划分为7个小
3、层，其物理性质如表1所示。表1土层物理性质层号土层土质特点土层厚度/m1粉土黄褐色，松散，局部夹粉砂9.52粉质黏土黄褐色，软塑塑，含小颗粒钙质结核3.03粉砂中密密实 ，黄褐色，饱和6.04粉土黄褐色，密实，饱和，含小颗粒钙质结核，粒径不等3.05中砂黄褐色，密实，饱和，矿物成分以石英长石为主2.06粉质粘土棕黄色，硬塑，湿，含铁质斑点及小颗粒钙质结核等14.07黏土硬塑坚硬，棕红色，湿，局部夹薄层粉土7.52. 基坑支护方案基坑支护的常用方案有放坡、护坡桩、锚杆和喷锚等，各种方案有其优点和局限性。因此，选择合理的支护方案是保证基坑工程质量和施工安全的关键。在掌握和深入研究该隧道所在区域工程
4、地质、水文地质资料和周边环境条件的基础上，进行多种方案的分析、论证与优化，确定采用敞口放坡开挖及微型桩、复合土钉墙相结合的支护方案。2.1 微型桩+预应力复合土钉支护形式微型桩和部分预应力复合土钉支护（见图3）即联合应用微型桩与土钉两种支护形式，并通过对部分土钉施加预应力的措施来控制变形，保证支护结构的安全。图3 微型桩+复合土钉支护形式2.2 微型桩+预应力复合土钉支护施工工艺基坑开挖前，先在待开挖的坑壁边缘采用压力注浆法设置微型桩，微型桩强度满足后，对土体进行分段开挖，设置土钉。对需施加预应力的土钉，注浆时其前端预留24米作为自由段，并在端部设置腰梁，以便在面层砼达到强度后施加预应力（见图
5、4）。腰梁内土钉钢筋加塑料套管，防止砼与钢筋粘结。图4 预应力土钉与面层的连接2.3 微型桩+预应力复合土钉支护机理2.3.1复合土钉受力机理复合土钉受力过程分为三阶段（见图5）：1）土钉安设的初期，注浆体与土层的粘结尚未形成，土钉基本不受力 ；2） 注浆体将土钉粘结于地层中，随着开挖深度的增加，土钉逐渐产生拉力，并将拉力集中在与面层粘结的部位，这时内力类似于无自由变形段的土层锚杆(靠近面层处拉力最大，往后逐渐缩小)； 3） 开挖足够深度，土钉的大部分处于滑裂范围之内，这时土钉内力表现为中间部位(近滑裂面)最大、两端最小，类似于土筋。 (a) 土钉内力为零 (b) 土钉内力类似于锚杆 (3)
6、土钉内力类似于土筋图5 复合土钉的受力过程2.3.2 微型桩受力作用机理微型桩受力主要来自土压力，在不同情况，可能受弯、受压、受剪、受扭及各种作用的组合，目前其主要起超前支护作用，体现在：(1) 提高了微型桩周围一定范围内土体的强度和面层强度.(2) 改善了开挖后土体的受力和变形.(3) 调动并协调土钉的支护作用，保证基坑周围环境的安全.2.4 基坑计算荷载(1) 土压力及水压力，水压力取离地面4.4m为地下水位线。(2) 地面堆积荷载及大型车辆的动、静荷载。(3) 周边建筑物的作用荷载：为20kPa。(4) 施工荷载，为20kPa。2.5 支护结构形式该项目采用明挖施工，支护结构根据基坑开挖
7、深度按表2选取。表2 明挖基坑与放坡级别关系表基坑深度H/m放坡级别土钉长度/ m及型号入射角/()横竖间距/ m0H21：1放坡开挖2H5一级4：110 、2820115mH10两级4：115 、282011H10三级4：120 、282011注：当基坑深度大于5 m，放坡的平台为2 m，且每个平台采用一排微型桩加固，其直径15cm，桩长7.5m，纵向桩间距1.2m。基坑开挖坡面均喷射C20砼，厚度为8cm，内含10mm100100mm钢筋网。该隧道基坑支护断面如图6所示。 （a）开口段支护横断面（b）闭口段支护横断面图6 下沉式隧道基坑支护断面（单位：cm）3. 基坑支护施工及施工难题处理
8、方案3.1 基坑支护施工方案3.1.1基坑开挖方案土方开挖中充分考虑时空效应，合理确定土方分层开挖层数、每层分段数量，分段开挖的时间限制等，且与设计工况保持一致，并遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则。具体如下：(1)各断面的开挖分层次数与该断面内支撑道数大致相同；一般土层分层开挖深度为12m，该项目分层开挖深度为1.5m；开挖宽度满足支护作业和边坡临时稳定性要求。(2)基坑开挖自上而下进行，严禁超挖和“大锅底”开挖，开挖后及时支护。(3)基坑采用机械开挖，基坑底及坑壁留200mm厚土层，由人工挖掘修整。开挖层设集水坑，及时用泵排除坑底积水。(4)开挖到底后，及时清底验槽，减少
9、暴露时间，防止地基土原状结构受到破坏。支护前，清除松动土层。3.1.2放坡段施工方案(1)开挖工作面，修整边坡，埋设喷射砼厚度控制标志。(2)喷射第一层砼。(3)绑扎、固定钢筋网，喷射第二层砼。(4)坡顶、坡面和坡脚的排水处理。3.1.3喷射砼施工方案(1)喷射砼分段依次进行，同一分段内喷射自下而上分两次进行。(2)喷射时，喷头尽量与喷射面保持垂直，距离为60cm120cm。(3)喷射时控制好水灰比，保证砼表面平整、湿润光泽、无干斑及滑移流淌现象。(4)上一级喷射砼面层达到设计强度的70%后，开挖下一级放坡施工。(5)钢筋网与固定钢筋连接牢固，喷射砼时钢筋网不晃动。(6)钢筋网的搭接长度不小于
10、300mm。3.1.4复合土钉施工方案土钉支护设计见图7。施工方案如下：（a）正立面图 (b) A A断面图图7 土钉支护设计（单位：cm）(1) 按设计纵向、横向尺寸及与水平面夹角进行钻孔施工，采用洛阳铲成孔。(2) 钢筋平直、除锈、除油。(3) 注浆材料用水泥砂浆，其配合比为1：11：2，水灰比为0.40.45。(4) 注浆管插到距成孔底部250500mm，保证注浆饱满，在孔口设止浆塞。(5) 安装土钉时设置定位器，以保证钢筋的保护层厚度。3.1.5微型桩施工方案(1)用全站仪测量放线，确定桩位坐标。(2)调整钻机位置，慢速钻孔。(3)开动水泵注入清水，待深为1m左右时加快钻孔速度，确保成
11、孔的位置和垂直度。(4)成孔至设计深度后，往复提、降钻杆，并不停抽入泥浆，尽量将孔内土屑排出。(5)排出泥浆中无大颗粒状土屑时，停止抽入泥浆，并将钻杆头部卸掉，接上注浆管准备注浆。钢筋笼主筋保护厚度取25mm。钢筋笼一般在成孔前完成，步骤为加劲箍制作主筋配料主筋定位箍筋设置对中支架安装。3.1.6基坑降水及排水方案土钉墙施工中应采取有效的地表排水、内部排水、基坑地下水位降低及排水等措施。该项目主要采用降水井、集水明排的方法。(1)基坑周围地表排水。为防止地表水向地下渗透，使泾流远离边坡，在距离坡顶边线2m左右设置截水沟，在低处设置集水井，以防雨水大面积汇入基坑。(2)基坑内部排水。在基坑开挖施
12、工阶段，每开挖一层土方，沿坑底设置临时排水纵沟及集水井，避免坑底积水浸泡边坡土体；基坑开挖到底后，设置截水沟，在基坑四角和周边每隔3040m设一个集水井，同时设置泵站排水。排水沟底面比挖土面低0.30.4，集水井底面比沟底面低0.5。(3)基坑地下水位降低及排水。当基坑侧壁出现分层渗水，按不同高程设置导水管、导水沟等构成明排系统。3.2 施工中遇到的问题及处理方案3.2.1 施工中遇到的问题（1）K41775951长140m隧道闭口段采用单箱双室闭口框架结构，断面全宽30.0m，左、右室净宽为13.5m；K41635775和K41915K42205段共计260m，开口段采用U形框架结构，净宽2
13、7.0m。这两个区段均为大跨度隧道基坑，地质条件复杂，基坑支护难度大。（2）2条大型高压供电电缆位于隧道开挖段，管线保护要求较高。（3）基坑开挖深度和长度较大，对周边建筑物及其他构筑物的影响较大，对安全施工的要求较高；同时施工期间需保证周围道路的通行，施工场地狭小，施工条件恶劣。（4）随着开挖深度的不断增加，技术难度、施工难度也相应增大，施工单位承担的风险越来越大。(5)建设单位不仅要求确保工程质量，对加快施工进度、降低工程投资、保证施工安全也提出较高的要求，相应地增加了施工难度。3.2.2 处理方案（1）根据该下沉式隧道施工技术难度大、施工工期紧及质量标准要求高的特点，从多个项目中抽调具备类
14、似工程经验的技术人员，根据设计文件及现行规范的要求，选择技术可行、造价合理、安全可靠的施工技术方案。（2）施工保通方案分三步进行：1）通过区域路网，对交通流实行分流；施工完毕两侧设临时辅道，完成地面环岛平交改造；利用两侧辅道及原有道路进行局部交通疏导，同时设置合理的交通标志和标线，保证交通畅通。2）对主线进行局部封闭，安装彩色钢板围栏，开挖施工下沉式隧道闭口段；采用土钉墙支护施工，尽量少占用地面临时辅道空间。3）施工闭口式隧道顶平交路面，采用平交渠化引导地面交通；封闭隧道开口段主线，施工下沉式隧道开口段；隧道开口段施工完毕，拆除彩色钢板围栏，恢复交通（见图8）。 图3-2保通方案设计图3.3
15、基坑开挖施工应急措施为预防在基坑开挖过程中出现意外，预先准备足够的钢支撑、土方及砂袋；成立抢险领导小组和抢险救灾队伍；与当地气象部门密切联系，做好预防工作；工地自备发电机组和抽水设备。 施工期间采取降水措施，严格控制地下水位，侧墙施工到一定高度时及时回填；暴雨时准备足够的砂袋，均匀地堆放在隧道结构底板上抗浮。 4. 基坑支护监控深基坑支护工程是一项高风险、高难度的系统工程，在市区高楼林立、交通繁忙的情况下，安全要求更高。因此，施工动态管理和信息化管理非常重要。该工程施工期间对基坑支护进行了的严密监控量测（测布置点、监测项目及频率等如表3所示），确保施工期间基坑本身及周边环境的安全。表3 下沉式
16、隧道基坑支护监控量测表监测项目监测对象仪器监测精度量测频率测点布置地下水位基坑周围1mm围护结构施工及基坑开挖期间1次/(2d)，主体结构施工期间2次/周沿隧道纵向1525m布置1个测点地面沉降围护结构周围土体1/100(Fs)围护结构施工及基坑开挖期间1次/(2d)，主体结构施工期间2次/周1520m布置1个测点孔隙水压力围护结构周围土体1/100(Fs)围护结构施工及基坑开挖期间1次/(2d)，主体结构施工期间2次/周沿隧道纵向每侧布置4个测点，同一孔竖向23m布置1个测点围护结构边管线沿管线轴向1mm1次/(2d)，直至管线恢复为止根据管线部门的要求设置注：Fs为满量程该项目监测结果表明
17、地面沉降最大位移为22mm，无局部塌陷发生。证明微型桩与土钉墙相结合的复合土钉墙支护能有效控制围护结构周围地面土体的变形。5.结束语对大跨度深基坑支护，目前采用较多的钢板桩、地下连续墙等围护支撑结构，其造价太高。而复合式土钉墙在传统土钉墙的基础上，配合采用微型桩等技术措施，具有较强的技术优势和经济优势，可降低造价10%40%。该项目大跨度下沉式隧道基坑支护工程的安全顺利施工表明复合式土钉墙在深基坑支护中应用效果显著，不仅突破了以往土钉墙支护仅适用于地下水位以上或经降水后的粘性土或密实性较好的砂土地层的界限，而且在放坡平台上设置微型桩可提高土钉墙的整体稳定性。土钉墙支护结构的应用范围可进一步扩大
18、。参考文献1 JGJ120 99， 建筑基坑支护技术规程S.2刘建航，侯学渊；基坑工程手册M：中国建筑工业出版社，1997.3杨志银，张俊，王凯旭复合土钉墙技术的研究及应用J岩土工程学报，2005，27(2).4张钦喜，朱绪平，潘旭亮，等. 复合土钉支护的设计和应用实例 J .土木工程学报， 2004， 37 (5) ： 65 - 69.5郑州市公路勘察设计院. 国道107线郑州段改建工程两阶段施工图设计，2009.6彭建波.下沉式立交隧道基坑工程施工监测J.公路与汽运，2006（3）.7李光辉.拉森钢板桩在基坑支护中的应用J.公路与汽运，2008（1）.8潘宏毅.边坡土钉支护设计J. 公路与汽运，2006（2）.9代国忠，王晓斌.深基坑工程复合式土钉墙支护技术的应用综述J.常州工学院学报，2008，21（5）.10王健.复合土钉墙支护技术在地下结构工程中的应用A.北京工程管理科学学会第六次会员代表大会暨2006年学术年会论文集C.2006.