石家庄六线隧道深基坑围护体系设计探讨

万 清

(铁道第三勘察设计院集团有限公司城交分院，天津 300251)

1 工程概况

石家庄六线隧道位于石家庄市区，自北向南纵穿石家庄市，是一个六线并行(局部七线)、普速与高速混行的庞大地下隧道工程，隧道包含京石客专、改建京广、石青客专和石太联络线，隧道主体全长4 980 m，隧道布局及外部控制情况见图1。

图1 石家庄六线隧道总平面示意

隧道标准结构断面宽度约40 m，结构高度约13 m(图2)。此类穿城入地的大型隧道工程，其规模和性质在国内尚属首例。

图2 石家庄六线隧道三跨标准断面示意(单位:cm)

隧道大部分段落采用明挖法施工，明挖基坑标准段宽约40 m，深约20 m，为长大深基坑工程。

隧道穿越城市中心地带，周边建筑物稠密、城市道路众多、各种地下地上管线密布，在隧道施工期间，西侧既有线需继续运营，隧道最西侧线路中线距离最近既有线中线最小距离约为16.6 m，同时，隧道所处地层地质条件较差，为松散的砂土地层，全部为Ⅵ级围岩，因此隧道周边环境极其复杂。

2 工程地质及水文地质情况

2.1 场地工程地质条件

(1)地形地貌

隧道地处山前冲洪积平原区内，沿线地形平坦，地面高程70.81 ～74.53 m。

(2)地层岩性

隧道场区勘探深度内岩性主要为新黄土、黏性土、粉土、砂类土及碎石土。隧道穿过地层大部分为砂类土和粉质黏土，为松散堆积层，其围岩分级为Ⅵ级。

(3)场地类别为Ⅲ类，场地土类型为中软～中硬场地土。

(4)地震动峰值加速度值为0.10g，对应地震基本烈度Ⅶ度。

(5)土壤标准冻结深度0.6 m。

2.2 水文地质特征

地下水为第四系孔隙潜水，含水层为砂、卵石层，主要由大气降水补给，近5年的地下水水位埋深45～50 m，在基坑开挖深度以下。

3 围护结构设计比选

围护结构的选型不仅与地质条件和环境条件有关，还取决于工期要求、工程造价和施工企业的工程经验以及拥有的设备条件等。设计前，针对石家庄六线隧道的地质情况、周边环境及工程特点，选择了明挖基坑常用的钻孔灌注桩、地下连续墙、钻孔咬合桩、SMW工法劲性水泥土搅拌桩以及复合土钉墙等围护结构形式进行了深入的技术、经济分析和比较。

3.1 各种围护结构优缺点比较(表1)

表1 各种围护结构优缺点比较

3.2 经济比较

几种强度和刚度均能满足基坑支护要求的围护结构形式经济造价对比分析见表2。

表2 各种围护结构经济比较

4 支撑体系比选

支撑体系的选择不仅与围护结构有关，还取决于基坑周边环境条件等，设计前，针对石家庄六线隧道的地质情况、周边环境及工程特点，选择了明挖基坑常用的钢筋混凝土支撑、钢管支撑和锚索进行了深入的技术、经济分析和比较。

4.1 各种支撑体系的优缺点分析(表3)

4.2 造价比较

几种适用的支撑体系经济造价对比分析结果见表4。

5 围护体系比选结论

5.1 基坑安全等级划分

石家庄六线隧道属于国铁城市隧道，位于城市中心区域，周边环境复杂，特别是旁侧有运营的既有铁路线，针对石家庄六线隧道的地质、环境及工程特点，经过慎重考虑，同时比照国内地铁明挖基坑的变形控制保护等级标准，最后确定隧道明挖长大深基坑工程按段落分别按一级、二级基坑变形控制保护等级来控制，并制定保护等级标准，见表5。

表3 各种支撑体系优缺点比较

表4 各种支撑体系经济比较

表5 基坑变形控制保护等级标准

5.2 围护体系的选择

通过对明挖基坑常用的各种围护结构及支撑体系的比选分析，结合石家庄六线隧道的地质情况、周边环境及工程特点，确定隧道围护结构采用钢筋混凝土钻孔灌注桩，一级基坑段落支撑体系采用1道或2道钢筋混凝土支撑+下部几道锚索，二级基坑段落采用基坑上部土钉墙放坡+下部几道锚索，理由如下:

(1)石家庄六线隧道明挖基坑处于黏土及砂土地层，且地下水位较深，没有必要选择造价较高的具有隔水效果的地下连续墙等围护结构形式;

(2)钻孔灌注桩具有刚度大、整体性好、位移变形小等优点，且造价相对较低;

(3)钻孔灌注桩可使用数台机械同时施工技术成熟，专业性一般，有利于保证施工进度，确保工期目标;

(4)锚索支撑体系可为施工提供更加宽阔的场地，方便使用大型机械进行土方开挖，且不妨碍后期主体结构的施工，有利于快速施工。同时，在此类宽大深基坑工程中，锚索支撑体系造价相对较低;

(5)一级基坑段落顶部采用1道或2道钢筋混凝土撑有利于控制基坑变形，确保周边环境安全，特别是既有线的运营安全;

(6)二级基坑段落周边环境相对开阔，基坑上部适当采用土钉墙放坡形式可减短围护桩长度，节省投资。

5.3 围护体系设计参数

确定围护结构及支撑体系形式后，经理论计算，石家庄六线隧道围护结构设计参数如下。

(1)一级基坑段落采用φ1 200 mm@1 800 mm钻孔灌注桩+混凝土支撑+锚索围护形式。在避开主体结构高度的前提下，基坑较深的段落采用两道混凝土撑，基坑较浅段落采用一道混凝土撑，混凝土撑截面800 mm×900 mm，支撑间距6 m，基坑中部设格构柱，锚索采用4束 φ15.2 mm的钢绞线，锚索间距1.8 m(一桩一锚)。如图3所示。

图3 钻孔灌注桩+混凝土支撑+锚索围护体系示意(单位:mm)

(2)二级基坑段落采用φ1 000 mm@1 500 mm钻孔灌注桩+预应力锚索(基坑上部约3 m土钉墙放坡)的围护形式。第一道锚索采用3束φ15.2 mm的钢绞线，锚索间距3 m(隔桩一锚)，下面几道锚索采用4束 φ15.2 mm 的钢绞线，锚索间距 1.5 m(一桩一锚)，土钉墙采用φ22 mm钢筋。如图4所示。

6 明挖基坑施工情况综述

6.1 基坑施工过程中遇到的问题和解决方案

(1)砂层锚索注浆量增加的问题

问题描述:基坑锚索穿越的地层从上至下依次如下所述，杂填土、新黄土、中粗砂、粉质黏土、粉砂和中粗砂。大部分锚索锚固段位于干燥砂层，原设计按照规范考虑注浆只是把钻孔填满，未考虑扩散，实际施工过程中，结合铁道部课题研究(《城市铁路大跨地下工程施工安全技术研究》(2009G006-B))，锚索二次注浆压力增大，砂层内锚索注浆浆液扩散较为严重。

解决方案:为了确保预应力锚索锚固力达到设计值，保证基坑安全，根据现场多次试验结果，预应力锚索以二次注浆压力指标按5 MPa来控制，注浆量按现场实际注浆量进行调整。

图4 钻孔灌注桩+土钉墙+锚索围护体系示意(单位:mm)

(2)钻孔灌注桩桩间土垮塌的问题

问题描述:隧道明挖基坑采用了 φ1 000 mm@1 500 mm和φ1 200 mm@1 800 mm钻孔灌注桩2种围护结构形式，围护桩净距分别为50 cm和60 cm，基坑开挖过程中，由于单次开挖高度过高，造成桩间干燥的砂土垮塌严重。

解决方案:严格控制单次开挖高度，随挖随喷，防止桩间土垮塌。

6.2 基坑监控量测情况

石家庄六线隧道明挖长大深基坑施工过程中，施工单位严格按照设计参数施工，从施工监测数据来看，基坑周边环境及基坑本体各个监测项目的沉降、变形均在可控范围之内。

7 对石家庄地区深基坑工程围护体系设计的几点建议

(1)围护结构应满足基坑稳定性要求，不产生倾覆、滑移和局部失稳，基坑底部不产生管涌、隆起，支撑系统不失稳，围护结构构件不发生强度破坏，施工时地表沉降量须控制在环境许可的范围内，以确保邻近建筑物和重要管线的正常使用。

(2)石家庄地区土层直立性较好，地下水位较低，一般明挖基坑开挖范围均在地下水位以上，因此围护结构推荐选择刚度较大，施工简便的钻孔灌注桩，既能起到挡土护壁作用，投资也相对较小。

(3)围护桩嵌入深度取35%左右较为合适。

(4)如果基坑周边较为开阔宜优先选用施工工艺简单、施工速度快、投资较小的土钉墙。

(5)围护结构的支撑系统应根据工程地质、水文地质条件、理论计算结果并结合周边环境来选择。在基坑周边环境复杂的情况下，第一道支撑建议采用钢筋混凝土内支撑;在基坑周边环境较为开阔且距基坑较近范围内没有地下建(构)筑物的情况下，建议采用锚索体系，便于快速施工。

8 结语

目前石家庄六线隧道主体结构已经全部施工完成，在确保周边环境特别是运营既有线安全的前提下，保证了铁道部的既定目标工期。

实践证明，石家庄六线隧道明挖长大深基坑围护体系的选择是安全、合理的。对围护结构及支撑体系的比选分析、基坑变形控制保护等级的确定、围护体系确定的推荐理由以及对石家庄地区深基坑工程围护体系设计的建议等，在以后类似的城市隧道长大深基坑工程设计中可供参考。

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