明挖隧道高低坑设计计算方案研究

蒋祝金

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海市 200092）

1 工程概述

上海诸光路通道是国家会展中心(上海)配套道路建设项目，为国家会展与虹桥区域提供一条北部快速疏解通道，起到保障会展和促进区域发展的重要作用。诸光路通道与S26高架连接，大大缓解延安高架不堪重负的交通压力。

该隧道工程连接闵行和青浦，中间区段采用盾构法施工，南北两侧采用明挖法施工。主线与匝道的并行段采用明挖法施工，位于通道南侧，松泽高架以北，现状诸光路的徐灵路与龙联路之间的范围，见图1。

图1 主线与匝道并行平面图

在平面上，主线隧道与匝道并行前进；在竖向上，主线几乎水平前进，而匝道上行并逐渐爬出地面。在这种情况下，主线与匝道之间就会出现高差。相对于中间增设围护结构、两次开挖的分坑实施方案，具有工期和造价优势的合坑实施方案，成为了高性价比的围护设计方案。受限于主线与匝道的竖向高差不断变化，高低坑是不可回避且设计当中经常遇到的问题，见图2。

图2 主线与匝道剖面位置图

对于围护断面，若按照深坑深度进行计算，围护结构过长，插入比大，造成浪费；而按照浅坑深度进行计算，围护结构过短，风险增加。

为解决上述两难的问题，本文提出了一种设计计算思路，建议按深坑深度进行计算，同时将深坑以上的土体自重考虑为压重荷载，作用于基坑坑底，进行围护结构的稳定性计算。

2 工程地质条件

拟建场地为滨海平原地貌类型，自上而下可分为八个大层，11个亚层及1个夹层。其中①层为近代人工堆填，②1～⑤3层为第四纪全新世Q4沉积层，⑥～⑧2层为第四纪上更新世Q3沉积层。

主线隧道的底板落于③层淤泥质粉质黏土，匝道底板落于逐渐由③层淤泥质粉质黏土到②层粉砂层。

地下水由浅部土层中的潜水及赋存于⑦1、⑦2及⑧2层中的承压水组成。根据地质报告，设计时地下水潜水水位按上海市年平均水位埋深0.5 m采用。⑦1、⑦2及⑧2层大部分连通，承压水水位一般低于潜水位，年呈周期性变化，埋深3.0～12.0 m，详勘期间承压水位为4.83～5.12 m。

土层参数见表1。

表1 场地土层参数表

3 高低坑节点研究[1-4]

3.1 围护设计断面

根据诸光路通道道路的总体布置，在里程范围SK2+305.010～+385.271，主线隧道向南水平前进，而匝道上升爬出，逐渐由暗埋变化为敞开，最后接地。该段高低坑纵向长度约80 m，基坑坑内主线与匝道存在有高差。在该范围内，深坑深度约为11 m，浅坑深度为0～9.5 m，属于软土地区深基坑，采用排桩+内支撑支护形式。依据《建筑基坑支护技术规程》3.1.3条和上海市《基坑工程技术标准》3.0.1～2条，基坑安全等级为二级，环境保护等级为二级。

围护结构采用 ø800@950钻孔灌注桩，坑外设置一圈封闭的三轴搅拌桩ø850@600三轴搅拌桩止水帷幕，首道支撑设置为混凝土支撑，其余设置为钢支撑，立柱桩兼做抗浮桩。在基坑的高差位置处，通过设置重力式挡土墙解决。基坑实施工序为：自上而下，依次随挖随撑，直至坑底；待底板浇筑并达到强度后，自下而上，依次浇筑养护结构侧墙、顶板，拆除相应钢支撑或混凝土支撑，直至顶板完成，覆土回填，围护设计断面见图3。

3.2 围护计算

针对上述高低坑断面，由于基坑深度不同，若两侧均采用同样的围护桩长是不合理的；针对浅坑，若采用浅坑深度计算亦是不合理的。

针对上述围护断面，可采用如下简化计算模型，见图4。对于深坑，仍然按照对应深度计算，而对于浅坑，可按照深坑的深度进行计算，同时考虑深坑以上的土层自重，按厚度折算为压重荷载，作用于坑底内侧。计算断面仍然按照较深基坑计算内力、变形和稳定性，见图4。

图4 围护断面简化计算模型（单位：mm）

压重荷载的作用宽度与浅层土层同宽，荷载大小由土层的重度和厚度计算所得。

3.3 计算结果对比

基于上述简化模型，围护桩长为22 m，对于深度分别为11 m、11 m并考虑土体自重和9.5 m三种断面，进行对比计算，计算结果见表2。

表2 变形和稳定性结果对比

结果显示，基坑深度越浅，稳定性系数越高，越容易满足规范要求。本基坑断面的计算结果由坑底抗隆起稳定性系数控制。对于较浅的深度，稳定性系数很容易满足规范要求，但坑底不是半无限土体，与实际的开挖工况不符；若按照较深的深度计算，不考虑浅层土体自重的有利影响，桩长不满足坑底抗隆起的规范要求，1.77＜1.90，需增加围护桩长，造成浪费；若按照较深的深度计算，并考虑浅层土体自重的有利作用，1.93≥1.90，满足稳定性各项指标的要求，与实际施工的工况相符合，计算合理。

3.4 计算桩长对比

针对上述三种不同的工况，需满足整体稳定性、抗倾覆稳定性、坑底抗隆起稳定性、墙底抗隆起稳定性和抗渗流稳定性等的稳定性指标的规范要求，计算所需桩长见表3。

表3 桩长结果对比

由表3可知，若考虑浅层土体荷载压重的有利影响，桩长相对于浅坑，增加了2 m；相对于深坑，减少了2.3 m，该桩长取值更为合理。

4 结 论

本文提出了一种高低坑的设计计算方案。基坑按深坑计算，同时考虑浅坑土体压重的有利影响，复核围护结构的稳定性；高低坑设计方法较为合理。相对于浅坑，不冒险；相对于深坑，不浪费；在粉质黏土层中，若按照该方法进行设计，相较于深坑的计算结果，桩长可减少2.3 m。

该段隧道基坑的土建结构已于2017年12月施工完成，施工实践进一步证明设计方案安全可行，为今后类似的工程具有一定的参考意义。