下穿高速公路隧道深基坑支护结构优化分析

张开权

摘要 文章以栖霞区马高路北延道路建设工程为实例进行论述分析，隧道采用明挖顺作法施工，综合考虑施工场地、交通疏解，隧道分三期施工，为满足工期节点及节约施工成本，对原方案进行了优化。通过原方案与优化后的方案进行对比分析，采取了隧道南侧二期基坑取消原设计第二道Φ609钢管支撑，对撑范围顶圈梁标高渐变下调0.5 m等优化措施，旨在为今后在该地区及地质情况类似的区域进行明挖隧道施工提供借鉴。

关键词 明挖隧道;基坑支护;方案优化;钢支撑

中图分类号 U455.49 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）01-0110-04

0 引言

随着城市建成区的扩大和成熟，重建现有的道路面临越来越多的难题，向地下要空间，成为一条清晰的思路，其中城市明挖隧道的应用越来越多。明挖隧道深基坑支护是风险性较大的工程项目，围护结构的施工质量将直接影响基坑及周围建筑物的稳定，因此，保证深基坑围护结构施工质量及日常监测，将对基坑施工期间的安全性起到决定性作用[1]。

1 工程概况

栖霞区马高路北延道路建设工程隧道采用明挖顺作法施工，隧道起点里程：K1+140，终点里程K1+

400，总长为260 m。隧道结构断面采用单箱四仓结构。在左右双向6行车道外各设置一仓人非通道。隧道暗埋段结构外轮廓宽45.7 m，高7.95 m，主线隧道内单向车行道总宽为12.8 m，隧道净空≥5.5 m。顶板及侧墙厚0.9 m，底板厚1 m。隧道最大覆土厚度约2 m。隧道标准段基坑宽度约45.7 m，泵房位置基坑宽度约53.1 m，隧道基坑开挖深度由设计起点位置的2.0 m 按设计纵坡渐变深至最低点位置约9.7 m（雨水泵房开挖深度约12.4 m）。基坑外轮廊总周长约626.2 m，基坑总面积约12 006.4 m2。

隧道施工过程中围护形式：根据基坑深度分别采用放坡开挖、钻孔灌注桩+高压旋喷桩+第一道钢筋混凝土支撑+第二道钢管支撑的内支撑的支护形式。

2 南幅原施工方案

隧道施工方案是经过施工单位总公司审批，监理审批，通过专家论证的。南幅隧道施工设东、南、西三边围护，北侧为北幅隧道既有围护，共有108根围护桩;混凝土支撑有2道对撑+6道斜撑;钢支撑有3道对撑+12道斜撑。

原施工方案计划安排：隧道北幅完工恢复沪宁半幅交通后，（1）组织2台旋挖钻进行南幅隧道施工三边围护桩108根，工程桩22根。（2）跟随施工高压旋喷桩134根。（3）单边桩完工揭沪宁面层结构进行混凝土冠梁支撑梁施工，第一道混凝土支撑梁养护期满后进行基坑土方开挖。（4）南幅开挖采用纵向分层开挖，破除北幅交接围护桩至钢支撑底，修马道利用新建北幅隧道四仓同时向北出土。（5）开挖至钢支撑底50 cm后，进行第二道钢支撑施工。（6）钢支撑完工后，利用新建北幅隧道四仓同时向北出土开挖至底板。

地质情况：沪宁高速路基5 m为路基填土，其下为原状硬塑粉质黏土，下伏基岩闪长岩埋深约20 m。基坑安全等级：一级，地面最大沉降量≤0.15%H（20 mm），支护结构最大水平位移≤0.15%H（20 mm）。

第一道支撑选用钢筋混凝土支撑，混凝土标号为C35，水平间距以6～9 m布置，断面尺寸为650 mm×750 mm，钢筋混凝土支撑之间的连接采用结构尺寸为600 mm×550 mm

的连系梁，顶部冠梁尺寸为1 200 mm×700（800）mm，每道钢筋混凝土横向支撑下部设置两根格构柱作为竖向支撑，平面布置如图1所示;第二道支撑钢支撑采用φ609×16 mm钢管支撑，设计长度为5.6～44 m，水平以2.0～4.0 m间距进行布置。钢支撑端头横向设500×300×11×18的双拼H型钢，下部设角钢托架进行固定，支撑结构平面布置如图2所示。

3 南幅方案优化比选

根据施工北幅隧道的经验，开挖2 200 m³及施工第一道混凝土支撑390 m³用时16天，开挖8 500 m³及施工第二道钢支撑230 t用时14天，开挖至底板底7 800 m³用时6天。预计南幅隧道开挖1 000 m³及施工第一道混凝土支撑140 m³需用时13天，开挖6 700 m³及施工第二道钢支撑100 t需用时12天，开挖至底板底5 000 m³用时5天。

根据指挥部领导要求，依隧道北半幅施工现状，南半幅施工采用放坡开挖不支护或者保留第一道混凝土支撑不进行第二道钢支撑支护，再者优化施工方案，以达到缩短工期的目的进行具体研究，以下通过设计分析、方案对比以及施工建议进行分段阐述：

3.1 将南半幅的支护开挖变更为放坡开挖

由于下穿隧道离沪宁主线收费站较近，按之前与沪宁公司沟通的结果，高速要求收费站渐变率不能低于原渐变率，同时考虑到周边电塔的保护范围的需要，因此保通路设计时只能比较贴近沪宁老路，保通路边缘与基坑间富余量较小（基坑边缘间距6～9 m）。

现保通路已经修筑完毕，由于保通路边缘与基坑间富余量较小，二期南半幅开挖时必须进行支护。同时北侧下穿通道施工完毕后也必须进行支护，因此理论上仅东西两侧的支护可以改为放坡開挖。南半幅隧道基坑开挖深度8.6～9.7 m，放坡开挖后南北两侧的支护需要顺延，以保障高速通行，因此总体支护长度减少有限[2]。

同时原基坑跨度较大（28～34 m），原设计四面支护采用了框架及较多的斜撑，如取消东西两侧支护，则需全改为对撑，则必须加大支撑量、增加钻孔灌注桩直径及配筋，加之土方量增大，其工期基本无缩减且安全风险大大增加，因此不建议改为放坡开挖。

3.2 围护结构直接取消第二道钢支撑

隧道工程周边条件较好，居民楼等建筑均在影响范围之外，因此当时设计考虑的保险系数较小，隧道采用两道支撑（一道混凝土支撑+一道Φ609钢管支撑），布置范围基坑开挖深度8.6～9.7 m。北半幅轴力监测如表1所示，开挖过程中未上钢支撑时实测轴力呈上升接近警戒值，撑完轴力回落，开挖至基底，现场实测轴力与计算轴力基本一致，即两道支撑均发挥了重要的作用。

（1）支撑间距不能优化。该工程设计混凝土支撑间距8 m，钢支撑间距4 m（规范明确钢支撑间距不宜大于4 m），由于基坑规模本来就很小（总共14道对撑+角撑），因此无优化空间。（2）钢支撑直接取消。如果直接取消钢支撑只设置一道顶混凝土支撑，经过计算，基坑沉降及位移均在15 mm以上，不满足一级基坑变形0.15H%的要求，因此直接减少第二道钢支撑其支护结构扰度变化会加大，有较大的安全隐患。基坑顶即为沪宁高速公路，动载较多且复杂，安全要求极高，不建议直接取消钢支撑。

3.3 调整圈梁标高及灌注桩纵向受力钢筋后取消钢支撑

（1）二期对撑范围顶圈梁标高渐变下调0.5 m，即K1+245（圈梁顶板高22.00）渐变至K1+252（圈梁顶板高21.500）。为保证二期隧道顶板浇筑时和第一道混凝土支撑不冲突其余位置圈梁标高不作调整。

（2）二期范围Φ800@1000钻孔灌注桩竖向受力钢筋①原设计为16Φ22，加强为18Φ22，其余不作调整，Φ800围护桩桩竖向受力钢筋①原设计为16Φ22，加强为18Φ22，其余不作调整的计算：安全系数最小的工况号：工况3（开挖深度9.7 m）。最小安全Ks=13.307≥1.250，满足规范要求。

经调整后南侧取消钢支撑仅设一道混凝土支撑，通过对基坑稳定性、墙体位移及基坑开挖对周边环境造成的附加变形影响预测分析计算，可得到如下结论：

1）南侧基坑新方案经过稳定性验算，各项稳定性安全系数均满足规范要求。围护桩形式及嵌固深度不需调整。2）经二维有限元计算预测分析，基坑开挖卸载后，对周边道路产生的地表沉降、对周边临近的道路的影响等可满足相关控制标准要求。3）取消一道支撑后，Φ800钻孔桩弯矩较原来增大，需增加配筋量。4）混凝土支撑及顶圈梁内力变化不大，原设计截面及配筋能包络，不作调整。

4 南幅方案优化选定

经过比选和分析计算，南幅二期基坑按如下方案调整：

（1）隧道南侧二期基坑取消原设计第二道Φ609钢管支撑。

（2）隧道南侧二期对撑范围顶圈梁标高渐变下调0.5 m，即K1+245（圈梁顶板高22.00）渐变至K1+252（圈梁顶板高21.500）。为保证二期隧道顶板浇筑时和第一道混凝土支撑不冲突其余位置圈梁标高不作调整。

（3）隧道南侧二期范围Φ800@1000钻孔灌注桩竖向受力钢筋①原设计为16Φ22，加强为18Φ22，其余不作调整。

（4）隧道南侧第一道混凝土支撑轴力计算值158 kN/m，报警值158×1.1×1.35×0.8=188 kN/m。对撑报警值188×7=1 316 kN;斜撑报警值188×7×1.414=

1 860 kN。

（5）其余未提及部分仍维持原设计。减少一道支撑后，基坑安全储备减少，施工中应加强基坑变形监测，做好基坑风险应急预案。

（6）调整后隧道南幅施工方案：北幅完工恢复沪宁半幅交通后，组织旋挖钻进行南幅隧道施工三边围护桩施工;跟随施工高压旋喷桩134根;单边桩完工揭沪宁面层结构进行混凝土冠梁支撑梁施工，第一道混凝土支撑梁养护期满后进行基坑土方开挖;南幅开挖采用纵向分层开挖，破除北幅交接围护桩至隧道基坑底，修马道利用新建北幅隧道四仓同时向北出土[3]。

5 方案优化后存在问题与分析

（1）减少一道钢支撑对施工工期减少有10天，总结北幅一期范围基坑施工的经验，进一步优化施工组织，采取相应措施达到缩短工期的目的。

（2）南幅施工时段正好在汛期梅雨季节，需做好雨季施工相应措施。

（3）减少钢支撑后，南侧基坑第一道混凝土支撑轴力相应调整如下：计算值158 kN/m，报警值158×1.1×1.35×0.8=188 kN/m;对撑报警值188×7=

1 316 kN;斜撑报警值188×7×1.414=1 860 kN。

（4）减少一道支撑后，基坑安全储备减少，施工中要加强基坑变形监测，做好基坑风险应急预案。

6 方案优化后总结

（1）工期节约：优化调整后的总体施工进度计划，可节约工期10天，2021年4月20日前完成北幅隧道主体结构，2021年7月底完成南幅隧道主体结构，其他道路及附属结构施工在2021年9月底前完工，满足指挥部工期节点要求。（2）成本节约：围护桩桩径调整按0.2 m间距布置数量减少至89根，总桩长减少345 m，桩基费用增加2万元;高压旋喷桩减少230 m，费用减少5.4万元;混凝土支撑减少14 m³，費用减少26.2万元;钢支撑取消节约41.3万元;总成本节约60.2万元;如表2所示。

7 结语

通过对明挖隧道深基坑支护方案的优化，提高了明挖隧道深基坑支护工程的施工技术和质量水平，从而确保明挖隧道的开挖施工顺利开展，同时保证其隧道工程的整体结构安全，在推动我国相关工程建设及其行业发展方面，均具有十分积极的促进作用，值得进行研究和推广。

参考文献

[1]公路隧道施工技术规范：JTG/T 3660—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]孔德岩.隧道浅埋段开挖及支护施工技术[J].浙江建筑，2006（4）：26-28.

[3]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2005.