下沉式隧道基坑支护施工方案与技术要点[优秀工程方案]

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

2、通(一期)地理位置示意图为保护迎宾大 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、

3、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 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 /米1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

4、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

5、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

6、,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) 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4.4米为地下水位线.(2) 地面堆积荷载及大 型

7、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/米放坡级别土钉长度 / 米及型号入射角/()横竖间距/ 米0H21：1放坡开挖2H5一级4：110 、2820115米H10两级4：115 、282011H10三级4：120 、282011注：当基坑深度 大 于5 米,放坡的 平台为2 米,且每个平台采用一排微型桩加固,其直径15厘米,桩长7.5米,纵向桩间距1.2米.基坑开挖坡面均喷射C20砼,厚度 为8厘米,内含10米米1

8、00100米米钢筋网.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：厘米)3. 基坑支护施工及施工难题处理方案 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12米,该项目分层开挖深度 为1.5米;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

9、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200米米厚土层,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60厘米120厘米.(3)喷射时控制好水

10、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300米米.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：厘米)(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250500米米,保证注浆饱满,在孔口

11、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1米左右时加快钻孔速度 ,确保成孔的 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25米米.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

12、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2米左右设置截水沟,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3040米设一个集水井,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

13、及处理方案 3.2.1 施工中遇到的 问题(1)K41775951长140米隧道闭口段采用单箱双室闭口框架结构,断面全宽30.0米,左、右室净宽为13.5米;K41635775和K41915K42205段共计260米,开口段采用U形框架结构,净宽27.0米.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 、

14、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

15、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 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

16、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1米米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1525米布置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/

17、(2d),主体结构施工期间2次/周1520米布置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23米布置1个测点围护结构边管线沿管线轴向1米米1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地面沉降最大 位移为22米米,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

18、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 .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;基坑工程手册米：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,