城市隧道基坑围护结构变更分析

游贵良

（广州市花都区交通运输局， 广东 广州 510800）

区别于地铁隧道、 山岭隧道埋深， 城市车行隧道往往埋深较浅， 覆土较薄， 土质松软易坍塌， 从施工安全和造价上考虑， 不适于采用传统矿山法和盾构法。 同时， 城市隧道的特点是用地受限， 隧道基坑周围往往用地少， 建筑和地下管线密集。 这一特点决定了城市车行隧道较少采用放坡开挖， 而往往采用钻孔灌注桩或地下连续墙围护结构支撑开挖。

1 工程概况

项目位于广州某地， 属亚热带季风气候， 地势相对平坦， 主要为河流冲积平原地貌单元， 局部为剥蚀残丘地貌单元。 场地内岩土层自上而下分为五层， 主要为人工填土层、 冲洪积土层、 坡积土层、 残积土层和基岩（以细砂岩、 石英砂岩、 石灰岩等）。

地表水系发达， 为河流和鱼塘居多， 地下水较为丰富。 地质勘查发现的溶洞见洞率较高， 约为42%。项目按城市主干路进行设计， 设计车速60km/h， 宽度25.6m， 隧道段长1.8km， 隧道线位主要经过农田和村庄， 平面上的主要控制因素为现状路网和规划路网。 隧道洞口位置需结合既有和规划道路进行合理设置。

2 隧道基坑围护结构的设计及施工

根据基坑深度， 地质情况及周围地面条件等因素， 本工程隧道基坑围护结构主要采用放坡开挖（坡面采用网喷混凝土防护）， 重力式挡墙、 SMW 桩， 钻孔灌注桩、 地下连续墙等+2 ～5 道内支撑的围护结构型式。 桩深长约7 ～32m， 嵌固深度为3.5m～18m，围护结构顶设置冠梁。

2.1 放坡开挖

本工程在隧道敞口段及地质条件、 现场条件等允许的情况下， 约有210m采用放坡开挖+土钉围护的方式， 坡面采用网喷混凝土防护。 锚喷支护施工工艺流程： 土方开挖→修整边壁→测量、 放线→埋设喷射砼厚度控制桩→安设泄水管→干配混凝土料→依次打开电、 风、 水开关、 喷射第一层砼→测量放线、 布孔位→钻机就位→接钻杆→校正孔位→调整角度→钻孔（接钻杆） →钻至设计深度→安装锚杆→压力灌浆养护→焊接钢筋网片→干配混凝土料→依次打开电、风、 水开关→进行喷射混凝土作业→混凝土面层养护（见图1）。

图1 三级放坡开挖设计图

2.2 SMW 工法桩围护开挖

基坑深度范围小于7m的基坑， 根据地层情况，岩面较深段设计采用较为经济的SMW 工法桩围护形式； 岩面较浅段考虑施工工艺的可施做性， 采用钻孔灌注桩围护型式。 主要施工工序： 平整施工场地、 清除地下障碍物→测量放样→SMW 搅拌机就位→钻进与搅拌（采用四搅四喷工艺） →弃土处理→插入型钢→施工完毕→主体结构施工后回收型钢、 恢复既有地面。 其中， 三轴水泥搅拌桩施工完毕后， 吊机应立即就位， 准备吊放H型钢， 采用插一跳一形式（见下图2）。

图2 搅拌桩和内插型钢（插一跳一型） 平面布置图

2.3 钻孔灌注桩施工工艺

本工程钻孔灌注桩排桩支护结构由支护桩、 内支撑、 止水帷幕等组成。 Φ800mm、 Φ1000mm围护桩采用旋挖钻机施工。 项目采用Φ800mm、 Φ1000mm钻孔灌注围护桩+Φ800@1000mm三轴高压旋喷桩止水帷幕。 主要施工工序： 施工准备→测量放样→钻机定位→钻孔→清孔→钢筋笼安装→浇筑混凝土→验桩（见图3）。

图3 Φ800 钻孔桩围护段典型横断面图

钻孔灌注桩具有刚度大， 可在深大基坑中使用；施工对周围地层、 环境影响小等优点。 但在含水比较丰富的地层中使用时， 需要和降水或止水措施（如搅拌桩、 旋喷桩） 配合使用。

2.4 地下连续墙施工工艺

本工程约910m采用800 厚地下连续墙+接头旋喷桩止水围护结构。 主要施工工序： 施工准备→测量放样→施工导墙→成槽机就位→成槽→清槽→验槽→钢筋笼安装→再清槽→浇筑混凝土→检验。 见下图4。

利用SPSS 20.0统计软件处理实验数据,组间同类型计数比较使用x2检验,以“P<0.05”为比较差异有统计学意义。

图4 地连墙施工工艺流程图

地下连续墙具有刚度大、 适用于开挖深度大、 可适用于几乎所有地层； 强度大， 变位小， 隔水性好，同时可兼作主体结构的一部分； 可临近建构筑物， 环境影响小等优点。 但也具有造价高昂的缺点。

地下连续墙水下灌注混凝土的质量及浇筑应做到： ①砼坍落度控制到18cm～22cm， 扩散度为340 ～380mm， 灌注混凝土前必须有混凝土配合比报告， 并应现场测试坍落度； ②混凝土初凝时间不得小于6hl；③保证混凝土的和易性， 混凝土到现场后应及时浇灌入槽； ④水下混凝土应采用导管法连续浇筑。 导管水平布置距离不应大于3m， 距槽段端部不应大于1.5m，导管下端距槽底宜为300 ～500mm； 钢筋笼吊装就位后应及时浇筑混凝土， 间隔不宜大于4h。

3 工程变更分析

由于本工程地处广州地区， 降雨充沛， 且相应隧道段基坑地表主要位于某干渠和某河流域， 基坑深度范围砂层分布较广， 地层含水率高， 从工程安全风险可控性角度考虑， 结合同类工程经验， 原基坑支护结构施工图设计方案采用了地下连续墙方案。

后经相关民航部门明确， 本工程位于某航线范围内， 相应隧道段航空限高35m～40m。 由于航空限高，原地下连续墙施工方案中， 地下连续墙钢筋笼吊装高度受到影响， 钢筋笼需分几次搭接才能完成吊装， 而钻孔灌注桩的钢筋笼尺寸较小， 吊装较为灵活， 需搭接的次数较少， 可大大节约吊装时间和混凝土灌注时间，围护结构工程质量容易得到保障， 具体计算分析如下。

3.1 地下连续墙钢筋笼吊装计算说明[3 ～4]

1） 连续墙钢筋笼碰主臂长度计算， 选择计算主吊机（150 吨） 垂直高度时， 吊车其主臂变幅仰角为30°～83°， 现考虑取a=75°。 不仅要考虑主吊臂架最大仰角75°和最大尺寸、 重量的钢筋笼为标准， 而且要考虑钢筋笼吊起后能旋转180°， 不碰撞主吊臂架（见下图5）。 加工制作的扁担同钢筋笼取6m， 满足BC距离不小于3.0m（6m/2） 的条件； 考虑主臂桁架宽度（宽度为1.6m）， 即主臂外侧边C到吊臂终点D距离为0.8m， 所以取BD=4.0m≥3 +0.8 =3.8m， 进行计算。

图5 地连墙钢筋笼吊装示意图

h=AB=BD·tan75°=14.9m（BD=4m）

h的长度： 本工程的连续墙冠梁高度为1m， 考虑上部吊环（0.3m） 及扁担的高度（0.5m） 及钢筋笼变形影响， 取h为2m（2≥1 +0.3 +0.5）。 故连续墙钢筋笼上部最少安全起吊高度为： H=h+h=14.9+2 =16.9m。

2） 分节吊装次数计算， 根据民航部门要求， 本工程的地下连续墙钢筋笼吊装时限制高度为35m～40m。 取40m， 根据以上计算说明， 施工机具的最大限高高度为： H=40 -地面标高-安全距离=40 -15.95 （平整场地后标高） -1 =23.05m； 而连续墙钢筋笼上部最少安全起吊高度为： H=16.9m； 钢筋笼离地面高度： H=0.2m； 即连续墙钢筋笼分节吊装的长度： L=H-HH=23.05 -16.9 -0.2 =5.95m本工程最长的连续墙钢筋笼为31m， 即N=31 ÷5.95=5.21， 取6； 最短的连续墙钢筋笼为14m， 即N=14 ÷5.95 =2.35， 取3； 故连续墙钢筋笼分节吊装工艺最少为3 次吊装， 最多为6 次吊装。

3 次吊装的最快时间为： T=2 ×3 =6h。

4 次吊装的最快时间为T=2 ×4 =8h。

5 次吊装的最快时间为T=2 ×5 =10h。

6 次吊装的最快时间为T=2 ×6 =12h。

（实际施工时间大于此时间）

3.2 钻孔灌注桩钢筋笼吊装计算说明

选择计算主吊机（30t） 垂直高度时， 吊车主臂变幅仰角为30°～83°， 现考虑取a=75°。 不仅要考虑主吊臂架最大仰角75°和最大尺寸、 重量的钢筋笼为标准， 而且要考虑钢筋笼吊起后能旋转180°， 不碰撞主吊臂架（见下图6）。 吊机按采用30t， 吊车主臂宽度取1m（吊机上部主臂实际宽度小于1m）， 一半为0.5m， CD取0.6m（0.6≥0.5）； 钢筋笼为1.2m， 一半为BC=0.6m。 即BD取1.2m （1.2≥0.5 +0.6），见下图。

图6 钻孔灌注桩钢筋笼吊装示意图

h=AB=BD·tan75°=4.48m（BD=1.2m）

故钻孔桩钢筋笼上部最少安全起吊高度为H=h=4.48m。 （不用考虑吊环影响， 已超出影响距离），同上施工机具的最大限高高度为： H=40 -15.95 -1=23.05m； 钢筋笼离地面高度： H=0.2m； 即钻孔桩钢筋笼分节吊装的长度： L=H-HH=23.05 -4.48 -0.2 =18.37m本工程最长的钢筋笼为31m， 即N=31 ÷18.37 =1.69， 取2； 最短的连续墙钢筋笼为14m～17m≤L=18.37， 即N取1； 故转孔桩钢筋笼分节吊装工艺最少为1 次吊装， 最多为2 次吊装。 根据同等施工经验， 钻孔灌注桩钢筋笼分2 次吊装， 1h内可以完成吊装工艺。

3.3 工程质量对比分析

根据以上吊装钢筋笼的计算分析， 由于受到航空限高的影响， 本工程若采用地下连续墙施工工艺， 将导致需分节吊装钢筋笼（做多需分6 次吊装）， 远远超出原设计要求“如果采用分段吊装， 则优先采用二次吊装工艺” 的预期， 且仅地下连续墙钢筋笼的吊装时间最长将超12h， 远远无法满足地下连续墙混凝土浇筑“钢筋笼吊装就位后应及时浇筑混凝土， 间隔不宜大于4h” 的要求， 况且施工现场还需考虑溶洞处理问题。 因此， 在航空限高范围内采用地下连续墙方式施工隧道围护结构不符合混凝土凝期要求， 浇筑混凝土过程中， 需中断， 且中断时间不可控， 最终将导致地下连续墙存在“墙壁坍塌”、 “墙体夹渣” 等的风险， 墙体施工质量不可控。 而采用钻孔灌注桩+高压旋喷止水帷幕工艺施工， 钢筋笼最多只要分2 次进行分节吊装， 一般只需1h 就可以完成吊装， 且钻孔灌注桩工艺对于处理溶洞比较灵活， 成桩质量易于得到保证。

鉴于此， 本工程受航空限高相应隧道段围护结构施工工艺由“地下连续墙” 的支护结构变更为“钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕” 支护结构， 是必要的。 后续， 建设、 设计、 施工、 监理等各单位对该项变更进行了讨论， 组织了专家论证， 履行变更程序后， 进行的变更现场达到预期效果， 且节约了工程造价（见图7）。

图7 现场钻孔灌注桩围护+止水帷幕实施效果图

4 结语

本文通过对航空限高情况下， 城市隧道基坑围护结构的地下连续墙和钻孔灌注桩两种施工工艺的钢筋笼吊装进行计算和对比分析， 得出结论： 在低净空施工条件下， 地下连续墙钢筋笼由于体积庞大， 需要分多节（最多6 节） 进行吊装， 最终的施工时间超12h，不符合钢筋笼安放后需要在4h 内进行混凝土浇筑的规定， 同时， 地连墙在处理溶洞时不够灵活， 施工质量将无法得到保证； 钻孔灌注桩施工工艺， 由于其尺寸相对较小， 受航空限高影响较小， 约1h 内即可完成钢筋笼的吊装， 且在溶洞处理上比较灵活， 最终的成桩质量容易得到保证。