市政隧道半明挖半盖挖支护体系设计思路

2022-08-30邵银秀

四川建材 2022年8期

邵银秀

(中铁四局集团第五工程有限公司，江西九江 332000)

0 前言

现阶段，为进一步发展城市空间，各级地区都相续开始开发利用地下空间。因城市区域内地面建筑物分布较为密集，市政道路车辆保有量非常大，城市隧道建设工程直接在繁华街道展开施工。实际施工基本上采用明挖法，导致施工占用市政道路面积比较大，促使市政交通受到巨大的干扰，城市拥堵现象越来越严重。使用盖挖法则可以解决上述问题，降低施工对周围环境的影响，保证车辆正常通行，但是这种施工方法会导致施工工期延长。而半明挖半盖挖则是基于盖挖施工法而衍生出来的一种施工方法，这种施工方法不但可以解决交通拥堵问题，同时可以提高施工效率，缩短施工工期、降低施工成本。

1 工程概况

本文以辽宁省沈阳市市政隧道建设工程作为研究对象，该项目的南侧隧道起点为五爱街的科普主题公园，隧道的终止点为乐郊路，隧道沿线总长度设计为3 352.678 m，沿线起止桩号设计为K0+270～K3+622.678。隧道部分的主体结构设计为矩形框架结构，总计设计为17段，隧道顶部的顶板与隧道侧墙的倒三角、隧道顶部顶板与中隔墙之间的尺寸、底板与侧墙倒三角的尺寸均设计为300 mm×900 mm。

2 施工方案及工序

施工车站西侧临时围挡，施工钻孔灌注桩、冠梁、降水井。隧道东半幅西侧围挡外扩2车道，施作东西剩余钻孔灌注桩、冠梁，东侧格构柱及栈桥板。进行东西两侧围挡内临时路面恢复。围挡围至道路中间，机动车道改至围挡东西两侧各2车道。进行西侧格构柱、混凝土支撑及东侧剩余栈桥板施工。自上而下开挖基坑并设置钢支撑，桩间挂钢筋网喷混凝土，至基底设计标高。开挖至基底后施做底板垫层、防水层，结构底板。待结构底板达到设计强度后，继续施工侧墙至第四道钢支撑底，并拆除第四道钢支撑。继续施工侧墙及防水至第三道钢支撑下方，待结构侧墙达到设计强度后，在第三道钢支撑下架设倒撑并预加轴力，并拆除第三道钢支撑。继续施工侧墙及防水以及隧道结构顶板，待结构顶板达到设计强度后，继续施工隧道结构顶部管廊侧墙、顶板及防水结构，待管廊结构侧墙和顶板达到设计强度，拆除第二道钢支撑，依次回填，并拆除第一道混凝土撑，恢复路面结构。

3 支护体系设计

3.1 设计原则

在经过全面的分析以后，该项目采用半明挖半盖挖方法进行施工，结合设计规范要求来看，在实际设计的过程中必须严格遵守以下原则。

1)支护结构必须保证安全性、耐久性、适用性，且需要坚持经济性原则。

2)在设计支护体系结构时需要考虑施工的便利性、实际使用效果及防水、排水需求。

3)在设计支护体系结构时应保证支护体系的净尺寸满足施工工艺、结构尺寸的要求，同时控制好后期沉降、测量误差等问题。

4)在对支护结构进行设计时应详细计算永久荷载、可变荷载，对支护结构所能够承受的极限状态进行验算，以保证维护结构的强度、刚度以及稳定性满足设计要求。

5)在对支护体系结构进行设计时，设计人员应结合施工现场的地质条件、水文条件等具体情况展开设计，结合实际情况采取合理的环保措施，降低施工对周围环境的影响。

3.2 体系结构设计

该项目内的隧道工程中，基坑平面呈南北走向，属于长条状，基坑开挖的宽度控制在19.8～28.3 m，基坑开挖的深度由浅逐渐加深，局部最大开挖深度达到了19.3 m。为了保证施工过程中地面行车不受影响，该项目的隧道部分施工采用的是半明挖半盖挖施工工艺，基坑部分施工时，必须充分考虑施工场地以及交通状况，结合实际情况设置栈桥板。基坑开挖的过程中采取必要的降水措施。此外，结合基坑的开挖深度以及环保要求设置支撑体系。基坑的内支撑体系具体由围檩、支撑、钢管支撑柱三个部分构成。

1)围檩：第一道围檩选择使用钢筋混凝土，剩余其他围檩则选择使用钢结构围檩，保证围檩与围护桩连接牢固。

2)支撑：结合该项目的工程规模以及基坑开挖深度，内支撑选择使用钢筋混凝土支撑与圆钢支撑相结合的支撑方式，结合施工现场的实际情况，确定钢筋混凝土的纵向间距设置为8 m，钢结构支撑的纵向间距控制在3～4 m，第一道围檩选择使用钢筋混凝土，以此满足半明挖半盖挖法施工工艺的需求。

3)钢管立柱：因基坑的宽度相对较大，内支撑的整体长度偏长，基坑的深度较深，应该沿着基坑的纵向方向设置钢管柱，钢管柱与内支撑连接牢固，确保内支撑的整体稳定性；此外，钢管柱的顶部与路面的梁体紧密连接，从而分散路面荷载。

4)围护桩：围护桩采用的是钻孔灌注桩+网喷混凝土相结合的围护形式。假若围护桩的开挖深度未超过9 m，则灌注桩的规格为600 mm×1 000 mm；若围护桩的开挖深度超出9 m，则灌注桩的规格为800 mm×1 200 mm。

5)系梁体系：系梁体系结构组成比较简单，由混凝土支撑、冠梁以及立柱梁体共同组成。

6)栈桥板:现浇混凝土，混凝土的强度标号为C35，浇筑的厚度为350 mm。

3.3 体系施工方法及注意要点

围护结构使用的是钻孔灌注桩+内支撑的组合形式，基坑设置排水装置，将基坑内部的积水排除到基坑外部，灌注桩使用喷射混凝土进行支护；首道内部支撑使用的是混凝土支撑，支撑使用材料为X609钢管，标准段需要设置四道内支撑。为了有效缓解围护结构的变形程度，需要加大钢结构支撑的轴向力。

3.3.1 体系施工方法

该项目标准段设计采用的是盖挖施工工艺，深基坑的围护结构设计为钻孔灌注桩，总计设计三种不同规格的桩径：800、1 000、1 200 mm，内支撑总计有四道，其中第一道内支撑设计的是混凝土支撑，其他三道则属于钢结构支撑，确定钢筋混凝土的纵向间距设置为8 m，钢结构支撑的纵向间距控制在3～4 m，可以发现内支撑体系的跨度相对较大。

实际施工的过程中，施工人员应严格按照“随挖随撑”的基本原则进行，尽可能缩短无支撑持续的时间。应保证混凝土支撑自身的混凝土抗压强度以及弹性模量满足现行规范要求以后才进行开挖作业；钢结构支撑设置轴向预应力，并定期检查预应力的损失情况，一旦发现预应力损失量过大，则应该再次施加预应力，以保证围护结构的整体稳定性[1]。

3.3.2 钢支撑施工要点

1)在首次施加预应力的12 h以内，观测预应力的损失量和墙体的位移量，结合损失量再次施加预应力至设计规定数值。

2)假若昼夜的温度差异悬殊，促使预应力损失，那么应在当天气温最低时再次施加预应力至设计值。

3)在第二道内支撑设置完成且施加预应力的情况下，对前段施工的支撑再次施加预应力。

4)当墙体的位移量超出了标准值，可以通过增大轴力的方式控制形变，但是必须保证轴力指标处于安全范围以内。

5)当轴力的损失超出3%以后，应再次施加轴力。

6)内支撑的拆除必须严格按照规范标准进行作业，且保证拆除顺序的合理性。

3.3.3 混凝土支撑施工要点

1)利用钢筋计可以检测出钢筋应力，从而了解混凝土支撑的形变情况，此外，应计算出混凝土支撑的应力和轴力。

2)对混凝土形变以及体积收缩造成影响的因素非常多，其中影响程度比较大的是混凝土的强度和回弹模量。结合实践可以得出，对同标号的混凝土选用相同的计算参数来确定混凝土非荷载因素的影响是可行的，可以有效满足实际施工的需求。

3)混凝土支撑的变形情况会对深基坑的安全性造成巨大的影响，由于混凝土的形变会导致深基坑的变形扩大，所以在整体结构形式稳定的情况下，应合理选择施工工艺，以降低混凝土支撑的变形量[2]。

4)围护结构在长时间受到荷载的情况下，因混凝土自身还会受到非荷载因素的影响，导致混凝土支撑的刚度大幅度降低，同时导致围护桩的刚度降低，在这种情况下，围护结构的内力必然会进行二次分配，为确保在计算支护结构时计算结果接近实际作业的数值，必须将非荷载因素考虑在计算体系内，以此保证设计计算获取的基坑变形量与实际情况相吻合，从而有效解决实际变形值与理论变形值之间的矛盾。

5)钢筋混凝土支撑施工。首道混凝土支撑在深基坑开挖至底部以后立刻施工。深基坑的开挖面表层应铺设砂料做找平处理，混凝土支撑的底模采用砂浆，侧面模板使用钢模板。当找平层达到设计强度以后，则开始支撑钢筋绑扎。在浇筑围檩部位混凝土之前，对钻孔桩表面进行凿毛处理和洒水处理。混凝土支撑在混凝土中掺加早强剂完成浇筑。混凝土浇筑的过程中应不断进行振捣，确保混凝土振捣密实。当混凝土浇筑完成以后及时养护，以保证混凝土的强度满足标准。混凝土的强度养护至设计强度以后则开始后续的基坑开挖作业。

6)钢支撑施工。钢支撑的结构组成比较简单，由3个部分组成：固定端、中间部位以及活动端。各个关节的法兰盘应选用高强度的螺栓进行连接。

3.4 钢支撑架设施工工艺

1)开挖过程中按照随挖随架的原则进行作业。结合土方开挖的实际进度，合理配置钢管、围檩的数量，并合理确定装配长度，开挖一定土方以后，立即安装围檩及钢支撑，并按照设计要求施加预应力。施工流程如图1所示。

图1 施工流程图

2)双拼工字钢围檩施工。将钢牛腿焊接为三角形，角钢的规格为∠75°×8 mm。牛腿可以使用强度为M20的膨胀螺栓固定在围护桩上。钢围檩由I45a工字钢与钢板焊接而成，在支撑节点进行缀焊加劲处理。工字钢围檩装置在钢牛腿的后侧，使用2根螺丝进行加固，分别固定在围檩上侧的锚环以及围护桩的角钢上。因围檩与围护桩之间存在一定的空隙，所以在围檩得到加固以后，使用掺加早强剂的水泥砂浆进行填充，保证内支撑不会因局部受力过大而出现失稳现象。钢围檩在转角节点进行焊接加固，保证整体结构的稳定性满足设计要求。

3)钢筋混凝土围檩施工。当基坑开挖至钢筋混凝土围檩的底部标高时，施工人员则开始进行钢筋混凝土围檩施工。钢管支撑部位的斜向混凝土支座与腰梁进行钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑作业，这个过程一次成型。混凝土围檩、支座部位应设置预埋件，使用锚筋进行加固。

4)钢支撑安装。土方开挖的过程中坚持随挖随架的基本原则，当支撑体系的作业面开挖完成以后，立即安装支撑，并严格按照设计要求施加预应力。每一根钢支撑的长度配置按照固定端与活动端的长度确定，中间段则可以直接使用标准化关节进行配置。当管节拼装完成以后，施工人员对内支撑的平直度进行检查，管节两侧的平直度偏差必须控制在20 mm以内。