明挖法施工浅水湖底隧道围护结构方案优化

明挖法施工浅水湖底隧道围护结构方案优化

袁 勇

中交一公局第八工程有限公司 天津市 300170

摘要：明挖法施工浅水水下隧道，围护结构以“围堰+支护”的施工方法最为常见，如何选择最优支护方案进而提升围护结构安全性、成本控制及施工进度一直是相关技术人员为之努力的目标，文章主要针对该问题进行了分析研究。

关键词：明挖隧道 围护结构 方案优化

引言：近十年国内基础设施建设高速发展，国内水下隧道建设规模逐年提高，目前国内公路水下隧道常见的施工工法有三种：第一种是以港珠澳大桥为代表的沉管工法，这一种工法适用于深水域；第二种是以南昌红谷隧道为例的盾构工法；第三种就是以武汉东湖隧道为例的明挖施工工法。由于围堰明挖法较其他工法经济，施工方法简单，故国内较多在条件满足的情况下趋向于采用此工法。例如已通车的苏州独墅湖隧道、武汉东湖隧道和正在施工的太湖隧道（苏锡常南部高速公路）和金鸡湖隧道。然而目前国内围堰明挖法的支护形式多重多样，明挖法围堰支护形式的选择，在很大程度上影响着后续隧道基坑开挖及主体结构的施工进度、施工便捷性和项目整体的安全质量和经济效益。因此，从方案的选择到实际的施工过程中，必须给予各个环节足够的重视，以此来提高施工的全方面效益。本文以阜阳市345国道下穿颍州西湖隧道工程实例为依托，针对原初步设计单排桩+内支撑的支护方案，又提出了双排桩和单排桩+锚索方案，通过与原方案在施工进度、安全质量、施工便捷性、经济性等方面进行对比，从而确定最优方案。

一、工程案例

项目概况：阜阳市345国道下穿颍州西湖隧道工程为EPC项目，项目主体大部分位于颍州区规划的西湖游览区内，湖中围堰明筑段600m。主要设计参数为垂直支护深度14.38m，钻孔灌注桩桩长22.7mφ1.2m@1.4m，内支撑及临时支撑4层@6m，格构柱两排。

原设计湖中段围护结构形式为单排桩+内支撑。

原设计方案思路：原设计方案参考了城市地铁的工程设计思路，经同设计单位沟通后了解，本工程地质等条件符合国内广泛采纳的类似明挖地铁隧道工程施工，施工工艺成熟，安全可靠性高，造价合理。

由于该项目的合同模式为EPC模式，可以使施工单位更便利、更深入和积极的参与到设计工作中去，为项目的质量、安全、管理及经济、社会效益增值提供了良好条件。基于以上因素，项目施工单位的技术部门对方案的优化进行了大量调查论证工作。

二、方案优化条件分析

2.1项目环境调查

结合线路设计方案对现场调查走访后发现，该项目线路范围空旷，具备基坑放坡开挖条件。同时颖州西湖水位基本受连通泉河的扬水站水闸控制，水位稳定，平均水深2.1m。地质勘察报告显示，有效影响基坑及其围护结构范围的土质为拟建场地20m 深度范围内除薄层饱和土外，分布的饱和粉土均属于第四系晚更新统地层（Q3al），不考虑土层液化影响。场地地基土的工程性质自上而下分析如下：

（1） 淤泥：灰黑色，饱和，流塑状态，高压缩性，含大量腐殖物，平均厚度1.1m。

（2）粉质黏土：可塑～硬塑，中压缩性，土质较均匀，物理力学性质较好，可作为天然基础持力层，平均厚度15.0m。

（3）粉土：密实，中压缩性，渗透性较好，土质较均匀，仅少量勘探孔有揭露，物理力学性质较好，隧道基坑开挖时在地下水作用下易产生流土，平均厚度0.8m。

（4）粉质黏土：可塑～硬塑状态，中压缩性，土质较均匀，物理力学性质较好平均厚度3.1m。

地质情况具备可优化条件。

项目合同工期为18个月，湖中段水下隧道又是全线风险最高的控制节点，科学合理的施工方案对按期完工该段隧道显得尤为重要。

2.2原设计方案适用性分析

经过对现场情况分析结合工程项目特点，认为单排桩+内支撑的原设计方案虽然结构安全性好，工艺成熟且应用广泛，但大多数情况被应用在受近交通、近建筑物等外部环境影响较大的市区范围内，在施工条件受限的条件下，设计方面更多考虑了不影响外部环境同时保证结构安全的方案措施，比如垂直支护+内支撑。而本项目根据调查结果显示，除了受浅水水体影响，完全不受近交通、近建筑等其他因素的干扰。按原设计方案施工虽工艺成熟，但工艺复杂，质量控制难度大，基坑开挖受内支撑设置及换撑等工序的影响导致工效低下，施工风险高。同时，合同工期短，一旦工序中断将无法确保施工进度按计划完成。

原设计方案受力验算可行。该方案支护深度14.38m，每延米挖土1007.9m³，桩长22.7mφ1.2m@1.4m钻孔灌注桩每延米0.71根，内支撑及临时支撑4层@6m，格构柱两排。

考虑支撑混凝土等强等因素，平均完成一个节段（30m）基坑开挖需要35天。概算造价每延米围护结构约3.66万元。

综和以上调查及分析，为该工程打破类似项目的传统施工方案寻求优化提供了动力。

三、方案优化方向

经对掌握的资料分析，方案的优化方向集中体现在三个方面，在保证基坑及围护结构安全的条件下，确保工期，控制工程项目造价。故以降低基坑深度及取消内支撑为主要优化方向。考虑放坡开挖，优点是清理掉软弱土层及降低基坑深度，减小围护结构受到的土体侧压力，提高基坑安全系数。取消内撑，提高工效。通过优化方向提出以下两套围护方案：

3.1放坡开挖+双排桩方案

支护工艺原理：双排桩基坑支护是一种较为新型的支护结构，即由两排平行的混凝土灌注桩、冠梁以及连梁联合组成的超静定钢架的支护体系。其主要优点是可以应用在不能实施锚杆锚索或内支撑的基坑支护段落，且施工简单方便，有助于加快施工进度。本工程水中段基坑开挖深度较深，地质情况为饱和砂土、粉土，控制基坑开挖后的变形，双排桩结构可以很好的解决这个问题。

具体方案如下：先采用放坡开挖约4.1m后，再进行坑内垂直支护，支护深度9.2m，每延米挖土1077.6m³，2排桩长21mφ1.2m@1.4m钻孔灌注桩每延米1.42根，长4.8m连梁@6m。

工艺流程为：先放坡开挖，再进行双排钻孔灌注桩施工，冠梁、连梁等支护体系完成后便可进行基坑开挖。

方案经受力验算可行。经统计，该围护方案每延米增加挖土方69.7m³，每延米围护结构增加桩基13.7m。取消内撑及格构柱每延米围护结构减少造价0.65万元。平均完成一个节段（30m）基坑开挖需要28天。

经计算每延米围护结构较原方案造价增加约1.17万元，造价控制不理想。

3.2放坡开挖+单排桩+锚索方案

支护工艺原理：灌注桩排桩围护墙是通过设置一定间距和一定深度的钻孔灌注桩，通过桩体承受土层侧向压力的地下挡土结构。预应力锚索加固围护结构或土层的实质就是通过锚索对要加固的围护结构或土层预先施加预应力，限制围护结构或土层有害变形的发展，从而保持土层和围护结构的稳定。预应力锚索的施工在下一步土方开挖前进行作业，它的一端与排桩固定，而另一端则深入设计的深度土层内，将排桩所承受的侧压力传递至锚固区域，然后将压力传递至深土层中。与其他深基坑支护形式相比，预应力锚索能够提前检测其承载力，用标准数字表达，对围护结构的安全监控更有依据。单纯的排桩因其适用深度小、深基坑抗变形能力弱、工程数量大而造价提高等，致使其支护作用达不到深基坑支护要求。但结合预应力锚索可大幅减少排桩直径和桩间距，抗变形能力显著增强，造价也能得到明显降低，同时也加快了施工进度。本工程施工有效影响范围地质情况为粉质黏土，物理力学性质较好，经锚索抗拔试验满足工程受力要求，

具体方案为：先采用放坡开挖约4.1m后，再进行坑内垂直支护，支护深度9.2m。每延米挖土1077.6m³， 16桩长16mφ1.2m@1.4m钻孔灌注桩每延米0.71根，长16m预应力锚索@1.5m。

工艺流程：先进行单排钻孔灌注桩施工，冠梁、预应力锚索等支护体系完成后可进行基坑开挖。

方案经受力验算可行。经统计，该围护方案每延米增加挖土方69.7m³，每延米围护结构减少桩基6.7m。每延米围护结构增加预应力锚索约0.32万元，取消内撑及格构柱每延米围护结构减少造价0.65万元。平均完成一个节段（30m）基坑开挖需要28天。

经计算每延米围护结构较原方案造价减少约0.871万元，造价控制理想。

四、比选优化 方案确定

从方案优化方向对三个方案的各项指标进行对比分析如下：

（1）围护结构安全风险控制方面，以上方案受力验算均满足要求。新方案因放坡后降低了垂直支护深度，安全性更优；

（2）工效方面，新方案取消内撑每节段均可压缩7天完成，进度控制有利；

（3）造价控制方面，只有“放坡开挖+单排桩+锚索”方案较概算每延米围护结构造价减少约0.871万元，总造价控制有利。

综合考虑，确定以“放坡开挖+单排桩+锚索”为最终的围护结构方案。

结束语：

通过此次方案对比优化，全面阐述了浅水区水下隧道明挖法施工方案的适用范围和其各自适用的环境、优缺点，为今后类似工程的建设中，在适用性、经济性、安全性及工效等方面提供了很好的借鉴意义。

参考文献：

[1].《建筑基坑支护结构构造》（国家建筑标准设计图集-11SG814）

[2].《基坑工程设计规程》(DGJ08-61-97)

[3].《建筑基坑支护技术规程》[S](JGJ120—2012) 中国建筑工业出版社

[4]. 余志成．《深基坑支护设计与施工》中国建筑工业出版社1997年3月第1版