明挖隧道深基坑设计

根据基坑开挖深度的不同，采用的围护结构形式如下：开挖深度＞16m的防淹门段，采用墙厚600mm的地下连续墙；开挖深度10〜16m的地段采用直径1000mm、间距1.2m的钻孔灌注桩；开挖深度5〜10m的地段，采用中650和①850劲性水泥土搅拌连续墙（SMW工法），其中中650桩内插500mmx200mmH型钢（间距900mm）；中850桩内插700mmx300mmH型钢（间距1200mm）；开挖深度5m以下的地段，采用拉森鞍W型钢板桩。（2）支撑系统支撑系统主要采用钢或钢筋混凝土内支撑的形式，除建筑物距基坑较近的JN03节的第1~3层支撑和JN04节第l层支撑采用BH=800x1000mm的C30钢筋混凝土支撑（间距为9.0m）外，其余均采用中609mm516mm钢管支撑（间距为3.0m）。同时考虑到主线部分基坑宽度达31〜47m，为保证内支撑稳定，每9m设置2根格构型钢立柱，采用中800mm钻孔桩支承，支撑间采用联系梁连接。⑶桩（墙）顶连梁该深基坑在围护桩墙的顶部均设置C30钢筋混凝土压顶冠梁。3.2支护结构设计图3为支护结构剖面图。计算荷载根据湖北省标准《深基坑工程技术规定》（DB42/159-1998）计算基坑外侧主动土压力。地下水位以上采用水土合算，地下水位以下对于粘性土和粉土采用水土合算，砂性土采用水土分算原则。地面超载按20kN/m2考虑。支护结构在施工阶段仅作为基坑围护结构考虑，按照平面框架单元计算，考虑开挖和回筑阶段的实际施工及受荷状态各工况的内力及变形。计算时，考虑墙体的先期位移，钢支撑施加50%〜80%的设计轴力作为预应力。图3支护结构剖面图3.3基底处理坑底土体采用水泥深层搅拌桩抽条加固，加固深度3m，邻近的未加固区由于抽条加固的空间作用，其坑底稳定安全度也相应得到了提高。4基坑防水设计该工程场区地下水主要为赋存于人工填土层和粉土层(夹有薄层粉质粘土和粉砂)中的潜水以及赋存于粉细砂层中的孔隙承压水。根据基坑开挖揭露深度，地下水的控制处理应防止坑壁出现流土流砂，引起坑外地层损失对周边环境造成影响，以及防止坑底剩余隔水层在下部承压含水层水压力的作用下产生突涌，影响基坑的稳定。根据该基坑水文地质条件和武汉地区经验，采用坑周悬挂式竖向隔渗帷幕与深井降水相结合的处理方式：赋存于人工填土层和粉土层(夹有薄层粉质粘土和粉砂)中的潜水，采用高压摆(旋)喷形成竖向止水帷幕进行封堵；赋存于粉细砂层中的孔隙承压水，按坑底隔水层厚度的不同分段采用深井减压降水，满足坑底抗突涌的要求。深基坑防水设计与支护结构设计统一考虑，严格限制支护结构的侧向位移，满足坑底抗突涌要求，减少和控制桩后土体及地面沉降量，确保基坑安全。4.1竖向隔渗帷幕设计该基坑竖向止水帷幕根据围护形式与开挖深度的不同分段采用如下形式：围护形式为地连墙的防淹门段，在地连墙的分幅处采用3根中600mm高压旋喷桩止水，见图4地连墙接缝防水示意图。围护形式为钻孔桩的JN02-03节，其开挖相对较深，采用高压摆喷桩墙，桩径中1300mm，摆喷体角度1800，见图5摆喷止水帷幕示意图；围护形式为钻孔桩的.IN04-05节及匝道段，因其开挖相对较浅，采用中600mm高压旋喷桩，沿排桩间隙坑外主动压力区布置，与排桩共同形成完整的隔渗止水帷幕，见图6旋喷止水帷幕示意图；上述止水帷幕人土深度原则上为基坑底以下1m。灌浆材料采用32.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比1:1〜1.5：1。围护形式为SMW工法的区段，利用水泥土搅拌连续墙自身的隔渗功能实施基坑止水。图4地连墙接缝防水示意图图5摆喷止水帷幕示意图图6旋喷止水帷幕示意图4.2降水系统设计一般基坑工程随着开挖深度增加，坑底下隔水层土体厚度随之变薄，土体自重应力逐渐减少，承压水水压超过隔水层土体自重应力，就会产生涌水、流砂，形成地下水水患。该工程场区地面标高为21.30〜23.00m，承压水含水层为④6粉土层以下的粉细砂层，其顶板埋深在地面下22.30〜19.10m(绝对标高约为0.97〜2.19m)左右。根据本场区岩土工程勘察成果，参考《武汉地区深基坑工程技术指南》(WBJl-7-95)的“丰水期承压水位标高等值线图”，按开挖期处于洪水期间考虑，确定场区承压水位的标高为20.00m，即埋深1.20〜3.30m，高出隔水底板17.90m左右。因而，为确保坑底稳定，须降低坑底承压水头高度。4.2.1突涌稳定性验算按开挖到垫层底时进行突涌验算，根据《湖北省深基坑工程技术规定》(DB42/159-2004)进行抗承压水突涌稳定性验算：(1)式(1)中：yty——坑底突涌抗力分项系数，对于大面积普遍开挖应＞1.2；D一坑底至承压水层顶板的距离；Y—D范围内土的平均天然重度；Hw 承压水水头高度；yw 水的重度。突涌稳定性验算表明，当基坑开挖到设计坑底标高时，极易发生承压水突涌或管涌问题。4.2.2深井降水设计该工程设计基底下有厚度超过5m的隔水层，因而本基坑按开挖深度的不同，按减压法分段进行降水设计。根据武汉地区成功的降水经验，对于类似本工程基坑平面形状为长条形的情况，不能采用大井法估算涌水量，而是以设计降深要求作为控制原则，采用《湖北省深基坑工程技术规定》DB42/159-2004中（7.4.7-1公式）对JN02-JN05段进行估算：式（2）中：S——承压水位下降设计值（按设计要求分段取值）；K——含水层渗透系数（取值19m/d）；M——含水层厚度（取值32.3m）；R——抽水影响半径（取值250m）；Qi——单井抽水量（m3/d）；ri一任意点距抽水井的平面距离（m）。设计时利用“天汉软件”进行多种井位与流量情况下的试算，以确定最合理的降水方案。经设计，该基坑（JN02〜JN05、CZD01、DZD01）根据周边环境条件及基坑开挖的需要，采取在坑外布置8口降水井，坑内布置10口降水井、2口观测井，井距根据设计降深的不同控制在10〜30m左右，以满足基坑施工的要求，保证不同施工区域减压降水的合理降深。图7为武昌明挖段降水井平面布置图。至于降水井的深度，考虑到抽取承压水的目的是为了降低承压水位，结合场区实际地质条件，降水井采用中深井，深度定为35~38m（根据初期成井试验资料确定实际深度），观测井深度30m。降水井结构见图8。4.2.3对周围环境影响的评估基坑开挖及降水后，承压水位降低将使周边土层产生附加荷载而导致相应的沉降，对周边建筑物及管线会构成不同程度的危害。鉴于此，对可能发生的危害程度做出正确的评估是非常必要的。根据《湖北省深基坑工程技术规程》（DB42/159-2004）中（7.4.8公式）的规定，估算因降水而引起的地面最大沉降量可用下式计算：*由式（3）中：^Sw——为承压水水位下降引起的地面沉降量；Ms——取经验数值0.30〜0.90：6ui 为承压水下降引起i层的附加应力（kPa）；△hi 为i层厚度（cm）；Esi——为i层的压缩模量（。MPa）。经计算，本基坑承压水水位下降引起的地面沉降量^Sw=1.71cm（JN02区域）。以上计算结果是根据《深基坑工程技术规定》得出的，它没有考虑上部土层垂直向水头分布的差异以及沉降量随时间的变化，仅为按弹性理论得到的最终固结沉降。根据武汉市多年的基坑降水经验，由于本场区粘性土层较厚，其垂直方向上渗透系数很小，故地面沉降量随时间的增值比较缓慢，因而上述计算结果跟实际情况有较大的出入。大量武汉降水工程的实践表明：在粘性土层中，降水时间达180d，其固结度不超过20%，其沉降量在降水启动后，沉降滞后效应非常明显，在合理的降水设计和良好的施工质量的前提下，降水引起的地面沉降量一般小于预测计算值，且沉降比较均匀。图7武昌明挖段降水井平面布置图

图8降水井结构图5施工与监测情况5.1各关键工序的施工方法5.1.1围护结构施工.地连墙施工：地下连续墙按设计分幅，标准幅宽6.0m，采用柔性锁口管接头。成槽采用液压抓斗，标准槽段采取三序成槽，先挖两边，再挖中间；采用膨润土泥浆护壁，泥浆指标经试验确定为：比重1.05〜1.15g/em3，粘度20—35s(漏斗粘度)，pH值8~10，含砂率寺8%；钢筋笼采取整体制作，整体起吊入槽；水下混凝土浇注采用D250导管法施工。钻孔桩施工：采用正循环回转钻进工艺，泥浆护壁，泵吸反循环方式清孔；钢筋笼现场按设计长度整体制作，50t吊机吊放就位；水下混凝土采用商品混凝土，导管法灌注成桩；施工时原则上间隔3根桩进行跳打，避免相邻桩施工对已成桩的影响。SMW工法桩施工：采用MAC-150-3型三轴搅拌桩机成桩，吊机吊放H型钢就位，施工顺序采取单侧挤压式连接方式。固化剂采用P.O.32.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量按418%控制。降水井施工：为保证成井质量，降水井采用冲击式钻机清水钻进成孔。降水井投入运行前，对井结构参数、单井出水量和水的含砂量等组织进行验收，要求单井涌水量卡50m3/h，单井抽水含砂量不超过1/1000000止水帷幕施工：针对不同的帷幕形式，采用不同的工艺：①1300mm摆喷采用二重管旋喷工艺，①600mm旋喷采用单管旋喷工艺。灌浆材料采用32.5普通硅酸盐水泥，浆液水灰比1：1〜1.5：1，水泥渗量按卡18%控制。为防止串孔，采取两序施工(间隔一个)的方式。抽条加固施工：依据设计“搅拌桩施工中可根据设备情况选择其他类型搅拌机，但必须确保设计所要求的桩间搭接厚度”的原则，采用单轴深层搅拌桩机进行基底抽条加固搅拌桩的施工，成桩采取“一次喷浆，二次搅拌”工艺。灌浆材料采用32.5普通硅酸盐水泥，水泥掺量按卡12%控制。5.1.2支撑及土方施工基坑开挖前事先完成周边建筑物的加固、坑底深层搅拌桩抽条加固等加固措施，以及围护桩墙后高压摆(旋)喷桩止水帷幕、深井降水系统的布置与试运行等基坑防水措施。根据基坑开挖施工的分段长度以及每段的开挖深度，开挖期间采取分段分级降水的方法，按开挖进度及降水要求逐渐开启降水井数量，维持适宜水位，严格控制因降水引起的周边地层不均匀沉降。整个降水维持期内，实施信息法管理，根据基坑的施工状况和实测的承压水高度，调节降水高度，同时配置具备双回路电源备用发电机)和安全装置的供配电系统，以最适当的排水量和可靠的保障措施，确保满足基坑抗突涌的要求。土方开挖和钢支撑设置密切配合，施工前作好充分准备，尽量减少围护桩墙前沿的无支撑暴露时间，土体开挖后钢支撑架设、预应力施加控制完成时间在16h内。针对条形基坑的特点，基坑土方采取分层分段的方式开挖，根据基坑竖向支撑的层数每施工段按3.5〜4m的分层厚度逐层开挖；根据支撑间距及围檩长度每层土方按6〜9m的分段长度逐段开挖。每层段放坡坡比控制在1：1〜1：1.5范围内，纵向总体放坡坡比控制在1:3.5以上。对于宽度达31.74〜47.86m的主线基坑，每层段采取盆式开挖的方式，先挖中间土，再挖两侧土，开挖放坡控制在1：1〜1：1.5,增加了基坑内侧区域被动土体的保留时间，减少了围护桩墙无支撑暴露时间，确保了支撑的及时形成，减小了时空效应带来的不利影响。5.2施工中有关问题的处理地连墙成槽工艺针对地连墙试成槽过程中，在导墙下22m处(约0.5m标高处)遇到Qa14粉细砂3层，土质致密，液压抓斗下挖困难的情况，采取了两钻一挖的成槽工艺，即开挖前先采用旋挖钻机引孔，孔径ø800mm，孔间距根据三序成槽及抓斗宽度确定(一般2.75m，根据抓斗能力适当缩小)，成孔深度与地下连续墙相同，而后再用液压抓斗开挖。临近房屋的槽壁加固处理由于DLQ20幅地连墙靠近三层学生宿舍楼，经探查宿舍楼基础为砼条形基础，埋深1.2m，最近处距离导墙0.6m。为提高槽壁自身稳定能力，防止槽壁坍塌对房屋造成损坏，在DLQ20幅地连墙成槽前对其槽壁与房屋间的局部土体和DIQ20幅地连墙外侧局部土体采用了双液注浆加固，注浆加固范围为DLQ20幅地连墙外侧1.0m左右，注浆深度为地面下1〜6m，注浆材料采用32.5级普硅水泥-水玻璃双液浆。临基坑建筑物的保护对于JN03-04节西侧临近基坑的10#、13#教工宿舍楼和体育馆等建筑物，考虑距基坑较近(其中10#楼约4.5m；13#楼1.7m；体育馆约4.0m)，且均为浅埋基础，为减小基坑开挖时对其的影响，基坑开挖前采取了相应的加固措施：10#、13#教工宿舍楼临近基坑侧房屋基础采用高压旋喷桩托换加固；JN03节第1〜3层支撑和JN04节第1层支撑采用800x1000mm的C30钢筋混凝土支撑(间距为9.0m)13#教工宿舍楼处基坑内侧5m范围内的被动土体采用高压旋喷桩加固。关于基坑竖向止水帷幕渗漏的处理在JN02节地连墙和排桩相接处，由于竖向止水帷幕旋喷桩的搭接存在盲区，基坑开挖至约llm深，所处地层为夹有薄层粉质粘土及粉砂的粉土层时，基坑侧壁出现渗漏，流土流砂，并引起邻近房屋沉降速率加大，对此我们采取了坑内封堵引流与坑外水泥-水玻璃双液注浆封堵相结合的方式进行了及时处理。关于基坑管涌的处理JN04节基坑施工中，在减压降水达到设计降深的情况下，开挖至接近设计基底时，由于基坑内存在未实施有效封堵的地质勘探孔，为承压水提供了便利的管涌通道，在减压降水后承压水头的作用下，发生了基坑管涌。针对基坑管涌以及周边建筑物和基坑的异常变形，采取了相应的应急处理与恢复施工措施：对涌水点处采取回填滤料反压，减少涌水时的含砂量；针对西侧围护桩的异常变形，在基坑内侧约10m范围内回填土方反压；在已完成的结构底板上立模浇筑素砼坝，回灌水平衡水头压力；在基坑内外增设降水井，加大降深至坑底以下，减缓涌水压力，为恢复施工创造条件；通过回灌水和增设降水井控制管涌后，对涌水点采取水泥-水玻璃双液注浆封堵。关于土体纵向滑移问题由于深层搅拌桩抽条加固基底对开挖深度范围内土体的扰动，而基坑土方开挖与抽条加固施工的间隔时间较短，加之场区内约11m深度处的存在夹有薄层粉质粘土及粉砂的粉土层，基坑开挖时纵向总体放坡坡比在按l:3.5控制的情况下，仍然出现了基坑土体的纵向滑移。为此，将基坑开挖纵向总体放坡坡比进一步加大到1：5，同时通过施工组织，是后续土方开挖与抽条加固施工的间隔时间加大，给了上层土体相对充分的固结时间，土体纵向滑移得到了改善。关于SMW工法桩水泥土强度增长问题对围护结构SMW工法桩，开挖前采取实地取芯进行水泥土28d强度检测发现，大部分水泥土取芯强度达不到设计强度，而机头带出的水泥土28d试件强度检测均满足设计要求，分析原因，判断是由于工法桩地段场区地层主要为呈饱和、流塑.软塑状态的粉质粘土、淤泥质粉质粘土等深厚软土层，水泥土的强度增长缓慢，同时说明采用机头带出的水泥土进行强度检测，不能真实反映搅拌桩的实际情况。为此，我们延迟了工法桩段的基坑开挖时间，给予水泥土充分的强度增长时间，至龄期达到60d以上时重新取芯检测，取芯强度基本满足了设计要求。基坑开挖后揭露的情况也显示此时水泥土连续墙的成形效果比较理想。5.3基坑监测为确保本段明挖隧道安全、顺利地完成，在围护墙、基坑开挖及主体结构施工过程中，采用了信息法施工，根据设计要求及湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/159-2004)的规定和要求，运用了多种手段进行了基坑和周边环境的监测，监测项目十分全面。这里仅就临近基坑受基坑施工影响比较直接的10#、13#教工宿舍楼的监测情况作简要介绍。对10#、13#楼实测沉降资料进行成果分析，两栋建筑物沉降量随时间变化的曲线见图9。从沉降曲线可以看出，在施工过程中两栋建筑物沉降量较大，特别是10#楼已超过警戒值，并且在某些施工阶段沉降速率较大。从10#楼的沉降曲线分析，其几个沉降监测点有着基本相同的变化规律，沉降曲线起伏较大，随时间变化较为复杂，但总体趋势是在开挖初期开始比较均匀的沉降，且沉降量较小，随着开挖深度的增大沉降速度加快，沉降量增大，在浇注完底板有较小的回升后，沉降趋于稳定。同时13#楼的沉降曲线显示，13#楼总体上与10#楼有着相似的变化趋势。通过对10#、13#楼沉降监测成果的分析，可以说明以下几个方面的问题：建筑物的沉降变形主要是由土方开挖所致，在土方开挖期间建筑物的沉降变形速率较快，特别是在基坑开挖至一定阶段时沉降突然加速，开挖暂停时变形速