下穿隧道基坑支护设计与施工的优化
【摘要】主要介绍在复杂地质及周边环境条件下的下穿隧道深基坑支护方案的优化，并对特殊部位进行施工优化。
【关键词】优化，新三管法，壁挂式复合，土钉墙
1概述
1.1概况
珠海市南湾立交工程下穿隧道工程位于珠海市香洲区南屏镇省道S366线与南湾大道相接的立交口,承担着市区内东西快速交通及转换功能，是省道S366线(高速公路)改建工程中先期第一个实施的重要工程。本工程中下穿隧道是控制整个工程进度的关键工程，主要难点如下：
①隧道基坑开挖深度变幅大，由2.5m变化到8.7m，局部泵房开挖深度达11.7m；基坑支护线长达1.13公里，地质条件多变；基坑两侧15m距离内的临时道路承担着整个珠海大道与南湾大道的交通，20m以外有16层的高层建筑和10层以下的建筑群，为达到安全经济目标的基坑止水支护方案优化难度大。
②管线复杂：本工程所处地理位置地下管线密布，种类繁多。有电力（其中含有高压供电）、电信光纤、污水管、煤气管道等；特别是2条军用光缆和2条2万伏电压电缆横穿隧道，不能移动或中断，给隧道基坑止水支护及开挖带来极大的困难。
1.2岩土条件
地质条件差且复杂多变，水位高（混合地下水静止水位埋深为2m左右）：第四系海陆交互相淤积层分布广，淤泥为饱和流塑状，局部厚度超过7m，强度低，自稳性差；局部下伏粘土层硬度大，人工杂填土中含块石、建筑垃圾多，局部地段存在人工填石层，填石层空隙大，渗漏严重；表层软弱残积土中夹杂大块坚硬的未风化花岗岩，以上不良地质给基坑止水帷幕、边坡支护带来诸多难题。
2设计方案的优化及实施效果
原图纸设计方案主要使用桩锚式支护技术：深度小于5m时，采用水泥搅拌桩格构式挡墙挡土，竖向水泥搅拌桩起隔水作用；基坑深度大于5m时，采用顶部1.5m高度局部放坡+钻孔灌注桩+预应力锚索+水泥搅拌桩止水帷幕的支护结构。
该方案存在以下不足：①实施安全风险大。原方案必须使用大型桩机在管线周边施工活动、冲击钻进，对管线的安全隐患大；且水泥搅拌桩桩机施工遇到块石或孤石则不能钻进或发生偏钻，存在止水帷幕中断或不能连续的隐患，容量引起边坡涌水、流土、坍塌及地面塌陷、危及周边建筑物安全等问题。②局部位置方案无法实施。在管线部位钻孔水下混凝土灌注支护桩和止水帷幕水泥搅拌桩均不能施工。③方案实施造价高。经测算，原方案的预算造价高达2623万，预算结果表明仅土方开挖和支护工程的亏损将超过1000万以上。
鉴于上述原因，我司提出了复合土钉墙支护结构方案：采用顶部2.5m高度局部放坡+竖向加筋水泥搅拌桩（或高压旋喷桩）+斜向预应力锚索或普通锚杆支护结构，竖向水泥搅拌桩或高压旋喷桩起隔水作用。由于本工程存在岩土力学参数较好的下卧层，该支护较易通过基坑安全验算。
该方案优点如下：①止水帷幕采用高压旋喷桩代替水泥搅拌桩，解决了多石地段和管线部位不能施工水泥搅拌桩和钻孔灌注桩的难题，避免了使用水泥搅拌桩和钻孔灌注桩大型机械的安全隐患；②预应力锚索均伸入稳定的粘性土或花岗岩层中，解决了原设计安全性差的问题；③因复合土钉墙各组合构件设计可根据地质条件和开挖深度灵活增减，积极利用水泥拌合土对土体的加固和支挡功能，就地使用原状土和便宜的水泥作为材料，减少昂贵的钢材用量，加之其施工机械普遍便宜，工价便宜，工程预算价约780万，比原方案降低了1643万，达到了大幅度降低工程成本的目的。
3特殊部位的施工优化及实施效果
3.1跨管线部位基坑
线左ZK9+964.58~ZK10+028.58开挖深度6~8.7m,该段在两个位置上分别有2条驻澳部队的军用光缆和2条2万伏的高压电力线横穿隧道基坑，与止水帷幕方向垂直。由于客观条件和工期限制，要求在管线迁改之前闭合整个基坑的止水帷幕。因此止水帷幕过管线是本工程又一施工难点。
根据现场电缆沟尺寸，管线两侧高喷钻孔中心最大间距为100cm，高喷桩设计咬合25cm以上,桩直径要求达到150cm才能满足要求。但是在标准贯入击数20＜N＜27.5的硬塑状粘性土中，一般的高压旋喷技术成桩直径很难达到φ150cm，管线部位基坑开挖深度8m，止水帷幕设计深度要求进入基底以下亚粘土2.5m，在硬质亚粘土中成桩长度达4.2m，为了获得大桩径的高压旋喷桩我司决定采用新三管法高喷技术施工。
新三管法是先用高压水和气冲击切割地层土体，然后再用较高压力的水泥浆对土体进行二次切割和喷入。水、气喷嘴和浆、气喷嘴铅直间距约0.5～0.6m。由于水的粘滞性小，易于进入较小空隙中产生水楔劈裂效应，对于冲切置换细颗粒有较好的作用。高压浆液射流对地层二次喷射不仅增大了喷射半径，使浆液均匀注入被破坏的地层，而且由于浆、气喷嘴和水、气喷嘴间距较大，水对浆液的稀释作用减小，使实际灌入的浆量增多，提高了凝结体的结石率和强度，该法高喷质量优于三管法，成桩直径也较大。
3.2泵房段基坑
基坑开挖深度11.7m，在该段止水帷幕水泥搅拌桩试桩过程中发现，搅拌桩施工至地面以下8.5～9.5米处时，钻头遇到坚硬的土层无法下钻达到设计深度，墙趾距离基坑底面垂直高差3米左右。若基坑按原设计方案垂直下挖至基底标高，水泥搅拌桩呈“悬空”状态，整个复合土钉墙支护结构呈壁挂状，原设计复合土钉墙各种组合结构相互支持共同作用的机理发生破坏，发生基脚失稳或渗流破坏的可能性大，危及基坑安全。
考虑到硬质土层的坚硬程度，不宜采用高压旋喷桩替代水泥搅拌桩，也不宜采用钢板桩支护，却可以充分利用硬塑性粘土具有较高抗剪强度的特性，放坡开挖水泥搅拌桩桩底以下基坑土方，提出了壁挂式复合土钉墙施工方案。
①坡脚悬空部分放坡开挖。水泥搅拌桩平面位置外移5.5m，基坑底部3.5～4m高度内的土方放坡开挖，坡度1:1，坡顶设1.5m宽度平台，顶面高出水泥搅拌桩底约1m。
②设置抗滑加固桩。坡脚抗滑加固桩采用两排微型钢管桩，钢管桩采用φ114mm、壁厚3.5mm，单根长度12m，与原设计搅拌桩长度相等，伸入基底以下土层2.8m，浆体强度不低于20MPa。外排钢管桩设在外排水泥搅拌中心，内排设在内排水泥搅拌桩中心，桩排距0.9m，桩间距0.6m。钢管桩采用先钻孔安装钢管，后压密注浆的施工工艺。
③排水降水及渗流稳定性验算,防止流砂现象。在基坑边坡顶部及坡脚平台顶设截水沟，在泵房基底四周设排水沟，并在泵房远离基坑边坡的一侧的墙体外侧设置口径1.2m的降水井3个，距离垂直边坡面水平距离18m，深度3m，井内放钢筋笼，笼外填碎石。泵房基底设20cm砂滤层，砂层及基底排水沟与降水井连通。根据渗流破坏研究成果，设计渗流逸出处的水力梯度ί＜[ί]，土粒不会处于悬浮状态而失去稳定，不会发生流砂现象。
④坡面防护及基底硬化。坡面挂网喷射C20混凝土，厚度10cm，钢筋网为ø6@200×200。基底砂垫层上设C20混凝土垫层，厚度10cm。
⑤壁挂式复合土钉墙锚索及土钉优化设计
根据修改后的基坑工况，部分考虑抗滑加固桩的作用，使用土钉墙设计程序，采用圆弧滑动面条分法对各工况下基坑稳定性进行验算，对锚索及土钉进行调整。调整后基坑支护结构为：顶部2.5m高度放坡开挖+4排水泥搅拌桩+2排钢管桩+1排锚索+4排钢花管土钉+底部4m高度放坡开挖+坡面网喷。预应力锚索较原设计减少１排，采用4øs15.2、标准强度fpk=1860Mpa的高强度低松驰钢绞线土锚，向下倾角25°，水平间距由原设计2.4m加密成1.2m，单根长度25m，自由长度5m，设计抗拔力加大到400KN，锁定力320KN。土钉采用ø48钢花管，向下倾角25°，最上一层与锚索参花布置，水平间距2.4m，长度12m，以下3层水平间距1.2m，长度12～8m
4结语
“壁挂式”复合土钉墙支护施工技术解决施工难题，为一种新型的基坑支护方式，值得进一步深入研究。
