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：

a.开挖深度>16 m的防淹门段，采用墙厚600mm的地下连续墙；

b.开挖深度10~16m的地段采用直径1000mm、间距1.2 m的钻孔灌注桩；

c.开挖深度5~10m的地段，采用Ф650和Ф850劲性水泥土搅拌连续墙(SMW工法)，其中Ф650桩内插500mm×200mmH型钢(间距900mm)；Ф850桩内插700 mm×300 mmH型钢(间距1200mm)；

d.开挖深度5 m以下的地段，采用拉森鞍Ⅳ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=800×1000mm的C30钢筋混凝土支撑(间距为9.0 m)外，其余均采用Ф609mm δ16mm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Ф800mm钻孔桩支承，支撑间采用联系梁连接。

(3) 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：

(1) 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；

(2) 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：

(1) 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Ф600mm高压旋喷桩止水，见图4地连墙接缝防水示意图。

(2) 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Ф1300mm，摆喷体角度1800，见图5摆喷止水帷幕示意图；

(3) 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Ф600mm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；

(4) 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。

(5) 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：

式(1)中：γty——坑底突涌抗力分项系数，对于大面积普遍开挖应>1.2；

D——坑底至承压水层顶板的距离；

γ——D范围内土的平均天然重度；

Hw——承压水水头高度；

γw——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5 m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19 m/d)；

M——含水层厚度(取值32.3 m)；

R——抽水影响半径(取值250 m)；

Qi——单井抽水量(m3/d)；

ri——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35~38 m(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》(DB 42/159-2004)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：

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：

δui——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=1.71 cm(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