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 .(1) 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≯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。

(2) 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。

(3) 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≮18%控制。

(4) 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≮50m3/h，单井抽水含砂量不超过1/100000。

(5) 止水帷幕施工：针对不同的帷幕形式，采用不同的工艺：Ф1300mm摆喷采用二重管旋喷工艺，Ф600mm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≮18%控制。

为防止串孔，采取两序施工(间隔一个)的方式。

(6) 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≮12%控制。

5.1.2 支撑及土方施工(1) 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。

(2) 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。

(3) 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。