段坚堤

（长沙市规划勘测设计研究院，湖南长沙 410007）

长沙南湖路湘江隧道岸上段基坑围护结构选型分析

段坚堤

（长沙市规划勘测设计研究院，湖南长沙 410007）

为减少城市中复杂周边环境下明挖隧道基坑因围护结构选型不合理造成的施工事故和经济浪费，在总结前人研究成果的基础上，以长沙市南湖路湘江隧道岸上段明挖基坑为例，对周边建筑物和管线密集道路下的深基坑、相互交错且不同深度的隧道基坑及相互临近基坑的围护结构选型和设计进行了较为详细地介绍，并得出以下结论：1）对于城市道路下明挖基坑，特别是对于路下管网和建筑物密集地段，建议采用防止侧向变形较好的排桩（或连续墙）＋内支撑的围护结构形式，可以有效地控制基坑变形；2）对于基坑深度差别不大，且具有一定距离的临近基坑，建议采用互不影响的共用对拉围护结构；3）对于复杂线路、深度差别较大，且基坑之间夹层较薄的交错基坑，建议采用共用基坑短桩及有限放坡的围护结构形式。

湘江隧道；临近建筑基坑；盾构井；围护结构

0 引言

我国城市有着依水而建、依江而立的传统，但随着城市建设的不断发展，江河反而成了阻断城市交通的主要障碍。为了满足城市交通需求及景观的要求，连接两岸的主要手段越来越多的采用隧道形式，隧道两端与地面连接段需采用明挖施工，因此如何在城市中心安全地进行大型市政交通隧道基坑建设尤为重要。

城市中隧道基坑基本位于道路下，其两侧房屋密集，管线众多，如何进行基坑围护的选型和设计是确保基坑安全的重点。文献［1－2］介绍了深基坑围护结构的主要类型、适用范围及基坑围护结构选型的主要原则。文献［3－4］介绍了不同地铁车站明挖基坑围护结构的选型及围护结构支挡体系的相关设计，通过采用不同的围护结构，保证了地铁深基坑的施工安全。文献［5］对深基坑支护方案和所选支护类型细部结构的设计2个方面的优化进行了探讨，并给出了深基坑围护结构的优化方式。文献［6］介绍了基坑周边存在地铁区间等地下建筑构造物的情况下围护结构的选择，并给出相应的计算结果。

国内对于基坑的单一支护形式、支护结构的计算及优化方式等相关内容进行了深入的研究，也取得了较为丰硕的成果，但对城市中大型市政交通隧道基坑工程的组合支护形式的选型及设计，相关文献相对较少。本文以长沙南湖路湘江隧道岸上段明挖基坑为例，对临近基坑、共用基坑及道路下隧道基坑等地下结构的基坑支护形式的选择和设计进行介绍，对于临近基坑、薄夹层基坑等基坑提出了共用对拉围护结构和共用基坑短桩放坡的围护结构形式，希望为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

长沙市南湖路湘江隧道位于橘子洲头上游约100 m，南距猴子石大桥约3.0 km，北距橘子洲大桥约3.4 km。隧道西起湘江西岸潇湘大道，下穿湘江，东接南湖路。

主线西岸端通过4条定向匝道以蝶型方式连至潇湘大道上，主线东岸端的北线隧道洞口设置于书院路以西，南线隧道洞口穿过书院路，设置于书院路以东。南线在书院路口西往南及西往北设置定向匝道，连通书院路。其隧道平面效果如图1所示。

图1 隧道平面效果图Fig.1 Plan of Xiangjiang river crossing tunnel

1.2 工程地质及水文地质

1.2.1 工程地质

隧址区地层主要由第四系人工堆积物、河流冲积物（粉质黏土、细砂、圆砾）和残积粉质黏土组成。基岩以白垩系砾岩为主，石炭系白云岩次之，其在橘子洲头以不整合形式出现，均下伏第四系松散层之下。湘江西岸第四系地层具有明显的河流相二元结构特征。

西岸明挖隧道底板以上地层主要有杂填土、粉质黏土、粉细砂、卵石、圆砾和风化砾岩层；东岸明挖隧道底板以上地层主要有杂填土、素填土、粉质黏土和强风化砾岩。具体地层参数如表1所示。

表1 隧道基坑支护参数建议值Table 1 Proposed parameters of support of foundation pits of Xiangjiang river crossing tunnel

1.2.2 水文地质

拟建场地地下水的环境类型为Ⅱ类，主要有以下2种。

1）上层滞水。赋存于人工填土中，建设地段含水层位于杂填土之间，缺失稳定隔水层，极易形成稳定的潜水面，上层滞水稳定水位为28.44～35.88 m。

2）砾岩裂隙水。与湘江水互为连通，具有承压性，场地内地下水与湘江水有直接水力联系。

2 隧道明挖地段分布情况

明挖段隧道主要分布于湘江两岸，根据隧道所处地段和其功能定位，主要分为湘江东西岸一般段、东岸盾构始发井段和临近建筑基坑段，湘江西岸交叉段和盾构接收井段，具体位置如图2和图3所示。

图2 湘江东岸明挖段分布图Fig.2 Distribution of cut-and-cover tunnel section on east side to bank of Xiangjiang river

2.1 东、西岸一般地段

隧道一般地段主要位于地面道路下，为单条匝道独立开挖基坑段，基坑深度较浅，均不大于10 m。东岸地层存在较厚杂填土层，西岸基坑范围存在较厚粉细砂透水层。由于地面道路为城市主干道，施工时必须进行交通疏解，保证交通顺畅。东岸道路两侧地块房屋密集，道路交叉口处已建地下通道需在隧道施工同期予以拆除。

2.2 东岸盾构始发井段

东岸盾构井位于湘江大道以东的南湖路上，西距湘江大道约110 m，北线基坑深20.6 m，南线基坑深24.97 m，长×宽为42.8 m×27.6 m。由于需要满足盾构井围护始发条件，盾构井围护结构受力分盾构井开挖和盾构始发2个阶段，同时始发井周边需考虑管片和大型设备存放场地超载。

图3 湘江西岸明挖段分布图Fig.3 Distribution of cut-and-cover tunnel section on west side to bank of Xiangjiang river

2.3 临近建筑基坑段

盾构始发后配套及主线隧道基坑北侧与保利基坑相邻，约13 m，最小间距9.4 m，受工程项目管理、建设工期、施工场地布置及施工道路等因素影响，无法合并施工。后配套明挖基坑深度18.20～17.08 m，基坑宽度30.00～30.56 m，隧道北线基坑最深9.91 m，南线基坑深度15.49～10.94 m，临近的保利基坑深9.80 m。基坑南侧为底层民房，周边地下市政管网需配合道路整改新建。

2.4 西岸交叉隧道段

按照交通需要，西岸4条匝道均需与潇湘中路衔接，由于南北线距离较近，造成匝道之间相互重叠交叉，在路口形成了高低、连体等复杂的基坑形式。4条匝道基坑深度约0.5～18.12 m，其中：A，D匝道分别施作各自围护结构，与其他匝道互不干扰；而B，C匝道在里程交叉长度230 m范围设置为同一大基坑，同时施工B，C匝道主体结构。施工期间必须进行交通疏解，以保证交通顺畅。

2.5 西岸盾构接收井段

由于线间距过大，西岸设置南北线2个盾构接收井，均位于潇湘大道下。湘江大堤边高出路面约4 m，围护结构施工时，需要破除部分大堤的边角。北线盾构井基坑深度23.87 m，后配套及北线分岔大跨段基坑深度18.60～16.60 m；南线盾构井基坑深度24.58 m，后配套及南线分岔大跨段基坑深度19.40～18.30 m。基坑范围软弱地层及强透水地层厚度达18.9 m。

3 围护结构类型及选用原则

3.1 基坑围护结构主要类型

基坑开挖围护施工主要有：放坡开挖和带支护体系的施工开挖［1－3］。

1）放坡无支护形式。放坡开挖是一种无支护，依靠土体自然稳定以保证基坑安全的一种围护结构。此法既简单又经济，主要适应于地势开阔、管线及房屋较少的地段。

2）带支护体系的围护结构形式。在不具备放坡开挖的条件下，需要采用一定的支护手段，以保证基坑施工的范围尽量小，将对建（构）筑物的影响降到最低。根据不同的地质情况与现场边界条件，基坑支护形式的围护结构多种多样。

3.2 围护结构选用原则

基坑围护结构选用主要从地质条件、地下水位、建设场地、基坑深度及大小、经济等方面进行考虑，确定适合工程基坑的围护结构［1］。

1）地质条件。在地质条件较好的情况下，可考虑采用土钉墙或喷锚支护等；如果地质条件差时，可采用地下连续墙或重力式挡墙。

2）地下水位。对于地下水较低的情况，可以不采用带有止水效果的围护结构；对于地下水位较高的情况，应采用带有止水效果的围护结构或者增加止水措施。

3）建设场地条件。基坑周边建设场地是否开阔，直接关系到基坑围护结构允许位移的大小。如果场地开阔，可采用放坡开挖、土钉墙、上段放坡下段重力式挡墙支护、悬臂式、桩锚式及锚拉式等支护结构；如果场地较为狭窄且周边建构筑物较为密集，则采用位移和沉降控制较好的地下连续墙、钻孔灌注桩加支撑或锚索的围护结构。

4）基坑开挖深度和大小。当基坑开挖深度不大时，可采用悬臂式支护结构，并考虑防水；当开挖深度较大时，可根据受力情况采用单支点、多支点的地下连续墙或钻孔灌注桩等支护结构加止水帷幕。当基坑开挖范围较小时，可采用锚撑支护结构加止水措施；当基坑开挖范围较大时，可采用“二墙一”地下连续墙附加钢筋土桁架支撑方案，或单、多层锚索支护结构加止水帷幕。

4 分段围护结构选型

4.1 东、西岸一般段围护结构选型

对于地面道路下基坑，考虑地层和周边地块环境，主要采用钻孔灌注桩加钢管撑（φ609 mm，壁厚16 mm）的内支撑围护结构体系。为防止管涌，东岸桩间采用0.8 m直径旋喷桩止水帷幕，西岸采用双排0.8 m直径旋喷桩止水帷幕。经过结构计算，不同深度段钻孔桩直径采用0.8 m和1.0 m，间距分别为1.0 m 和1.3 m。某匝道围护平面如图4所示。

图4 某匝道围护平面图Fig.4 Plan of retaining structure of a ramp tunnel

对于道路交叉口处基坑，由于同期拆除地下过街通道，有条件放坡开挖，基坑采用土钉支护，土钉采用φ28 mmⅡ级钢筋，钻孔直径120 mm，网喷100 mm厚C20混凝土。某匝道围护横断面如图5所示。

4.2 东岸盾构始发井段围护结构选型

围护结构在盾构始发阶段为了满足盾构的吊装，无法布置支撑，同时距盾构井北侧约13 m左右为保利基坑，深约9.8 m。

为保证基坑安全与稳定，盾构井开挖阶段采用连续墙＋内支撑体系，连续墙厚0.8 m，连续墙嵌固深度为5 m，第1道支撑采用环框梁（1 400 mm×2 600 mm），以下采用钢管撑（φ609 mm，t＝16 m）的内支撑形式。同时由于距保利基坑较近，盾构井北侧和保利基坑的钻孔桩（φ1 200 mm＠2 000 mm）采用1道顶部连梁（1 000 mm×1 000 mm，间距4 m）＋2道对拉锚索，使其组成一个受力整体，作为此段基坑的围护结构。

盾构井在盾构始发阶段采用连续墙＋环框梁＋锚索的围护体系。由于盾构始发，需要拆除内支撑，围护结构支撑受力转换为锚索和环框梁受力。在围护结构顶（1 400 mm×2 600mm）、南线盾构顶（1 200 mm×2 500 mm）及北线盾构顶（1 400 mm×2 500 mm）设置3道闭合的环框梁，并在南侧打设4道锚索，北侧打设1道锚索，锚索自由段长度5～7 m，总长15～25 m，预加张力300～400 kN。同时在盾构始发时，在盾构井西侧设置3个真空降水井，以减少此面连续墙上的荷载。盾构井围护结构如图6所示。

4.3 临近建筑基坑段围护结构选型

隧道基坑施工时，保利基坑已开挖了北侧，正进行南侧基坑的开挖，为了保证相邻基坑的稳定，需要考虑相邻基坑的安全性和围护结构之间的相对关系［7－8］，结合2个基坑的相对位置及高程关系，将2个基坑的围护桩组成一个整体受力体系［9］。钻孔桩（φ1.0 m＠1.3 m）采用1道顶部连梁（1 200 mm× 800 mm，间距4 m）＋2道对拉锚索（间距4 m），使其组成一个受力整体。桩间采用直径0.8 m的旋喷桩进行基坑止水。

图5 某匝道围护横断面图（单位：mm）Fig.5 Profile of retaining structure of a ramp tunnel（mm）

图6 盾构井围护结构平面图Fig.6 Plan of retaining structure of shield launching/arriving shaft

围护结构南侧采用钻孔桩＋锚索的围护体系。钻孔桩为φ1.0 m＠1.3 m，打设3～4道锚索，锚索自由段长度5～7 m，总长15～20 m，预加张力200～350 kN。南、北线隧道基坑之间采用喷锚支护。临近建筑基坑围护结构横断面如图7所示。

4.4 湘江西岸交叉段围护结构选型

B，C匝道在里程临近和交叉处设置为同一大基坑，因2个匝道线路走坡相反，基坑在中间约50 m段，基底标高差异较大，故在该范围基坑内设置了钻孔桩（φ0.8 m＠1.0 m）支护，其他里程基底标高差异采用放坡支护处理。B，C匝道换撑采用2种支撑方式：一种为两端支撑于侧墙上；另一种为一端支撑于侧墙上，另一端支撑于底板上。B，C匝道局部设置1～2排临时中立柱及联系梁，中立柱采用L200×20角钢，联系梁采用［40C型钢。交叉段围护结构平面及横断面如图8和图9所示。

图7 临近建筑基坑围护结构横断面图（单位：mm）Fig.7 Profile of retaining structure of foundation pit adjacent to building（mm）

4.5 盾构接收井段围护结构选型

经过必选计算，南、北线盾构井基坑均采用1 m厚连续墙＋5道混凝土内支撑，在拆除第4道和第3道支撑前进行换撑。南、北线大跨段基坑均采用1.0 m钻孔桩＋4道支撑，前3道为混凝土支撑，第4道采用钢支撑（φ609 mm，壁厚16 mm），在拆除第3道支撑前进行换撑。所有换撑均采用钢支撑（φ609 mm，壁厚16 mm），换撑处需预埋钢板。

西岸盾构井临近湘江，地下连续墙墙缝采用2根高压旋桩喷止水，钻孔桩间采用双排高压旋喷桩止水，外排止水帷幕深度切断透水层，进入不透水层深度不小于2.5 m。北线大跨度围护结构平面及横断面如图9和图10所示。

图8 交叉段围护结构平面图Fig.8 Plan of retaining structure of lapping tunnel section

图9 临交叉段围护结构横断面图（单位：mm）Fig.9 Profile of retaining structure of lapping tunnel section（mm）

图10 北线大跨段围护结构平面图Fig.10 Plan of retaining structure of large-span section of north tunnel tube

图11 北线大跨段围护结构横断面图（单位：mm）Fig.11 Profile of retaining structure of large-span section of north tunnel tube（mm）

5 结论与讨论

本工程已于2013年12月建成通车。现场维护结构监测结果显示，围护结构内力和地表位移均未出现异常，表明明挖段围护结构的选型是安全合理的。讨论与建议如下。

1）对于城市中道路下明挖基坑，为了减少因为基坑开挖造成的地面沉降和周边建筑物的侧向变形，特别对于道路下管网和建筑物密集地段，建议采用防止侧向变形较好的排桩（或连续墙）＋内支撑的围护结构形式，可以有效控制基坑变形。

2）由于隧道线路变化，相邻隧道可能距离较近，对于此类结构，如果在条件允许的前提下，建议采用共用基坑，这样既可以减少基坑围护结构的工程量，又可以减少施工工序造成的人为错误。对于共用基坑内的高低基坑可以采用优化支撑布置、增加短桩及有限放坡的方式进行解决。

3）对于间距较近且无法共用基坑的地下结构工程，相邻的围护结构建议采用对拉模式。将2个基坑的直立围护结构进行连接，形成一个近似重力式直立挡墙结构，此结构除了可以保证此段围护结构的自身稳定，在一定程度上也可以承受对撑的横向力。

4）基坑支护作为一个结构体系，其选型除了应根据地质条件、周边环境要求、不同支护体系的特点及造价等因素出发进行选择，还应考虑围护结构形式对周边环境及人员出行的影响。

（References）：

［1］ 刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［2］ 王庆，潘志刚.基坑支护结构类型及选型原则综述［J］.西部探矿工程，2005，17（5）：7－8.

［3］ 贺维国.多型式支护在同一基坑中的运用［J］.隧道建设，2005，25（1）：61－63.

［4］ 吴翔天，丁烈勇，周诚，等.武汉地铁车站深基坑支护结构选型研究［J］.土木工程与管理学报，2011，28（1）：43－47.（WU Xiangtian，DING Lieyong，ZHOU Cheng，et al.Research on selection of support structural type for deep foundation pit in Wuhan Metro station［J］.Journal of Civil Engineering and Management，2011，28（1）：43－47.（in Chinese））

［5］ 肖武权，冷伍明.深基坑支护结构设计的优化方法［J］.岩土力学，2007，28（6）：1201－1204，1211.（XIAO Wuquan，LENG Wuming.Optimization methods of retaining structure in deep foundation pit［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（6）：1201－1204，1211.（in Chinese））

［6］ 张少林，吕垠杰，张鑫，等.深基坑开挖对临近地铁结构影响研究［J］.广东建材，2009，25（8）：16-18.

［7］ 王伟.紧邻新建地铁深基坑的既有地铁结构安全性评估与监控［J］.铁道建筑技术，2012（2）：34－38.（WANG Wei.Safety evaluation and monitoring of existing railway near the deep foundation pit of newly built railway［J］.Railway Construction Technology，2012（2）：34－38.（in Chiness））

［8］ 刘楠，李振.铁路明挖车站宽大深基坑开挖对相邻建筑物影响的评估［J］.隧道建设，2012，32（3）：328－331.（LIU Nan，LI Zhen.Evaluation on influence on adjacent buildings induced by excavation of large and deep foundation pits［J］.Tunnel Construction，2012，32（3）：328－331.（in chinese））

［9］ 陈海军，郝国鹏.对拉结构在邻近深基坑中的应用［J］.隧道建设，2013，33（3）：215－219.（CHEN Haijun，HAO Guopeng.Application of cross structures in neighboring foundation pits［J］.Tunnel Construction，2013，33（3）：215 －219.（in Chinese））

Case Study on Selection of Proper Retaining Structures for Different Types of Foundation Pits of Nanhulu Xiangjiang River Crossing Tunnel in Changsha，China

DUAN Jiandi
（Changsha Planning＆Design Survey Research Institute，Changsha 410007，Hunan，China）

The on-shore section of Nanhulu Xiangjiang river crossing tunnel in Changsha has different types of foundation pits.Proper retaining structures should be selected for these different types of foundation pits so as to avoid accidents during construction and，on the other hand，to minimize the construction cost.In the paper，the selection and design of proper retaining structures for these different types of foundation pits are presented.Conclusions drawn are as follows：1）For open-cut foundation pits under urban roads，especially for foundation pits interfered with concentrated utility lines and buildings，retaining structures consisting of rowed piles（or diaphragm walls）and internal bracing should be adopted so as to control the lateral deformation；2）For neighboring foundation pits with almost the same depths and some distance in between，tying retaining structures should be adopted；3）For alignment-complex foundation pits with great depth difference and small spacing，retaining structures with common short piles and open cutting should be adopted.

Xiangjiang river crossing tunnel；foundation pit adjacent to building；shield launching/arriving shaft；retaining structure

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.006

U 45

A

1672－741X（2014）04－0324－07

2013－12－17；

2014－03－27

段坚堤（1961—），男，湖南长沙人，1982年毕业于同济大学，工程地质及水文地质专业，本科，高级工程师，现从事工程地质勘查、地下工程设计工作。