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摘 要：随着经济的发展和社会的进步，交通方式也不断创新，隧道正逐渐成为新型的交通方式。隧道基坑支护技术是明挖隧道施工过程中至关重要的一种技术，本文对一个典型的明挖隧道基坑支护设计进行了分析和总结，希望能够为同行提供借鉴。
关键词：隧道明挖法施工；基坑支护；仿真分析；方案比选。
中图分类号：TV551文献标识码： A
城市隧道建设，不可避免地要穿越一些建、构筑物，包括城市桥梁、地铁、楼房、市政管道等，密集的区域。隧道明挖基坑紧邻既有建、构筑物，作为大开挖施工的支护结构，要求对周边岩土体变形和沉降起到严格的控制作用，从而大大地增添了明挖法施工难度。为此，是否针对特定情形，采取了最优的基坑支护形式，是化解这类疑难的关键所在。设计中，应对基坑特定区段，准确模拟预设的各类施工步骤，进行仿真分析，以明晰支护结构、基坑影响范畴以内的地表、建、构筑物变形发展趋势，为后续的建造流程，提供可用的指引。
一、工程概况
广州市天河区花城大道东延线首期工程下沉隧道下穿华南快速路高架桥梁，高架桥桥墩采用双柱式盖梁柱式墩，桩基为直径1.3米的嵌岩桩，基岩为微风化泥质粉砂岩。下沉隧道分南、北线两线分别从桥墩南、北两侧穿过，开挖深度接近10米，隧道明挖基坑也分出了南、北两线，同步挖掘、支护和回填。基坑边缘距桩基最小距离不足2米，基坑正下方是正在运营的广州地铁五号线。
南、北基坑中间桥墩桩基础和其周边的土体，因被支护桩围住而存留下来，形成坑内孤岛。桥墩桩基础在隧道施工期间，保持原始的受力模式。与此同时，支护桩形成的包围构架，也形成隧道施工期间高架桥墩的保护构架。
图1基坑平面图
支护桩受桥下净空限制，采用直径1.2米和直径1.4米人工挖孔灌注桩，内支撑采用两道钢筋砼。支护桩周围布设高压旋喷桩止水帷幕。孤岛中留存的土体，也采用旋喷桩予以固结加固。
图2基坑横断面图
本工程基坑虽然规模不大，但周边环境对工程的敏感程度不言而喻，如何降低施工对建、构筑物影响，在合理的投资下，最大限度确保工程安全，是本工程重难点所在。
二、仿真分析
本工程采用Midas GTS软件进行二维仿真分析，水平方向取基坑边缘以外三倍开挖深度范围，垂直方向取基坑开挖深度两倍范围。对本工程重点关注的基坑边缘岩土体、基坑支护结构及桥墩桩基础等部位的网格进行细化处理，将整个计算模型划分为12675个，节点为5732个。
圖3二维网格模型
计算工况模拟如下
D1：开挖表层1.2m土体并设置第一道内支撑；
D2: 开挖至坑内4.2m深，并设置第二道内支撑；
D3: 开挖至基底；
D4: 侧墙浇筑至第二道支撑下方0.5m处，设临时支撑后拆除第二道支撑；
D5: 顶板浇筑后，拆除第一道内支撑。
表1仿真分析结果一览表
注：警戒值按《建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009》确定
从上面的计算结果看，设计支护方案对基坑周边岩土体起到较明显的加强作用，桥梁桩基、支护结构和外围岩土体理论变形量控制在相对较小的范围内，基坑和桥梁稳定性均有保证。后续施工过程的环境监测数据也表明，仿真分析的确较好的反映了基坑和周边环境的变形趋势，虽然计算值与实际监测结果存在一定差异，但鉴于岩土工程计算分析离散性较大，这一现象也是可以理解的。
三、基坑支护方案的比选
（一）支护桩形式的比选
由于明挖基坑位于高架桥梁下方，施工净空仅有约4.3米，一般的支护桩施工机械都无法进入。设计时，笔者曾对比过多排树根桩和人工挖孔桩两种支护桩形式。树根桩目前在国内主要用于地基加固处理，在基坑支护中的应用仍不是很广泛，理论计算研究也还不成熟。且树根桩由于桩径小，整体性和抗变形能力都较差，对施工质量的控制要求也很高。
人工挖孔桩由于桩径大，刚度也大，对控制支护结构变形有着明显的优势，理论计算和施工工艺也已经很成熟。而本项目地质主要以可塑状态的粉质粘土、粘土为主，并不违反广东省关于禁止使用人工挖孔桩的规定，只要严格遵循按施工规范，施工安全和质量是可以保证的。
（二）支撑形式的比选
本工程支护设计时，分别比较了预应力锚索支撑、一道钢筋砼顶撑加两道设置了预压力的钢管内支撑的组合体系，和两道钢筋砼内支撑体系这三种不同的内支撑形式。在同等水平间距布置下，后者的支撑刚度要明显大于前面两种形式，更好地控制了支护结构和周边环境的变形。可见，当明挖基坑需特别严格地控制周边环境变形时，选用钢筋砼内支撑往往能获得更佳的设计效果；但当环境控制要求不是特别严格时，采用施工空间大的锚索支撑或方便拆卸型钢内支撑则更为合适。
（三）完善的监测机制
对于高风险的深基坑工程，动态施工管理向来是工程安全保障的关键工作之一。本次支护设计中编制了全面而细致的基坑及周边环境监测专项设计，该专项设计中对支护结构的内力、变形、位移，和周边环境，包括桥梁结构的沉降、位移，岩土体的变形、沉降，地下水位变化等项目，都提出了具体而明确的监测要求，为及时调整施工方案，确保工程安全提供了重要的指导信息。
四、施工控制重点
首先，本工程明挖基坑从桥墩南、北两侧穿过，桥墩桩基础被支护桩围住形成孤岛。与此同时，南、北两侧用于平衡坑外土压力的内支撑又同时将荷载传递到这孤岛上。这种设计虽然最大限度地保护了桥墩竖向承载力，但为避免使桩基础承受本不应承受的水平荷载，设计文件中必须要求施工时严格执行南、北两侧基坑对称开挖、对称支撑、对称回填、对称拆撑的施工顺序，两侧开挖深度和回填高度相差不得超过1m。
其次，除了基坑上方的高架桥外，基坑下方正在运营的广州地铁五号线员潭盾构区间的安全，同样不可忽视。设计方案除严格执行地铁保护要求，控制支护结构与地铁的距离，还格外强调严禁采用冲击、爆破的施工工艺，并要求支护桩、止水桩既要满足深度要求，而且也不能超长，以保证盾构区间安全。
结束语
明挖隧道基坑支护设计，应根据工程对周边环境保护要求的不同，具体情况具体分析，采取有针对性的支护设计方案，以安全为大前提，兼顾经济性、可操作性，而不应生搬硬套、一味抄袭。
参考文献：
[1]杨晓杰.地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究 [J].地下空间与工程学报，2010年6月.
[2]尹光明.城市隧道临近建筑物超深基坑支护理论与安全控制技术研究 [D].中南大学，2012年4月.
[3]华南大桥北引桥及桥底基坑变形监测简报 广东省地质建设工程勘察院，2013年12月.
关键词：隧道明挖法施工；基坑支护；仿真分析；方案比选。
中图分类号：TV551文献标识码： A
城市隧道建设，不可避免地要穿越一些建、构筑物，包括城市桥梁、地铁、楼房、市政管道等，密集的区域。隧道明挖基坑紧邻既有建、构筑物，作为大开挖施工的支护结构，要求对周边岩土体变形和沉降起到严格的控制作用，从而大大地增添了明挖法施工难度。为此，是否针对特定情形，采取了最优的基坑支护形式，是化解这类疑难的关键所在。设计中，应对基坑特定区段，准确模拟预设的各类施工步骤，进行仿真分析，以明晰支护结构、基坑影响范畴以内的地表、建、构筑物变形发展趋势，为后续的建造流程，提供可用的指引。
一、工程概况
广州市天河区花城大道东延线首期工程下沉隧道下穿华南快速路高架桥梁，高架桥桥墩采用双柱式盖梁柱式墩，桩基为直径1.3米的嵌岩桩，基岩为微风化泥质粉砂岩。下沉隧道分南、北线两线分别从桥墩南、北两侧穿过，开挖深度接近10米，隧道明挖基坑也分出了南、北两线，同步挖掘、支护和回填。基坑边缘距桩基最小距离不足2米，基坑正下方是正在运营的广州地铁五号线。
南、北基坑中间桥墩桩基础和其周边的土体，因被支护桩围住而存留下来，形成坑内孤岛。桥墩桩基础在隧道施工期间，保持原始的受力模式。与此同时，支护桩形成的包围构架，也形成隧道施工期间高架桥墩的保护构架。
图1基坑平面图
支护桩受桥下净空限制，采用直径1.2米和直径1.4米人工挖孔灌注桩，内支撑采用两道钢筋砼。支护桩周围布设高压旋喷桩止水帷幕。孤岛中留存的土体，也采用旋喷桩予以固结加固。
图2基坑横断面图
本工程基坑虽然规模不大，但周边环境对工程的敏感程度不言而喻，如何降低施工对建、构筑物影响，在合理的投资下，最大限度确保工程安全，是本工程重难点所在。
二、仿真分析
本工程采用Midas GTS软件进行二维仿真分析，水平方向取基坑边缘以外三倍开挖深度范围，垂直方向取基坑开挖深度两倍范围。对本工程重点关注的基坑边缘岩土体、基坑支护结构及桥墩桩基础等部位的网格进行细化处理，将整个计算模型划分为12675个，节点为5732个。
圖3二维网格模型
计算工况模拟如下
D1：开挖表层1.2m土体并设置第一道内支撑；
D2: 开挖至坑内4.2m深，并设置第二道内支撑；
D3: 开挖至基底；
D4: 侧墙浇筑至第二道支撑下方0.5m处，设临时支撑后拆除第二道支撑；
D5: 顶板浇筑后，拆除第一道内支撑。
表1仿真分析结果一览表
注：警戒值按《建筑基坑工程监测技术规范GB50497-2009》确定
从上面的计算结果看，设计支护方案对基坑周边岩土体起到较明显的加强作用，桥梁桩基、支护结构和外围岩土体理论变形量控制在相对较小的范围内，基坑和桥梁稳定性均有保证。后续施工过程的环境监测数据也表明，仿真分析的确较好的反映了基坑和周边环境的变形趋势，虽然计算值与实际监测结果存在一定差异，但鉴于岩土工程计算分析离散性较大，这一现象也是可以理解的。
三、基坑支护方案的比选
（一）支护桩形式的比选
由于明挖基坑位于高架桥梁下方，施工净空仅有约4.3米，一般的支护桩施工机械都无法进入。设计时，笔者曾对比过多排树根桩和人工挖孔桩两种支护桩形式。树根桩目前在国内主要用于地基加固处理，在基坑支护中的应用仍不是很广泛，理论计算研究也还不成熟。且树根桩由于桩径小，整体性和抗变形能力都较差，对施工质量的控制要求也很高。
人工挖孔桩由于桩径大，刚度也大，对控制支护结构变形有着明显的优势，理论计算和施工工艺也已经很成熟。而本项目地质主要以可塑状态的粉质粘土、粘土为主，并不违反广东省关于禁止使用人工挖孔桩的规定，只要严格遵循按施工规范，施工安全和质量是可以保证的。
（二）支撑形式的比选
本工程支护设计时，分别比较了预应力锚索支撑、一道钢筋砼顶撑加两道设置了预压力的钢管内支撑的组合体系，和两道钢筋砼内支撑体系这三种不同的内支撑形式。在同等水平间距布置下，后者的支撑刚度要明显大于前面两种形式，更好地控制了支护结构和周边环境的变形。可见，当明挖基坑需特别严格地控制周边环境变形时，选用钢筋砼内支撑往往能获得更佳的设计效果；但当环境控制要求不是特别严格时，采用施工空间大的锚索支撑或方便拆卸型钢内支撑则更为合适。
（三）完善的监测机制
对于高风险的深基坑工程，动态施工管理向来是工程安全保障的关键工作之一。本次支护设计中编制了全面而细致的基坑及周边环境监测专项设计，该专项设计中对支护结构的内力、变形、位移，和周边环境，包括桥梁结构的沉降、位移，岩土体的变形、沉降，地下水位变化等项目，都提出了具体而明确的监测要求，为及时调整施工方案，确保工程安全提供了重要的指导信息。
四、施工控制重点
首先，本工程明挖基坑从桥墩南、北两侧穿过，桥墩桩基础被支护桩围住形成孤岛。与此同时，南、北两侧用于平衡坑外土压力的内支撑又同时将荷载传递到这孤岛上。这种设计虽然最大限度地保护了桥墩竖向承载力，但为避免使桩基础承受本不应承受的水平荷载，设计文件中必须要求施工时严格执行南、北两侧基坑对称开挖、对称支撑、对称回填、对称拆撑的施工顺序，两侧开挖深度和回填高度相差不得超过1m。
其次，除了基坑上方的高架桥外，基坑下方正在运营的广州地铁五号线员潭盾构区间的安全，同样不可忽视。设计方案除严格执行地铁保护要求，控制支护结构与地铁的距离，还格外强调严禁采用冲击、爆破的施工工艺，并要求支护桩、止水桩既要满足深度要求，而且也不能超长，以保证盾构区间安全。
结束语
明挖隧道基坑支护设计，应根据工程对周边环境保护要求的不同，具体情况具体分析，采取有针对性的支护设计方案，以安全为大前提，兼顾经济性、可操作性，而不应生搬硬套、一味抄袭。
参考文献：
[1]杨晓杰.地铁隧道明挖法施工基坑支护稳定性研究 [J].地下空间与工程学报，2010年6月.
[2]尹光明.城市隧道临近建筑物超深基坑支护理论与安全控制技术研究 [D].中南大学，2012年4月.
[3]华南大桥北引桥及桥底基坑变形监测简报 广东省地质建设工程勘察院，2013年12月.