广东省长大公路工程有限公司 广东广州 510431
摘要：本文主要依托广佛肇高速公路鼎湖山2号隧道项目，主要针对明挖暗埋隧道隧道结构尺寸、基坑开挖支护方式的设计优化及基坑内撑系统的施工方案等优化技术，分别从施工工期、经济效益等方面进行认真比较及论证，以求达到质量可控、降低安全风险、缩短工期、降低工程成本的最佳方案，为其他类似工程提供借鉴依据。
关键词：明挖隧道；结构优化；结构内撑
一、项目概况
鼎湖山二号隧道全长985m，分为U型段及箱型段，采用双室双向六车道，本项目采用BOT+EPC模式。本项目鼎湖山二号隧道为明挖暗埋下穿式隧道，位于肇庆市鼎湖规划区鼎湖国家级风景区，与既有广茂铁路并行，进口位于位于鼎湖规划区莲花山脚向南伸出的山嘴，出口位于东西向山坡南坡脚下，先后穿越迪村、鼎湖山风景区的上山路、肇庆市农业技术学校的球场、操场、花园、简易试验室、鱼塘、种猪试验场等。左线起讫里程为ZK34+234.5～K35+190，全长984.98m，右线起讫里程为YK34+205～K35+190，全长985.0m，为整体式明挖隧道（双向六车道）。
二、项目特点及难点
1、隧道结构形式为三车道大断面明挖浅埋隧道，结构宽度达34.6m，修建标准高；
2、隧道洞身围岩主要为上部坡冲积的粉质粘土、卵石土，下伏基岩为燕山期花岗岩、石炭系灰岩、泥盆系粉砂岩，风化强烈，呈全、强风化状，呈碎石状或散体状松散结构，围岩不稳定性差，开挖易产生坍塌、滑坡、地表变形等；
3、明挖暗埋下穿式隧道，基坑开挖深度深、跨径大，其最大挖深达到13m，横向最大开挖跨度达40m；
4、地表水较发育，地形起伏不大，坡面地表水不易排泄，地表坡面漫流对隧道工程产生较大影响；
5、鼎湖山二号隧道位于自然风景区内，隧道下穿居民区、学校，并与铁路伴行，基坑开挖施工对周边环境存在较大影响，对基坑开挖变形量有较高要求。
三、结构优化的主要内容
1、在确保结构使用年限及安全的前提下，根据开挖深度、覆土厚度、抗浮能力等因素进行优化，设计合理的结构尺寸；
2、根据周边环境、地质条件，在确保施工安全的前提下优化设计基坑开挖及支护方式；
3、在确保施工安全的前提下优化基坑内撑系统设计施工方案；
4、地质变化较大，基坑施工过程中的安全保证是制定经济性设计施工方案的关键点。
四、优化具体过程
1、结构尺寸优化设计
本隧道采用明挖施工，由于埋深较浅，地下水位较高，对全隧道进行抗浮验算。取抗浮安全系数取 1.05，不计隧道侧壁与土的摩阻力，本隧道暗埋段满足抗浮要求。
原设计隧道结构尺寸未能合理根据影响因素进行设计，经过优化，在满足隧道抗浮安全系数不小于1.05及隧道结构安全、使用年限的前提下，对结构底板、顶板、侧墙尺寸进行优化，较原设计节约C40P8混凝土6300m3，节约造价约252万元。
优化计算如下表所示：
2、基坑开挖及支护方式设计优化
根据不同的地质情况及周边环境，选择不同的基坑开挖、支护方式。
U型段及箱型段主要因地处居民区及肇庆农校，施工用地范围受限，基坑采用两侧支护桩+内撑系统进行支护。
敞开段及箱型段基坑开挖及支护结构
出口段地处空旷，且地质分层主要为粉质粘土及强风化砂岩，基坑采用放坡开挖+挂网喷混进行支护，有效降低基坑开挖机械费用及支护结构工程造价。
出口段放坡开挖及支护结构
经过细化、优化设计，在不同的周边环境及地质条件下，在确保施工安全的前提下，选择合理的开挖及支护方式，有效降低工程造价，节约施工成本。
3、基坑内撑系统设计施工方案优化
隧道建筑限界及内轮廓设计根据《公路工程技术标准》（JTG B01—2003）及《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004），结合广东省地方相关要求综合拟定。箱型结构段典型结构断面如下图。
隧道AD箱型断面一般结构图
施工过程中基坑的安全稳定性是关键，主要受周边建筑及地质条件影响较大。箱型结构段AD4-AD23节段基坑外20m范围无建筑，开挖深度为9.5-13m，基坑外部荷载相对较低，地质分层主要为回填土、鹅卵石夹层、粉质粘土、全强风化岩，根据实际情况进行验算，该段基坑具备内撑系统优化条件。
1）内撑系统优化型式
箱型段原设计支撑图示
设计图中共设三道支撑：第一道为钢筋混凝土支撑，与桩顶冠梁齐平；第二道为钢管支撑，中心距离冠梁顶3.4（2.4）m；第三道为钢管支撑，中心距第二道支撑为4（3）m；在结构底板施工完成后进行一次换撑。
优化后支撑图示
优化后共设两道支撑：第一道为钢筋混凝土支撑，与桩顶冠梁齐平；第二道为钢管支撑，中心距冠梁顶为4.5m，沿线路纵向间距为4m；结构底板及侧墙施工完成后拆除钢管支撑。
2）内撑优化计算结果
根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）、详细地质资料、支护结构设计参数（支护桩容许最大弯矩[M] =900KN.m，钢管支撑φ600×14mm）。验算过程采用基坑计算软件《理正深基坑7.0》计算软件进行。
计算结果显示，最不利工况在拆除钢管支撑后，支护桩弯矩最大Mmax=543.46KN.m＜[M]=900KN.m，工况最小安全系数Ks = 3.373 >= 1.200，满足规范要求，基坑整体稳定性验算满足设计、规范及安全要求。具体结果如下图：
五、优化成果
1、确保结构施工安全
根据设计及深基坑建筑规范要求，建立隧道监控量测机制，在隧道施工过程中，动态监控，建立预警机制，全过程跟踪、监测基坑及周边建筑变形，做好应急安全措施，确保施工安全。
基坑安全监测关键项目为基坑土体及支护桩桩体深层位移。深层位移采用测斜管进行监测。土体位移测斜管埋设于冠梁外侧，用以监测基坑外侧土体位移变化情况；桩体位移测斜管埋设于支护桩体内部，用以监测桩体位移变化情况。
监测结果显示：内撑系统优化后，基坑土体位移、桩身水平位移变形量均在控制范围以内，土体位移与桩身水平位移变形一致。
监测结果显示：内撑系统优化后，周边建筑无明显沉降，且沉降较均匀，通过对建筑物结构检查，未发现发展的裂缝。
2、缩短施工工期
通过内撑系统优化，在确保结构和施工安全的前提下达到了减少工序、缩短工期的目的。
单节施工工期对比 钢管支撑优化节约量
3、降低工程建设及施工成本
①通过隧道结构尺寸的设计优化，节省混凝土约6300方，节约工程造价约650万元；
②通过对基坑开挖及支护方式的优化，节约工程造价约72万元；
③通过对内撑系统设计施工方案进的优化，节省钢支撑约4200吨，节约工程造价约1250万元；同时工序减少，每节段施工周期由54工作日缩短为38工作日，整体工期缩短约4个月。
六、项目总结
在本项目由设计到施工的过程中，通过对各种因素的充分考虑及验证，较好的克服了该隧道施工工艺复杂、工序多样、施工周期长等困难，确保了工程的施工进度和质量；同时有效控制了经济成本，既为参建各方积累了宝贵经验，也为其他类似工程提供了借鉴依据。
参考文献：
[1] 钱双彬 董军 李玲，地铁明挖隧道衬砌结构模型仿真与优化 建筑技术，2010.
[2] 刘义军 刘军 张飞进，明挖隧道施工对近距离建筑影响分析 市政技术，2007
[3] 欧孝夺 吴红营 黄颂扬 唐迎春，超大断面箱形明挖隧道施工监测与力学特性分析 土木工程学报，2013
[4] 刘之葵，深基坑支护设计土压力计算方法中的几个问题 广西地质，2000
论文作者:曾德子
论文发表刊物:《基层建设》2016年11期
论文发表时间:2016/8/8
标签：基坑论文; 隧道论文; 结构论文; 鼎湖山论文; 地质论文; 体位论文; 工期论文; 《基层建设》2016年11期论文;