高速铁路超深明挖隧道喷锚支护 +围护桩支护施工技术

王先平 王吉成

【摘要】：以京张高速铁路草帽山隧道200米长的明挖段为例，介绍了超深基坑边坡开挖中的围护桩支护、喷锚支护、钢围檩支撑、管井降水、监测等的施工技术，从而阻止山体坡脚向隧道方向运动，减小隧道拱脚地基承载力的下降和施工沉降、降低施工风险，确保隧道后期运行的安全，为硬塑、粉质黏土、自重湿陷性黄土、地下有渗水超深基坑支护开挖施工方案提供借鉴。

【关键词】：超深基坑；喷锚支护；围护桩；管井降水；监测

1.工程概述

1.1概述

草帽山隧道全长7340m，隧道位于低山丘陵区，线路走向大体与草帽山山体走向平行。

DK175+532～DK175+332改为明挖施工，该段线路总体地势是线路左侧高、右侧低。左侧山坡为奥运绿化工程，近几年已完成绿化，采用漫灌方式对绿化树木进行进行灌溉。因该区域特殊的地形特点，地表灌溉水及地下水均由线路左侧山体坡脚向隧道方向运动。隧道穿越第四系洪坡地层：更新系统新黄土，硬塑，局部具自重湿陷性，湿陷等级为Ⅱ级，拱顶粉砂地层自稳能力差，地下有渗水问题，拱脚软化、承载力下降导致钢拱架失稳的风险，施工安全风险大、出现沉降变形超标情况、对进度有一定影响。为了克服这一难题，笔者以京张高铁草帽山隧道200米明挖段为例，详细的介绍了草帽山隧道明挖段开挖、支护、降水措施及监测控制要点等方面的情况，达到了在确保安全质量的前提下隧道快速施工。

1.2工程简介

草帽山隧道DK175+332～DK175+532段因地质原因，由原隧道暗挖施工变更为明挖法施工。明挖段采取边坡挂网支护+基坑围护桩挂网支护开挖，最大支护开挖深度为53.6m。放坡开挖高程719.349～702.494，第一级以下每级开挖高度4m，开挖坡率1：0.75，边坡采取砂浆锚杆+挂钢筋网C25混凝土喷护；围护桩直径1.5m，间距2m，围护桩长度36.6m，嵌入基坑开挖面以下10m，桩顶设置100cm×150cm冠梁，围护桩共设置4道支撑体系，第一道采取600cm×1000cm钢筋混凝土梁，间距6m，二～四道采取直径609mm壁厚t=16mm钢管支撑，水平间距为3m。

基坑降水采取在线路两侧设置设置A、B型降水井方案，井深37m～50m，井孔径0.4m，井间距为6m。

明挖段平面图

2．隧道明挖段开挖支护监测施工技术

2.1总体施工流程

结合现场实际情况，施工总体安排：测量放样→边坡开挖及挂网喷锚支护→降水井施工→围护桩施工→正洞开挖同步挂网喷护及围护桩钢管围檩支撑→仰拱底板施工→二衬施工→顶拱回填。且在降水及监控量测数据的指导下实施隧道的开挖与支护工作。

2.2开挖支护施工

根据开挖高度，边坡按照四级边坡设置，开挖采用挖掘机自上而下分级、分层开挖。第一级边坡根据总高度调整设置，设定开挖高度为4.1m，其他边坡开挖高度均为4m。边坡开挖坡率1：0.75，每一级边坡设1.5m宽平台。边坡采用Ф8，网格间距25cm×25cm的钢筋网，加Ф22mm间距1.5m×1.5m梅花型布置的砂浆锚杆，喷10cm厚的C25混凝支护。其中二级和一级边坡单根锚杆长6m，三级边坡单根锚杆长5m，四级边坡单根锚杆长4m，锚杆注M20砂浆。每级边坡按照15.14%的坡度留施工便道，下一级边坡延长施工便道，开挖到每级边坡高程沿线路方向设3.5‰的坡度。

基坑开挖至围护桩桩顶高程时，先施工围护桩、冠梁及第一道支撑。围护桩施工完成后进行基坑开挖。围护桩桩间采用钢筋网喷固定，喷C25混凝土厚10cm，Ф8钢筋网，网格间距15cm×15cm，钢筋网外设置Ф14水平加强钢筋，加强钢筋采用Ф12钢筋固定，Ф12固定钢筋竖向间距1.5m，水平间距同桩间距。

2.2.1边坡开挖支护

单侧边坡支护典型断面图

四级边坡开挖示意图

边坡开挖顺序：①-1、②-1、③-1、④-1，自小里程向大里程方向开挖，边开挖边支护。开挖完成后，施作大里程侧围护桩，同时施作冠梁。

基坑顺序开挖⑤-1、⑥-1、⑦-1，层高4-5m，自小里程向大里程方向开挖，开挖至上台阶拱脚高程，同时施作横撑；再次开挖①-3、②-3、③-3、④-3，层高3-4m，边开挖边支护。开挖完成后，施作小里程侧围护桩，同时施作冠梁。小里程基坑顺序开挖⑤-2、⑥-3、⑦-3，层高3-4m，开挖至上台阶拱脚高程，同时施作横撑。循环开挖正洞范围土方，层高3-4m，衬砌紧随开挖施工。

2.2.2基坑开挖及支护施工

第一步：边坡开挖至桩顶高程后，进行基坑围护桩及降水井施工。施工时自DK175+532向DK175+332一侧施工围护桩和降水井。围护桩跳孔施工，单根围护桩桩长36.6m，桩径1.5m；降水井采用A型降水井，降水井井深37m，降水井采用Ф400mm无砂管井。降水井设置在线路左侧。

围护桩施工示意图

第二步：待围护桩混凝土强度达到设计强度的70%，开始进行冠梁、混凝土挡墙和第一道支撑的钢筋混凝土结构施工。混凝土挡墙高1m宽0.2m，设置在冠梁顶面；冠梁和第一道支撑高度均为1m，冠梁宽1.5m，冠梁沿围护桩桩顶通长设置，设置宽0.6m的第一道横向混凝土支撑。首先开挖出基槽，然后破除围护桩桩顶混凝土并清理至设计标高，桩基钢筋及第一道横向支撑钢筋锚入冠梁内长度不得小于设计要求，桩头处理完成后，再由人工安装模板浇筑冠梁及第一道支撑，最后浇筑钢筋（钢筋提前预埋在冠梁内）混凝土防护挡墙。

第三步：开挖第一层桩围护桩间土。挖掘机先自DK175+532开始逐段开挖支撑间土体，下挖深度3～4m，挖至施工里程时，按照15.14%的坡度延长施工便道。第一层桩间土自冠梁顶面起下挖6m，施工时由测量人员控制开挖高程。并在第一层桩间土开挖完成后，在围护桩内壁采用间距1.5m×1.5m梅花型布置的Ф12mm的钢筋，固定网格间距为25cm×25cm的Ф8mm钢筋网，喷C25厚10cm的混凝土支护，在钢筋网片外每1.5米高水平设置一根Ф14mm同桩间距相同的水平加强筋。

第四步：第一层支护施工完成后按照第一层基坑开挖工艺进行第二、三层开挖及支护，同时施工水平间距为3m的直径为609mm的第二、三、四道钢支撑，每层开挖时按照15.14%的坡度延长施工便道。最终开挖至设计高程。

2.3围护桩及钢围檩施工

2.3.1围护桩施工

草帽山隧道斜井工区小里程DK175+530.75～DK175+332段围护桩为钻孔灌注桩，桩径1.5m，桩间距2m，单根桩桩长36.6m。设置在隧道衬砌线外0.3m处，围护桩中线距隧道线路中心线距离8.25m。

2
.3.2 钢围檩支撑安装

DK175+332～DK175+530.75段基坑第二、三、四道支撑采用钢围檩支撑，每层围檩施工前围护桩内壁挂网因支护完毕。桩间土下挖至围檩施工高程以下1.5m处开始施工钢围檩和钢支撑。

（1）钢围檩安装

钢围檩安装前先在基坑内壁对应位置的钢围檩下方安装4个支撑件，上下支撑件距钢支撑中心线距离35cm（内侧边线），水平支撑件距钢支撑中心线距离140cm（中心线间距），支撑件和基坑侧壁采用M20膨胀螺栓连接。在支撑件安装固定好之后，在围护桩顶板预留8m平台处，使用吊车将钢围檩吊装至支撑件上方，施工过程中由人工配合安装固定钢围檩。钢围檩就位后，在设置支撑结构上方距钢围檩中心距离95cm位置安装固定装置，防止钢围檩坠落。

钢围檩支撑杆处平面示意图

钢围檩支撑杆件立面示意图

（2）钢管支撑安装

1）钢支撑架设

钢管横撑采用Ф609mm钢管，壁厚16mm，第二、三、四道钢管支撑沿线路方向间距3m设置一道。每个钢管支撑都设置一个活动接头和一个固定接头，活动接头可调节范围0～30cm。安装时应将每个钢管支撑在8m平台处先拼装好。然后用吊车吊到指定位置，调节活动接头施工钢管支撑顶紧钢围檩。确定钢支撑安装到位后，再松开吊车和钢管支撑的连接。进行下一个钢管支撑的安装。

钢管支撑安装及加固示意图

2）钢支撑架设方法

①土层开挖至支撑架设位置后，焊接三角托架。

②钢支撑吊装到位后，先不松开吊钩，将一端的活络头拉出顶住钢板，再将2台液压千斤顶放入顶压位置，为方便施工并保持千斤顶加力一致，2台千斤顶用托架固定。千斤顶一端顶在钢板上，一端顶在底座上，接通油管后即可开泵施加预应力，预应力施加到位后，用钢楔块撑紧端头处的缝隙并焊牢。然后回油松开千斤顶，解开起吊钢丝绳，完成这根支撑的安装。施工时密切注意防止施工机械碰钢支撑，避免钢支撑因受横向荷载而造成失稳。

③支撑就位精度满足相关规范要求，支撑轴线水平定位偏差在±30mm以内，支撑两端定位差异标高不大于20mm，且不大于支撑长度的1/600，支撑挠曲度不大于1/1000。先施加预加力的70%，停顿5分钟后加压至100%预加轴力。施工中采用2台100T的油压千斤顶，通过压力表读取预应力值，当压力读数与需要加设的预应力值相符时，稳定千斤顶压力，在活动端打设钢楔限位，完成支撑预应力加设。在支撑预应力加设前后的12h之内，加密监测频率。

支撑设计及预加轴力表

支撑	支撑直径（mm)	钢管厚度（mm)	支撑材料	设计轴力（kN)	预加轴力（kN)
第一道支撑			C30钢筋混凝土	630	0
第二道支撑	609	16	Q235B	1386	600
第三道支撑	609	16	Q235B	2145	700
第四道支撑	609	16	Q235B	2300	800

（3）支撑体系安装施工要点

1）支撑的安装与土方施工紧密结合，在土方挖到设计标高的区段内，及时安装支撑让其发挥作用。每一工况挖土及钢支撑的安装时间不得超过8小时。严格控制支撑端部的中心位置，且与支护结构面垂直，接触位置应平整，使之受力均匀。

2）钢管横撑按每节长6米进行分节，同时配备部分长度不同的短钢管，以适应基坑断面的变化。管节间用法兰、螺栓连接，同时每道横撑间分别配活动端和固定端。

3）所有支撑连接处，均垫紧贴密，防止钢管偏心受力。架设之前，要对每道支撑两端的受力点准确定位，并在现场明确标识，以防受力面变成受力点引发安全事故。

4）钢管支撑与钢围檩正交，斜撑和角撑要确保剪力块角度与斜置角度一致，钢支撑安装后及时施加预应力，减少基坑暴露时间。

5）千斤顶分两级加载。第一级加载设计预加轴力的70％，5分钟后，二级加载到设计预加轴力的100%。

6）为防止钢支撑受压变形，活动端、固定端端板采用厚2.5cm的钢板。

7）设专人检查钢支撑楔子，一有松动，及时进行重新加荷打楔子。

2.4 降水井施工

降水井施工流程：放井位→挖泥浆池→挖探坑→成孔→吊放井管→填滤料→洗井→水泵安装→抽降→维护

降水井施工前先在边坡坡脚位置开挖截水沟，截水沟沟深0.3m×0.3m，最低段处各设置1个集水井。集水井内设置水泵，地表和降水井抽出的水通过水泵排出。基坑地下水降水采取在线路两侧设置，采用采取A、B型降水井方案，井深37m～50m，井孔径0.4m，井间距为6m。

根据草帽山隧道洞内渗水流量情况，开挖基坑工作面为A型降水井，采用65-QW-P-35-50-11型潜水泵，水泵出水口口径65mm，流量35m³/h，扬程50m，功率11kw；系统为B型降水井，采用65-QW-P-35-60-15型潜水泵，水泵出水口口径65mm，流量35m³/h，扬程60m，功率15kw。

因DK175+332～DK175+532段地质情况变化复杂，地下水多变，降水井水泵选择及孔位根据基坑开挖情况适时调整参数。

2.5 各监测项目施工

2.5.1地面沉降监测

(1)测点布置与埋设

沿基坑方向20米布置一个断面，每个断面6个点。采用φ20钢筋，长20cm，端部加工成半球状并刻画十字丝。地表沉降采用混凝土现场浇筑埋设，埋设深度不小于30cm, 地表监测最小精度要求达到0.1mm。

地表沉降观测点埋设图

2.5.2地下水位监测

(1)按40米布设一断面，基坑两侧共计布设10个水位监测孔。采用GTH-30型钢尺水位计测量，最小精度为1mm。

2.5.3围护结构桩顶水平位移、沉降监测

(1)测点布置

测点按监测设计图纸布点位置在基坑四周围护结构桩顶上设置，每20米布置一个断面，每个断面两个点，共24个点，布置的原则为：围护桩顶部的水平和竖向位移监测点应沿基坑周边布置，周边中部、阳角处应布置监测点。监测点水平间距不宜大于20m，每边监测点数目不宜少于3个。水平和竖向位移监测点宜为共用点，监测点宜设置在围护桩顶上或基坑坡顶上。

(2)测点埋设与保护

在冠梁顶上埋设工作基点和观测点时，首先布设工作基点墩，在建立好工作基点后，将仪器架设在工作基点上，沿基坑边布设观测点，观测点位置选择在通视处，避开基坑边的安全栏杆，离基坑约300mm。

(3)观测方法

根据基坑施工现场实际条件，水平位移监测采用施工坐标，基坑开挖前一周建立各监测点的初始坐标（不少于3次，取平均值作为初始坐标），基坑开挖后每次测量值与初始值对比得到该点的位移量。桩顶沉降监测方法同地面沉降监测方法。

2.5.4围护结构桩体变形监测

(1)测点布置

围护结构变形通过在预埋的测斜管中进行测试，测斜孔布设位置按设计要求进行，布设在基坑围护结构可能发生变形的典型位置。

(2)埋设与安装要求

地
下围护桩内测斜管的埋设按照以下流程：①定位→②将测斜管绑扎在围护桩钢筋笼的主筋上，并封死管底→③校准测斜管方位→④下钢筋笼→⑤浇注混凝土→⑥管口用200×200×100铁盒保护→⑦测读初始值。

测斜管安装图 桩体深层位移测量示意图

(3)变形监测

侧向位移监测测斜仪在测斜管内进行。测斜管应在测试前5天装设完毕，在3～5天内重复测量不少于3次，判明处于稳定状态后。

1)水平位移的初始值应是基坑开挖之前一周连续3次测量无明显差异读数的平均值，或取开挖前最后一次的测量值作为初始值。测斜管孔口需布设地表水平位移测点，以便必要时根据孔口水平位移量对深层水平位移量进行校正。

2)使测斜仪测读器处于工作状态，将测头导轮插入测斜管导槽内，缓慢地下放至管底，然后由管底自下而上沿导槽全长每隔0.5m读一次数据，记录测点深度和读数。测读完毕后，将测头旋转180°插入同一对导槽内，以上述方法再测一次，测点深度同第一次相同。

3)每一深度的正反两读数的绝对值宜相同，当读数有异常时应及时补测。

3. 明挖段衬砌施工及洞顶回填

DK175+332～532段明洞施工，采取在仰拱施工完成后进行仰拱填充施工，最后进行仰拱及拱墙衬砌。混凝土强度达到设计要求值后按照设计要求进行顶拱土方的回填。

4.结语

本文详细的介绍了京张高速铁路草帽山隧道200米明挖施工，所采用边坡、基坑开挖中的围护桩支护、喷锚支护、钢围檩支撑施工、管井降水、监测等的施工技术，从而阻止山体坡脚向隧道方向运动，增强隧道拱脚地基承载力、减小施工沉降、降低施工风险，确保隧道后期运行的安全，为地质情况为硬塑、粉质黏土、自重湿陷性黄土、地下有渗水等的公路、铁路、房建等超深基坑开挖支护施工方案提供借鉴。

作者简介：

王先平（1973-），男，福建漳平人，高级工程师，从事工程施工技术管理；

王吉成（1980-），男，宁夏中宁人，高级工程师，学士，从事工程施工技术及管理工作；