上海市某較長頂管的工作井基坑圍護(hù)工程的設(shè)計

馮春瑩

(上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200437)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，我國城市化和地下空間開發(fā)利用的進(jìn)程越來越快，基坑工程也得到了很多的應(yīng)用，取得了較快的發(fā)展，但由于基坑圍護(hù)體系多屬臨時結(jié)構(gòu)，無論設(shè)計還是施工，對圍護(hù)工程重要性的重視程度都普遍不夠，易引起基坑工程的安全事故。相關(guān)資料表明：源自設(shè)計和施工組織管理方面的原因占了絕大部分，也有極少數(shù)源自基坑工程復(fù)雜性造成的偶然性原因，因此，應(yīng)該從基坑圍護(hù)的設(shè)計方案開始就對工程的安全性予以足夠的重視。本文結(jié)合某醫(yī)院下穿城市道路工程的工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，具體分析了復(fù)雜工程條件下基坑圍護(hù)設(shè)計應(yīng)重視的一些問題，為深基坑圍護(hù)工程的發(fā)展積累經(jīng)驗。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

工程為某醫(yī)院下穿楓林路地下通道工程，采用頂管法施工，頂管始發(fā)井位于楓林路東側(cè)，頂管接收井位于楓林路西側(cè)。始發(fā)井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用SMW工法樁，其中始發(fā)井東側(cè)利用該工程地下室地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。地下通道頂管段長度約為76.7 m，通道覆土約為5 m。根據(jù)通道凈空要求及頂管施工定型設(shè)備尺寸，過街通道外包尺寸為4 300 mm×6 000 mm（高×寬），管片厚度500 mm。圖1為工程平面圖。

1.2 工程周邊情況

地下通道穿越的楓林路下管線分布有：上水Φ300、上水 Φ150、雨水 Φ300、雨水 Φ1 200、煤氣Φ300、煤氣Φ250、電話18孔、電力4孔等地下管線。通道穿越的中山醫(yī)院范圍內(nèi)房屋有：辦公室2層（磚混結(jié)構(gòu)）、配電房2層（磚混結(jié)構(gòu)）、垃圾房1層（磚混結(jié)構(gòu)）。

1.3 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，工程所處地層情況自上而下為：①雜填土、②1褐黃色黏土、②2灰黃色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④灰色淤泥質(zhì)黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質(zhì)黏土。

頂管工作井基坑坑底位于④層土，基坑開挖范圍內(nèi)③層土在開挖時易產(chǎn)生坍塌、流砂、管涌及流變等現(xiàn)象。頂管主要位于④層土中，頂部約有1～2 m范圍內(nèi)位于③層土。

擬建場地淺部地下水和土對混凝土無腐蝕性，對鋼鐵結(jié)構(gòu)材料有弱腐蝕性。通道主要位于④淤泥質(zhì)黏土層，通道上部1～2 m有③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。④層淤泥質(zhì)黏土屬高靈敏度、高壓縮性、低強(qiáng)度、弱滲透性的飽和軟黏性土，蠕變量大，呈流塑～軟塑狀態(tài)，掘進(jìn)時應(yīng)注意④層淤泥質(zhì)黏土具有中～高的靈敏度，故有較明顯的觸變、流變特性，在動力的作用下，極易破壞土體結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度降低，而且土體排水固結(jié)需要較長的時間，如果施工不當(dāng)，極易造成土體不均勻沉降。

2 基坑圍護(hù)設(shè)計

2.1 圍護(hù)方案選擇

該工程基坑深度為11.72 m、11.95 m，鄰近存在多棟樓房及地下市政管線，因此對基坑變形及周邊環(huán)境保護(hù)要求比較嚴(yán)格。根據(jù)上海地區(qū)工程地質(zhì)條件及工程特點，可選擇SMW工法樁及鉆孔灌注樁兩種圍護(hù)方案。由于該基坑地下水位較高，采用鉆孔灌注樁方案需在樁外側(cè)設(shè)置止水帷幕，工程投資增加且施工場地布置困難，而SMW工法樁施工占用場地較小，工程場地也比較緊張，應(yīng)優(yōu)先選用SMW工法樁方案。

始發(fā)井與接收井基坑采用明挖順作法施工，采用φ850SMW工法樁圍護(hù)，豎向設(shè)4道支撐，首道為500 mm×500 mm混凝土支撐，第二至第四道撐為直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼管。

圖1 工程平面圖

2.2 基坑圍護(hù)設(shè)計

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

基坑采用φ850SMW工法樁圍護(hù)，內(nèi)插H700×300×13×24型鋼。始發(fā)井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，坑底位于④層灰色淤泥質(zhì)黏土。SMW工法樁長26.0 m，H型鋼長度比相應(yīng)的SMW工法攪拌樁短0.5 m。始發(fā)井西側(cè)距離管線較近，因此西側(cè)工法樁型鋼采用密插形式，南北兩側(cè)采用隔一插一形式。接收井距離周邊建筑物較近，型鋼全部采用密插形式。

2.2.2 地基處理

始發(fā)井與接收井坑內(nèi)采用φ850三軸攪拌樁滿堂加固，加固深度為坑底至坑底以下5 m。要求加固體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度滿足qu≥1.0 MPa。

頂管進(jìn)、出洞處坑外采用φ1000@800高壓旋噴樁加固，加固體28 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度q u不小于1.0 MPa。始發(fā)井旋噴加固寬度12.9 m，加固長度3 m，加固深度為地面至地面以下16 m；接收井旋噴加固寬度13.3 m，加固長度3 m，加固深度為地面至地面以下16 m。

3 基坑安全分析

始發(fā)井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，坑底位于④層灰色淤泥質(zhì)黏土。SMW工法樁長26.0 m，H型鋼長度比相應(yīng)的SMW工法攪拌樁短0.5 m。始發(fā)井西側(cè)距離管線較近，因此西側(cè)工法樁型鋼采用密插形式，南北兩側(cè)采用隔一插一形式。接收井距離周邊建筑物較近，型鋼全部采用密插形式。

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.1.1 基坑穩(wěn)定分析及驗算

根據(jù)土層的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了墻體抗滑動、抗傾覆、整體穩(wěn)定及基底土體的抗隆起和抗管涌等驗算，經(jīng)驗算后均滿足基坑開挖的要求。

基坑穩(wěn)定性驗算見表1。

表1 基坑穩(wěn)定性驗算表

基坑抗承壓水安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，施工期間不需降承壓水。

3.1.2 始發(fā)井計算結(jié)果

始發(fā)井基坑開挖深度為11.95 m，采用厚度為0.85 m的攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長為26 m，樁頂標(biāo)高為3.8 m，采用SMW工法，在攪拌樁中加型鋼，型鋼慣性矩為201 000 cm4，型鋼間中心距為600 mm。計算時考慮地面超載30 kPa。

計算結(jié)果見圖2～圖5。

圖2 始發(fā)井整體穩(wěn)定驗算圖

圖3 始發(fā)井墻底抗隆起驗算圖

圖4 始發(fā)井坑底抗隆起驗算圖

圖5 始發(fā)井抗傾覆驗算圖

抗管涌驗算:

按砂土，安全系數(shù)K=1.825

按黏土，安全系數(shù)K=2.569

3.1.3 接收井計算結(jié)果

始發(fā)井基坑開挖深度為11.725 m，采用厚度為0.85 m的攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁長為25.995 m，樁頂標(biāo)高為3.8 m，采用SMW工法，在攪拌樁中加型鋼，型鋼慣性矩為201 000 cm4，型鋼間中心距為600 mm。計算時考慮地面超載30 kPa。

計算結(jié)果見圖6～圖9。

圖6 接收井整體穩(wěn)定驗算圖

圖7 接收井墻底抗隆起驗算

圖8 接收井坑底抗隆起驗算圖

圖9 接收井抗傾覆驗算圖

抗管涌驗算:

按砂土，安全系數(shù)K=1.893

按黏土，安全系數(shù)K=2.637

3.2 基坑開挖對周邊管線、建筑物影響

不同管線對地層變形的承受能力，根據(jù)規(guī)范柔性接頭管道容許之沉降曲線曲率半徑Rf為：

式（1）中：L為管節(jié)長度；D為管道外徑；Δ為管節(jié)接縫容許張開值。

剛性管道容許之沉降曲線半徑Rr為：

式（2）中：E為管材的彈性模量；I為管道的縱向抗彎慣性矩；W為管道的截面縱向抗彎抵抗矩；[σ]為管道的縱向受彎容許應(yīng)力。

基坑開挖后地表沉降曲線如圖10、圖11所示。

圖10 始發(fā)井基坑周邊地表沉降曲線

圖11 接收井基坑周邊地表沉降曲線

始發(fā)井基坑開挖引起的周邊管線（Φ300煤氣管）最大變形為15 mm，該管線沉降曲線半徑R=20 415 m

表2 接收井基坑影響范圍內(nèi)建筑傾斜值

4 結(jié)語

本文結(jié)合實際工程設(shè)計案例，對復(fù)雜環(huán)境條件下基坑圍護(hù)方案進(jìn)行了比選，并在設(shè)計階段就對基坑的穩(wěn)定性以及基坑開挖對周邊建筑物、管線的影響進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，圍護(hù)方案的選擇以及基坑開挖型式對周圍環(huán)境的影響均在要求的范圍之內(nèi)。實際施工情況與計算分析的結(jié)論基本相一致，也證實了本文的分析結(jié)果的合理性與適用性，為基坑圍護(hù)工程設(shè)計的發(fā)展積累了一定經(jīng)驗。