軟土地區(qū)某地下綜合管廊工程基坑設計優(yōu)化分析

劉志軍，朱明星，王勝年，周紅星

(1.中交四航工程研究院有限公司， 廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎工程環(huán)保與安全重點實驗室， 廣東 廣州 510230)

地下綜合管廊，也被稱為“共同溝”、“共同管道”，是指在城市沿道路或管線走廊帶建造一個地下連續(xù)結構物，將以往直埋的諸如給水、雨水、污水、供熱、電力、通信、燃氣、工業(yè)等市政管線集中放入其中，并設置專門的配套系統(tǒng)，按照實際需求組織規(guī)劃、設計、建設和運營管理，是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”，形成一種現(xiàn)代化、集約化的新型市政基礎設施[1]。

地下綜合管廊工程建設中，施工方法主要有明挖法、礦山法、盾構法和頂管法；管廊主體結構有現(xiàn)澆與預制裝配兩種方式。目前現(xiàn)澆明挖法是綜合管廊工程建設中應用最為廣泛的施工方法，其中，明挖法中綜合管廊基坑有放坡開挖、土釘墻支護、鋼板樁支護、型鋼水泥攪拌樁墻(SMW)支護、灌注樁排樁支護等支護開挖方式[2]。

已有相關研究中，胡靜文等[3]對城市地下綜合管廊設計要點進行了分析。張江濤等[4]通過數(shù)值計算分析了濱海軟土地區(qū)綜合管廊基坑開挖過程中鋼板樁支護體系受力與變形性狀。周秋月等[5]對采用鋼板樁加鋼管撐支護形式的綜合管廊基坑開展監(jiān)測與分析。王魁[6]對綜合管廊基坑支護開挖、主體結構澆筑、基坑回填三個階段中基坑受力與變形進行了數(shù)值分析。李海龍等[7]對綜合管廊基坑回填設計與施工工藝進行了研究。劉斌等[8]對綜合管廊工程不同基坑支護開挖方案進行了對比分析。周恒等[9]運用三維有限元軟件對地下綜合管廊軟土地基水泥攪拌樁處理參數(shù)進行了優(yōu)化分析。李榮華等[10]利用有限元差分法對填土沉降控制與外部荷載作用下管廊防護進行了分析。此外，張雪嬋[11]研究了狹長型基坑受力變形性狀。馬鄖等學者[12-14]分析了基坑被動區(qū)加固參數(shù)對支護體系的影響。

綜合管廊工程基坑呈窄長條形，其基坑支護開挖與主體結構施工具有工序繁多且空間上高度集中的特點，科學可行且符合工程實際的基坑設計方案對現(xiàn)澆明挖法綜合管廊施工至關重要?；诖耍疚囊劳袕V州南沙某地下綜合管廊工程，從工程實際出發(fā)，通過計算分析，對綜合管廊基坑設計方案進行分析與優(yōu)化。

1 工程概況與工程地質條件

1.1 工程概況

廣州南沙某K1+330—K1+454段綜合管廊下穿擬建河涌，全長124 m，劃分為6個結構段；雙倉結構，外輪廓尺寸為5.3 m×3.3 m，內輪廓尺寸4.6 m×2.6 m；主要附屬結構有排水泵坑、新風口、防火墻等。

按照設計方案，綜合管廊基坑分為2個類型，分別為一般路段與鋼板樁支護段。一般路段基坑深度小于3 m，基底寬度8.3 m，場地開闊，采用放坡開挖方式；鋼板樁支護段基坑深度3.0 m～4.2 m，排水泵坑局部加深1.45 m，基坑寬度6.7 m，采用“拉森Ⅳ型鋼板樁+鋼管撐”支護形式，鋼管直徑400 mm，壁厚12 mm，鋼管撐水平中心間距3 m，采用雙拼200×200熱軋H型鋼作為圍檁，其中，排水泵坑區(qū)域在下部增設一道相同規(guī)格的鋼管撐(共兩根，間距3 m)。各段基坑支護開挖設計方案如表1所示，相應的基坑設計剖面如圖1、圖2所示?？紤]到先期施工的橋梁基樁和承臺的安全，過河涌段基坑安全等級為一級，其余部分為三級。先期采用真空預壓法、后期采用水泥攪拌樁法進行地基處理，管廊基礎采用鋼筋混凝土灌注樁。

圖1放坡開挖段基坑剖面圖

圖2鋼板樁支護基坑剖面圖

按照建設單位部署，綜合管廊基坑開挖前，先期由其它參建方完成位于管廊過河涌段兩側的橋墩與承臺施工，再移交場地進行綜合管廊基坑開挖與主體結構施工，移交時場地標高與設計坑頂標高不完全一致，見表1。

表1 基坑支護方式與相關參數(shù)

1.2 工程地質條件

該段地下綜合管廊場址主要分布有淤泥、粉質黏土等軟弱地層，局部存在粉砂層與中粗砂層。淤泥層厚5.7 m～31.6 m，頂層出露，平均層厚18.7 m，飽和，呈流塑狀，斷續(xù)夾薄層粉砂及少量貝殼；粉質黏土層厚1.6 m～6.7 m，層面標高-20.8 m～-9.1 m，平均層厚3.36 m，呈可塑狀，含黏粒、砂粒與粉粒，土質均勻；地下水位標高3.5 m～4.8 m，主要土層的參數(shù)如表2所示。

表2 各土層參數(shù)

2 基坑設計優(yōu)化分析

2.1 支護設計方案分析

從鋼板樁支護段設計方案可以發(fā)現(xiàn)：(1) 對比表1中管廊結構頂標高與設計坑頂標高，過河涌斜段范圍內上部鋼管撐位于管廊結構頂板以下；(2) 鋼管撐水平中心間距3 m，則凈間距僅為2.6 m。

從施工角度分析，鋼管撐位于管廊主體結構頂板以下，鋼管撐水平凈間距僅為2.6 m，將存在以下問題：

(1) 按照設計要求，上部側墻與頂板混凝土澆筑前，待下部側墻混凝土強度達到要求后架設臨時支撐，然后對結構外側回填中粗砂和素混凝土，再拆除上部鋼管撐?；靥钋绊毻瓿上虏總葔Σ鹉！葔Ψ浪畬拥仁┕?。另外，結構內部的臨時支撐將影響頂板模板支架的安設。對于單一管廊結構段，換撐與拆撐大為增加了狹小空間內(管廊側墻與鋼板樁間距僅70 cm)的施工作業(yè)工序，增大施工難度，基坑排水不通暢，成為施工安全與質量控制的一個突出隱患。

(2) 在鋼管撐中心間距僅為2.6 m情況下，無論是基坑開挖過程，如土方開挖、坑底浮漿樁頭鑿除吊裝，還是管廊主體結構施工，如鋼模板吊裝、材料轉運清理，都容易導致施工設備、材料等與鋼管撐發(fā)生碰撞，這對于支護結構穩(wěn)定性與施工作業(yè)安全性而言，存在較大的風險。

(3) 從整體施工組織上看，鋼管撐位于結構頂板下的管廊結構段施工工序多，對相鄰結構段施工影響大，難以形成流水作業(yè)；鋼管撐間距小，中間轉運環(huán)節(jié)多，對施工作業(yè)干擾大，施工效率低。

2.2 鋼板樁支護優(yōu)化分析

由表1可知，除過河涌水平段(K1+367.0—K1+407.0)外，管廊沿線其余區(qū)域場地移交時地面標高不同程度地高于設計坑頂標高。解決方法有二：一是先降低場地標高至設計坑頂標高，按原設計方案進行基坑支護開挖，但前述問題得不到有效解決；二是基于實際場地條件對基坑鋼板樁支護設計方案進行優(yōu)化，對調整鋼板樁樁長、鋼管撐安設位置與水平間距下分別進行試算，分析是否滿足基坑安全、穩(wěn)定要求。按照方法二，經(jīng)過試算，確定了優(yōu)化后的鋼板樁支護參數(shù)。優(yōu)化后的過河涌斜段與水平段綜合管廊基坑最不利工況計算分析如下。

(1) 工況1：過河涌斜段K1+344.9斷面(不含排水泵坑區(qū)域)，按照實際場地標高，基坑深度增大至4.7 m，仍采用“一道鋼管撐+9 m長拉森Ⅳ鋼板樁”支護形式，鋼管撐與鋼圍檁規(guī)格、型號保持不變，鋼管撐中心距基坑頂50 cm，鋼管撐中心間距調整為4 m。

(2) 工況2：過河涌斜段K1+346.0排水泵坑區(qū)域，基坑深度增大至6.15 m，仍采用“兩道鋼管撐+9 m長拉森Ⅳ鋼板樁”，上部鋼管撐支護參數(shù)與工況1保持一致，第二道鋼管撐與原設計方案保持一致(共2根，間距3 m)。

(3) 工況3：過河涌水平段(不含排水泵坑區(qū)域)，由于場地標高與設計坑頂標高一致，基坑深度保持為4.2 m，仍采用“一道鋼管撐+12 m長拉森Ⅳ鋼板樁”支護形式，鋼管撐中心距調整為4 m，其余參數(shù)保持不變。

(4) 工況4：過河涌水平段K1+405.0排水泵坑區(qū)域，基坑深度保持為5.65 m，仍采用“兩道鋼管撐+12 m長拉森Ⅳ鋼板樁”，除鋼管撐中心距調整為4 m外，其余同原設計方案。

優(yōu)化后的綜合管廊鋼板樁支護段最不利的四種工況計算分析結果表明，基于場地實際標高，調整鋼管撐安設位置與水平間距后，基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、坑底抗隆起等驗算滿足要求，樁頂水平位移、土體最大側向位移、支撐軸力等滿足原設計與規(guī)范[15]要求。優(yōu)化后，綜合管廊基坑鋼板支護段鋼管撐位置均高于管廊結構頂板，如圖3所示。

圖3鋼板樁支護設計優(yōu)化后的綜合管廊縱斷面示意圖

工程實踐也表明，優(yōu)化后的鋼板樁支護設計方案滿足綜合管廊基坑支護開挖及主體結構施工需要，提高了施工效率，從源頭上有力保障了施工安全與質量。

2.3 其它優(yōu)化建議

按照設計方案，鋼板樁支護段基坑坑底寬度(兩側鋼板樁凈間距)為6.7 m；水泥攪拌樁地基處理范圍中軸線與基坑中軸線一致，處理寬度為7.5 m，如圖4所示。采用水泥攪拌樁處理軟土地基，且在鋼板樁邊線外側增設一排水泥攪拌樁，主要目的有：(1) 加固坑內被動區(qū)土體，可減小支護結構嵌固深度，增加坑底抗隆起變形的能力，控制支護結構變形；(2) 減少因管廊結構樁基礎周圍軟土沉降而產(chǎn)生的樁身負摩擦力，同時增大樁側摩阻力，提高樁基礎承載力，控制不均勻沉降；(3) 保證鋼板樁與坑內被動區(qū)加固體緊密接觸，控制支護結構的側移與周邊地表沉降。

圖4綜合管廊水泥攪拌樁地基處理設計布置圖

水泥土在達到一定齡期后具有較高的強度。另外，局部地質勘察揭露，坑底水泥攪拌樁加固深度范圍內局部區(qū)域存在粉砂層與中粗砂層。結合以往工程實踐經(jīng)驗與室內水泥土配合比試驗，粉砂與中粗砂地層經(jīng)過水泥攪拌樁處理后，水泥土強度高，且呈完整的墩柱樁。若需穿透水泥攪拌樁，鋼板樁沉樁施工困難，難以沉至設計樁底標高。如此，鋼板樁坑底嵌固長度與施工質量得不到保證，即使在背側補設鋼板樁，也難以滿足要求，且可能存在唧泥與漏水現(xiàn)象，支護結構位移得不到有效控制，存在安全隱患。

為此，提出設計優(yōu)化，取消坑底寬度方向上最外側的水泥攪拌樁，使得水泥攪拌樁處理邊線與鋼板樁邊線一致，理由有：(1) 按原有水泥攪拌樁設計布置方案，鋼板樁施工困難，且存在安全隱患，如上所述；(2) 因水泥漿滲透作用，經(jīng)水泥攪拌樁處理后，樁徑(鉆頭直徑)以外周邊范圍內的土體也能得到一定的加固；(3) 施工中嚴格控制鋼板樁施工精度(樁位與垂直度)，保證鋼板樁與水泥攪拌樁密貼，滿足原有設計要求。結合基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，工程實踐表明取消最外側的水泥攪拌樁對基坑穩(wěn)定性沒有影響。

需要指出的是，地下綜合管廊工程一般劃分為多個結構段，結構段之間設置變形縫，對基礎沉降要求嚴格，尤其是深厚軟土地區(qū)，一般采用樁基礎，如灌注樁、PHC管樁，而并不是直接以處理后的地基作為管廊結構基礎。因此，在選擇綜合管廊軟土地基處理方法時，應綜合考慮地基處理后對后續(xù)管廊結構灌注樁施工的影響。

另外，對于明挖法地下綜合管廊工程，如若現(xiàn)場與周邊條件允許，在滿足基坑安全、穩(wěn)定要求的前提下盡可能采用放坡開挖或放坡開挖與其它支護方式聯(lián)合的基坑支護開挖形式，即使現(xiàn)場具備放坡開挖條件的范圍可能小于綜合管廊一個結構段的長度，放坡開挖段可作為施工過程中機具、材料轉運與人員進出的有效通道。

3 結 語

本文依托廣州南沙某地下綜合管廊工程，對其基坑設計方案進行了優(yōu)化分析，結果表明優(yōu)化后的基坑設計方案滿足基坑安全、穩(wěn)定要求，并在工程實踐中得到成功應用。工程設計與施工應是一個有機體，設計方案首先應具有科學性，還應結合工程實際，具有施工可操作性與便捷性。本文研究旨在對明挖法地下綜合管廊或類似地下工程基坑設計與施工提供參考。