市政地下通道跨越既有管道的基坑設(shè)計(jì)

劉宇晨

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的迅猛發(fā)展，在城市道路設(shè)計(jì)中除了要對(duì)城市主次干路不同方向上的縱向車流進(jìn)行詳細(xì)分析和合理渠化外，還需重點(diǎn)考慮行人過(guò)街帶來(lái)的橫向交通問(wèn)題。為充分體現(xiàn)“以人為本”的設(shè)計(jì)理念，通常建設(shè)人行天橋或人行地下通道解決這一問(wèn)題。

與人行天橋相比，人行地下通道能保留城市原有風(fēng)格風(fēng)貌，保持道路的清爽整潔，因而越來(lái)越成為城區(qū)人行橫向通道的首選。但由于城市道路橫斷面布置管線眾多，尤其是埋深較大的雨水、污水等管道的存在，給地下通道的設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)一定的技術(shù)難度。本文將結(jié)合實(shí)際工程，對(duì)市政地下通道跨越既有管道的基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探討。

1 市政地下通道與既有管道的相對(duì)關(guān)系

市政地下通道橫穿城市道路時(shí)，通常在結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)連續(xù)布置在地面以下，與道路縱向地下管道存在空間上的交叉。這種交叉關(guān)系通常分為以下幾種：

（1）管道位于地下通道頂板以上。當(dāng)管道埋深較淺，位于地下通道頂板以上時(shí)，常采用的處理方法是臨時(shí)遷改或就地保護(hù)，待地下通道結(jié)構(gòu)施工完成后復(fù)位即可。

（2）管道與地下通道結(jié)構(gòu)沖突。當(dāng)管道與通道結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍥_突，并不侵入內(nèi)部?jī)艨諘r(shí)，若管線遷改有難度，可考慮包裹在頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)中。當(dāng)管道與通道結(jié)構(gòu)側(cè)墻沖突時(shí)，由于管線不能侵入通道凈空空間，必須改遷管線。

（3）管道位于地下通道底板以下。當(dāng)管道埋深較大，位于地下通道底板以下時(shí)，管道遷移通常難度較大，經(jīng)濟(jì)代價(jià)也較高，一般采用就地保護(hù)。管道的存在對(duì)地下通道基坑支護(hù)和止水均有較大影響，因此管道影響范圍內(nèi)基坑設(shè)計(jì)時(shí)需采用特殊措施。

相比較而言，（1）、（2）兩種情況處理難度較小，本文將重點(diǎn)討論管道位于地下通道地板以下時(shí)的地下通道基坑設(shè)計(jì)，此時(shí)地下通道結(jié)構(gòu)以跨越方式與管道立體交叉。

2 市政地下通道跨越既有管道的基坑設(shè)計(jì)

地下通道跨越既有管道時(shí)，通道基坑和管道由于空間上的相互交叉，兩者之間將互相影響。因此要根據(jù)地質(zhì)情況、周邊環(huán)境、基坑和既有管道的特點(diǎn)等因素，進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)。

2.1 基坑對(duì)管道的影響及對(duì)策

地下通道跨越既有管道時(shí)，基坑開挖過(guò)程中容易傷及管道，基坑開挖取土卸載會(huì)導(dǎo)致管道隨地基土向上回彈或因抗浮能力不足而脫空，基坑開挖時(shí)降水又有可能導(dǎo)致管線隨周圍土體共同沉降，發(fā)生超限位移。另外，通道建成后也有可能對(duì)既有管道結(jié)構(gòu)帶來(lái)附加荷載。

地下管線允許變形值與管材、接頭形式、管徑和管節(jié)長(zhǎng)度等有關(guān)，應(yīng)滿足相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)施工規(guī)范的要求。因基坑開挖引起管線相關(guān)變形超過(guò)規(guī)范允許值時(shí)，應(yīng)采取有效措施防止管線有害變形發(fā)生。

防止管道回彈通常采用降水、改良土體和頂部施加壓力等方法。降水法會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成一定影響，通常需配合截水帷幕采用坑內(nèi)降水。改良土體法通過(guò)注漿等方法對(duì)管道周圍土體進(jìn)行加固，同時(shí)降低其滲透系數(shù)，通過(guò)增加土體自重和強(qiáng)度限制土體回彈。采用此法時(shí)，應(yīng)注意控制注漿壓力，以防注漿壓力過(guò)大造成管道移位。頂部施加壓力法是最直接、最容易控制的方法，通常采用分區(qū)抽條開挖、分塊澆筑壓載的方式，防止一次開挖卸載過(guò)大導(dǎo)致管道出現(xiàn)難以控制的回彈變形。

2.2 管道對(duì)基坑的影響及對(duì)策

由于管道及兩側(cè)安全范圍限制，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕的連續(xù)性受到影響，給基坑設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)一定的難度，甚至導(dǎo)致基坑事故發(fā)生。

不同的管材、管徑和斜交角度，對(duì)基坑的影響和處理方式不同。管徑較小且斜交角度較小時(shí)，管道對(duì)通道基坑影響范圍較??；管徑較大或斜交角度較大時(shí)，管道對(duì)通道基坑影響范圍較大。

對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)管道對(duì)通道基坑影響范圍較小時(shí)，影響范圍內(nèi)的支護(hù)結(jié)構(gòu)可考慮斷開，或減小嵌固深度。支護(hù)結(jié)構(gòu)斷開時(shí)，局部采用掛網(wǎng)噴射混凝土或擋土板擋土。嵌固深度減小標(biāo)準(zhǔn)通常以支護(hù)結(jié)構(gòu)底與管頂凈距不小于50 cm間距為限，或以管線權(quán)屬單位的要求為準(zhǔn)，同時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用對(duì)土體影響小的施工工藝。這兩種情況均會(huì)加大斷開處兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部側(cè)向土壓力和變形，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)支撐。

當(dāng)管道對(duì)通道基坑影響范圍較大時(shí)，兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度難以抵抗影響范圍內(nèi)的土壓力，需獨(dú)立設(shè)置支護(hù)體系。常用的方法是局部采用土釘墻或水泥攪拌樁重力式擋墻，其參數(shù)根據(jù)計(jì)算確定。

對(duì)于止水帷幕，通?？紤]采用袖閥管注漿、高壓旋噴樁在基坑外施作止水帷幕，或在影響范圍內(nèi)采用封底止水，具體采用何種方案，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、管道與坑底距離、場(chǎng)地周邊情況、施工工期和工程造價(jià)等因素進(jìn)行綜合比較確定。

3 工程案例

3.1 工程概況

某地下通道穿越城市快速路，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主通道長(zhǎng)68.21 m，頂?shù)装搴穸?.5 m，側(cè)墻厚0.5 m，凈高3.5 m，凈寬4.0 m。兩端人行梯道出口段凈高3.5 m，凈寬2.5 m，頂?shù)装搴?0 cm，側(cè)墻厚50 cm。采用整體板式基礎(chǔ)。其地質(zhì)情況自上而下描述見表1。

主通道基坑寬度為6.4 m（按結(jié)構(gòu)外側(cè)兩邊各增加0.7 m考慮），深度約6 m；根據(jù)地質(zhì)情況，坑底為滲透系數(shù)很大的粗、礫砂層。采用拉森Ⅳ型鋼板樁+?426 mm鋼管橫撐進(jìn)行支護(hù)，鋼板樁長(zhǎng)12 m?；影踩燃?jí)為二級(jí)。

主通道分別跨越一根D3000污水管和一根D1400雨水管，主通道基坑平面及其與雨水污水管關(guān)系如圖1所示。

3.2 地下通道跨越D3000污水管處基坑設(shè)計(jì)

該污水管與地下通道主通道斜交角度為76.7°，平面上重疊寬度為3.1 m，管頂距離坑底約2.5 m。根據(jù)污水管運(yùn)營(yíng)部門管線保護(hù)要求，支護(hù)樁與污水管應(yīng)保證不小于1 m的凈間距。這將導(dǎo)致重疊5.1 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)無(wú)法采用鋼板樁支護(hù)。根據(jù)前述原則，在鋼板樁不連續(xù)范圍和兩側(cè)各搭接約1.8 m段選用水泥攪拌樁重力式擋墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，擋墻長(zhǎng)8.55 m，寬4.35 m。

基坑底位于透水性極強(qiáng)的粗、礫砂層，考慮到污水管管徑達(dá)3 m，袖閥管注漿滲透半徑僅約0.8 m，無(wú)法在管底形成連續(xù)的止水帷幕，因此采用攪拌樁封底做止水帷幕。

表1 某工程地質(zhì)自上而下情況

圖1 地下通道基坑平面圖（單位：m）

該位置基坑橫斷面和縱斷面示意如圖2所示。

圖2 跨越D3000污水管基坑設(shè)計(jì)圖（單位：m）

重力式擋墻采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行穩(wěn)定性和承載力驗(yàn)算如下。

3.2.1 重力式擋墻滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

滿足規(guī)范要求。

3.2.2 重力式擋墻傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

滿足規(guī)范要求。

3.2.3 重力式擋墻正截面應(yīng)力驗(yàn)算

最大截面彎矩設(shè)計(jì)值Mi=1.25γ0Mk=1.25×1.0×536.1=670.1（kN·m），最大截面剪力標(biāo)準(zhǔn)值Vi=233.4 kN。水泥土抗壓強(qiáng)度取值fcs=2 MPa。

壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

拉應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范。

剪應(yīng)力驗(yàn)算滿足規(guī)范。

3.3 地下通道跨越D1400污水管處基坑設(shè)計(jì)

該污水管與地下通道主通道正交，平面上重疊寬度為1.4 m，管頂距離坑底約0.5 m。根據(jù)污水管運(yùn)營(yíng)部門管線保護(hù)要求，支護(hù)樁與污水管應(yīng)保證不小于0.5 m的凈間距。

根據(jù)前述原則，由于該污水管對(duì)通道基坑影響范圍較小，影響范圍內(nèi)采用不落底的短鋼板樁，樁底至管頂上方50 cm處，起擋土和止水作用。為避免對(duì)污水管造成較大影響，短鋼板樁采用靜壓法施工。為保證基坑安全，采用以下加強(qiáng)措施：

（1）將污水管兩側(cè)兩根相鄰的鋼管橫撐規(guī)格從?428×12 mm鋼管調(diào)整為 ?428×16 mm。

（2）在污水管保護(hù)范圍兩側(cè)局部采用4排×5列攪拌樁加固坑內(nèi)土體，以協(xié)助標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼板樁抵抗污水管范圍內(nèi)外側(cè)土壓力。

（3）距離第一道撐3.5 m處設(shè)一道同規(guī)格加強(qiáng)腰梁，并與兩側(cè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度鋼板樁牢靠焊接，每側(cè)焊接數(shù)量不小于3片，以保證有足夠的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度板樁共同承擔(dān)短鋼板樁外側(cè)土壓力。

由于透水層為粗、礫砂層，注漿滲透性好，擴(kuò)散半徑大，同時(shí)污水管管徑較小，每側(cè)采用2排×2列斜向袖閥管在基坑外注漿，孔距1.0 m，與兩側(cè)水泥攪拌樁形成閉合的止水帷幕。注漿位置為污水管頂面0.5 m至管底以下粗、礫砂層，并進(jìn)入不透水層不小于0.5 m。局部袖閥管注漿盲區(qū)，在開挖過(guò)程中采用鋼花管補(bǔ)注水泥水玻璃雙液漿（見圖 3）。

圖3 跨越D1400污水管基坑設(shè)計(jì)圖（單位：m）

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，越來(lái)越多的地下通道、車行隧道等地下交通工程基坑設(shè)計(jì)中會(huì)遇到跨越既有管道或其他構(gòu)筑物的情況，如何因地制宜采用合理可靠的基坑支護(hù)形式，是值得探討的問(wèn)題。本文根據(jù)跨越不同的管道直徑和管道埋深，采用兩種不同的支護(hù)方式和止水帷幕形式，取得了良好的效果，可為同類條件下的基坑設(shè)計(jì)提供參考。