復(fù)雜條件下地下綜合管廊深基坑支護技術(shù)研究

吳顯偉，劉 媛，童 欣

(中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司， 湖北 武漢 430010)

地下管線綜合廊道(日語為“共同溝”，英文為“Utility Tunnel”)就是指將兩種以上的城市管線集中設(shè)置于同一人工空間中，所形成的一種現(xiàn)代化、集約化的城市基礎(chǔ)設(shè)施。發(fā)展共同溝，已成為城市可持續(xù)發(fā)展的重要方向[1]。從國內(nèi)外綜合管廊的發(fā)展可以看出，我國具有起步晚、規(guī)模小、發(fā)展速度緩慢的特點。究其原因主要是沒有相應(yīng)的法律法規(guī)，限制了綜合管廊在我國的發(fā)展；綜合管廊前期的建設(shè)成本較高，限制了綜合管廊的廣泛應(yīng)用；同時，我國目前市政基礎(chǔ)設(shè)施的管理與運營機制，限制了綜合管廊的發(fā)展[2]。而隨著我國城市化建設(shè)的快速發(fā)展，城市地下綜合管廊的應(yīng)用越來越廣泛[3]。

就綜合管廊而言，楊劍等[4]曾對綜合管廊在地震下土體液化后的變形、結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化進行了分析。岳慶霞等[5]利用Rayleigh地震波得出地下綜合管廊結(jié)構(gòu)變形以整體彎曲變形為主。周秋月等[6]通過監(jiān)測分析得出了鋼板樁 + 鋼支撐應(yīng)用于綜合管廊基坑具有很好的效果。裴行凱等[7]動態(tài)分析了基坑開挖對鄰近隧道變形的影響。總體而言， 目前對綜合管廊基坑的研究還比較欠缺， 且大多研究均是針對綜合管廊基坑施工完成后的力學(xué)響應(yīng)分析。

目前國內(nèi)地下綜合管廊的建設(shè)以明挖法為主，綜合管廊因其開挖斷面小、跨度長、周邊環(huán)境緊張、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點，給基坑的開挖及支護造成一定的困難與挑戰(zhàn)。因此，如何在復(fù)雜條件下安全、快速、經(jīng)濟地進行地下綜合管廊基坑的施工變得至關(guān)重要[8]。

擬建某地下綜合管廊沿線地質(zhì)條件復(fù)雜、深厚軟土大面積分布、周邊環(huán)境受限、管廊節(jié)點眾多，本文以該管廊基坑支護優(yōu)化設(shè)計為案例，討論、分析在復(fù)雜條件下的地下綜合管廊基坑支護的特點及方案設(shè)計，為同類工程提供一定參考。

1 工程概況

擬建地下綜合管廊位于湖北省某市，入廊管線包括供熱、供水、燃氣、電力、廣電以及各種通信管線。地下綜合管廊斷面為兩艙形式，包括綜合艙、燃氣艙，管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為B×H=6.2 m×3.8 m。兩艙共設(shè)置有進風(fēng)口、吊裝口、排風(fēng)口、逃生口、人員出入口等170余處節(jié)點，形狀、尺寸各異。地下綜合管廊全長為6 349 m，均采用明挖施工。

擬建管廊周邊環(huán)境較為復(fù)雜，管廊沿現(xiàn)狀道路布置。局部臨近池塘、建筑物等，且與現(xiàn)狀道路、管線有多處交叉。

場地沿線地勢整體較平緩，管廊設(shè)計地面標(biāo)高為17.0 m～20.7 m，基底標(biāo)高5.8 m～17.2 m，基坑開挖深度H=3.5 m～13.2 m?；又ёo重要性等級為一級；局部開挖深度小于6 m支護段重要性等級為二級。

1.1 工程地質(zhì)條件

擬建場地位于長江中游，漢江盆地東緣，屬剝蝕堆積低垅崗及沖積堆積地貌單元。場地地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)野外勘探成果并結(jié)合室內(nèi)土工試驗成果，場區(qū)巖(土)層自上而下巖性特征如下所述：

①素填土(Qml)：灰黃、褐灰色，松散，土質(zhì)不均，以黏性土為主，混夾建筑垃圾及少許碎塊?；靥钅晗藜s5年左右。揭露厚度0.00 m～6.60 m。

②淤泥質(zhì)黏土(Q4l)：灰黑色，流塑，濕，飽和，土質(zhì)不均勻，含少許腐殖物，略有腥臭味。揭露厚度0.00 m～13.30 m。

③黏土(Q4al)：褐灰、黃灰色，可塑，局部軟塑，土質(zhì)均勻。揭露厚度0.00 m～13.90 m。

④淤泥質(zhì)黏土(Q4l)：深灰色，流塑，濕，飽和，土質(zhì)不均，含少許腐殖物，有腥臭味。揭露厚度0.00 m～12.00 m。

⑤細砂(Q4al)：褐灰、黃灰色，濕，稍密，土質(zhì)均勻，夾薄層粉土，主要成分為石英、云母片及黏土礦物等。揭露厚度0.00 m～10.40 m。

⑥-1粉質(zhì)黏土(Q4al)：灰黃、褐灰色，可塑，土質(zhì)均勻，局部間夾薄層粉細砂。揭露厚度0.00 m～14.60 m。

⑥-2粉質(zhì)黏土(Q4al)：暗黃色，硬塑，土質(zhì)均勻，含鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部含較多砂粒、碎石。揭露厚度0.00 m～22.60 m。

⑥-3粉質(zhì)黏土(Q4al)：灰褐、灰黃色，可塑，土質(zhì)均勻，局部間夾薄層粉細砂。揭露厚度0.00 m～16.50 m。

⑦淤泥質(zhì)黏土(Q4l)：深灰、褐灰色，流塑，濕，飽和，土質(zhì)不均勻，含少許腐殖物，略有腥臭味。揭露厚度0.00 m～8.30 m。

⑧-1細砂(Q4al)：青灰色，濕，稍密，土質(zhì)均勻，間夾薄層粉土、粉砂。揭露厚度0.00 m～11.80 m。

⑧-2粗砂(Q4al)：灰褐色，濕，中密，土質(zhì)均勻，底部含較多礫砂、卵礫石。揭露厚度0.00 m～8.50 m。

⑨粉質(zhì)黏土(Qel)：褐黃色，硬塑，土質(zhì)均勻，含灰白色高嶺土團塊及褐黑色鐵錳質(zhì)薄膜，底部含風(fēng)化殘余的砂粒。揭露厚度0.00 m～16.70 m。

⑩-1強風(fēng)化砂巖K：暗紫紅色，巖石風(fēng)化強烈，原巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造不清晰，砂礫結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，巖芯多呈碎塊狀。鉆探未揭穿。

⑩-2中風(fēng)化砂巖K：暗紫紅色，巖石風(fēng)化中等，砂礫結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，裂隙發(fā)育，巖體較破碎，巖芯多呈短柱狀，采取率65%～75%，RQD值達35%左右，巖質(zhì)軟，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級。鉆探未揭穿。

1.2 水文地質(zhì)條件

場區(qū)內(nèi)地下水類型主要為上層滯水、承壓水及基巖裂隙水。上層滯水賦存于雜填土中，主要受大氣降水補給；孔隙承壓水賦存于第⑤層及第⑧層砂中，勘察期間測得第⑤層、第⑧層水位標(biāo)高分別為6.75 m、2.35 m；裂隙水分布于第⑩層砂巖中，裂隙水埋藏較深，水量不豐，對施工影響不大。

1.3 巖土設(shè)計參數(shù)

根據(jù)本工程巖土工程勘察報告，基坑支護設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 基坑支護設(shè)計參數(shù)一覽表

2 復(fù)雜地下綜合管廊基坑特點及支護重難點

2.1 典型的狹長型基坑

地下綜合管廊屬于線性構(gòu)筑物，為典型的狹長型基坑，具有較大的長寬比。此類狹長型基坑的長邊效應(yīng)明顯存在?；佣祟^部位的受力優(yōu)于長邊，長邊跨中往往會出現(xiàn)更顯著的水平位移[9]。

支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)增加基坑長邊跨中剛度、減小支撐間距、及時支護，以減小長邊效應(yīng)對基坑的影響，確?；咏ㄔO(shè)期施工安全[10-11]。

2.2 管廊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、節(jié)點眾多

地下綜合管廊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，除兩艙標(biāo)準(zhǔn)斷面外，另設(shè)置有進風(fēng)口、吊裝口、排風(fēng)口、逃生口、人員出入口等共170余處。節(jié)點尺寸、開挖深度各異，人員出入口開挖深度最淺為3.5 m，進風(fēng)口、排風(fēng)口開挖深度最深約8 m～9 m?；又ёo設(shè)計時應(yīng)根據(jù)不同節(jié)點尺寸、開挖深度進行分區(qū)設(shè)計施工。

2.3 地質(zhì)條件極為復(fù)雜

管廊沿線跨度較長，地質(zhì)條件復(fù)雜、變化大。巖(土)層數(shù)多達十余層，沿線巖(土)層性質(zhì)、地層起伏和層厚差異性大。

場地土質(zhì)條件差，沿線大面積分布有較深厚淤泥質(zhì)軟土，最厚達13.30 m。

基坑支護設(shè)計時應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，分區(qū)段分別進行支護設(shè)計，重點關(guān)注深厚軟土區(qū)段的基坑支護設(shè)計、施工。

2.4 周邊環(huán)境緊張

擬建項目周邊環(huán)境極為緊張，管廊位于現(xiàn)狀道路非機動車道下方，距離車行道邊線僅1.5 m，局部臨近池塘、建筑物等。

基坑支護設(shè)計時應(yīng)對周邊道路、池塘、建筑物進行避讓，并給以相應(yīng)保護及監(jiān)測措施，以確保周邊道路、構(gòu)筑物及基坑自身的安全。

另外，在設(shè)計時應(yīng)特別注意臨近構(gòu)筑物對基坑產(chǎn)生的荷載、現(xiàn)狀道路與擬建管廊間的不均勻沉降等問題。

2.5 地下障礙物多

管廊所處現(xiàn)狀道路下方存在部分既有管線，且在路口交叉處存在大量橫穿基坑的給水、電力、通信、燃氣等現(xiàn)狀管線。

在基坑支護設(shè)計、施工前應(yīng)采用測繪、物探等手段，準(zhǔn)確查明地下管線的分布，對既有管線進行避讓、監(jiān)測、遷改。道路交叉口存在橫穿管線時，管廊設(shè)計為倒虹段，開挖深度顯著加深，基坑支護時應(yīng)予以特別重視。

另外，擬建管廊周邊有一現(xiàn)狀混凝土給水管道，設(shè)計時應(yīng)考慮管道漏水的可能。對于基坑側(cè)壁為透水層區(qū)段應(yīng)給與一定止水措施。

3 典型斷面基坑支護方案

鑒于本項目自身特點，基坑支護主要采用垂直支護方式，以具有止淤、止水的支護措施為主。

根據(jù)基坑沿線地質(zhì)條件、周邊環(huán)境情況、基坑開挖深度、坡頂超載的不同，采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、拉森鋼板樁等多種支護手段相結(jié)合，分區(qū)段、針對性的進行地下管廊基坑支護施工。

3.1 SMW工法樁(插一跳一)+一道鋼管內(nèi)支撐

綜合管廊標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制段及纜線、管線出口等節(jié)點，開挖深度較淺小于7 m；地質(zhì)條件較好，僅局部含淤泥質(zhì)黏土，且淤泥質(zhì)土層較薄。采用SMW工法樁+一道鋼管內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構(gòu)。工法樁采用Φ650@450 mm三軸攪拌樁內(nèi)插HM500×300型鋼@900 mm，鋼管撐規(guī)格Φ609×10@4 000 mm。典型支護斷面詳見圖1。

3.2 SMW工法樁(密插)+二道鋼管內(nèi)支撐+被動區(qū)加固

進風(fēng)口、排風(fēng)口等節(jié)點開挖深度較深，約8 m～9 m；基坑側(cè)壁、基底分布有大量淤泥質(zhì)土，厚度較厚約6 m～9 m。采用SMW工法樁+二道鋼管內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構(gòu)。工法樁采用Φ650@450 mm三軸攪拌樁內(nèi)插HM500×300型鋼@450 mm。被動區(qū)采用三軸攪拌樁作為基坑底被動區(qū)加固。典型支護斷面詳見圖2。

圖1 典型支護斷面設(shè)計1(單位：mm)

圖2 典型支護斷面設(shè)計2(單位：mm)

3.3 鉆孔灌注樁+一至二道內(nèi)支撐+被動區(qū)加固

管廊交叉口、倒虹段，開挖深度較深約10 m～14 m，基坑側(cè)壁、基底分布有極深厚淤泥質(zhì)土，層厚約10 m～13 m；另有部分區(qū)段臨近現(xiàn)狀房屋等構(gòu)筑物，現(xiàn)狀荷載較大。設(shè)計采用Φ1100@1 400 mm鉆孔灌注樁+一至二道內(nèi)支撐，其中第一道內(nèi)支撐采用700×700@9 000 mm鋼筋混凝土撐，第二道支撐采用Φ609×10@4 000 mm鋼管撐。支護樁邊采用三軸攪拌樁作為圍護結(jié)構(gòu)兼做止水帷幕。被動區(qū)采用三軸攪拌樁作為基坑底被動區(qū)加固。局部環(huán)境條件允許下，基坑上部1.0 m～2.5 m采用1∶1.25放坡卸載。典型支護斷面詳見圖3。

3.4 拉森鋼板樁+一道鋼管內(nèi)支撐

人員出入口開挖深度較淺，為3.5 m，采用Ⅳ型拉森鋼板樁+一道鋼管內(nèi)支撐的支護形式。樁長9 m，鋼管撐規(guī)格Φ325×12 mm，支護結(jié)構(gòu)斷面詳見圖4。

圖3 典型支護斷面設(shè)計3(單位：mm)

圖4 典型支護斷面設(shè)計4(單位：mm)

4 關(guān)鍵施工技術(shù)

4.1 土方開挖

針對此類狹長型基坑，應(yīng)充分考慮“時空效應(yīng)”，遵循分區(qū)、對稱、平衡的原則，分段、分塊、分層的進行支護、土方開挖施工。分層開挖深度一般為2.0 m～4.0 m，在深厚淤泥質(zhì)土地層中，分層開挖深度不宜大于1.0 m。

分塊開挖降低了基坑支護施工難度，有效控制和減小基坑及地層位移，同時加快了施工進度，能合理利用場地、人力及材料資源，具有較好的安全性及經(jīng)濟效益[12]。

4.2 三軸攪拌樁施工

三軸水泥土攪拌樁采用Φ650@450三軸攪拌樁設(shè)備，樁體施工必須保持連續(xù)性，形成水泥土攪拌墻，確保防滲可靠性。三軸水泥土攪拌樁采用P.O42.5水泥，水泥摻入量不低于20%，建議水灰比為1.5～2.0。

施工時樁機就位應(yīng)對中，平面允許偏差±20 mm，三軸攪拌樁樁機立柱導(dǎo)向架垂直度偏差不應(yīng)大于1/250；三軸水泥土攪拌樁攪拌下沉與提升應(yīng)保持勻速下沉與勻速提升。漿液試塊28 d無側(cè)限抗壓強度應(yīng)不小于0.6 MPa。

4.3 工法樁型鋼的加工、插入及回收

型鋼尺寸為HM500×300，腹板厚度11 mm，翼緣厚度15 mm。型鋼宜采用整材，分段焊接時應(yīng)采用坡口等強焊接。

擬回收的型鋼，插入前應(yīng)在干燥條件下清除表面污垢和鐵銹，并涂敷減摩材料。

型鋼宜在水泥土墻施工后30 min內(nèi)插入，插入前應(yīng)檢查其垂直度和接頭焊縫質(zhì)量，插入時采用定位導(dǎo)向架。型鋼宜依靠自重插入，當(dāng)插入困難時可采用輔助措施下沉。

型鋼起拔宜采用專用液壓起拔機。型鋼拔出時，應(yīng)加強對圍護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的監(jiān)測。型鋼回收后，應(yīng)進行校正、修復(fù)處理[13]。

4.4 鉆孔灌注樁施工

鉆孔灌注樁設(shè)計強度等級為C30，灌注樁施工前須進行試成孔試驗。對易坍塌或流動的軟弱土體，應(yīng)根據(jù)成樁工藝采取改善泥漿性能等措施，保證成孔質(zhì)量，以防塌孔。

灌注樁樁位允許偏差為±50 mm。樁頂標(biāo)高的施工誤差不得超過±100 mm，樁底標(biāo)高的施工誤差-0 mm～+300 mm。垂直度允許偏差為1/100，樁身因擴頸造成局部突出不應(yīng)大于100 mm[14]。

灌注樁混凝土超灌長度不得小于一倍樁徑，待灌注樁施工完畢，混凝土達到初凝應(yīng)及時對空樁部分進行回填，回填材料可采用中粗砂或素填土，回填至現(xiàn)狀地面標(biāo)高。

4.5 拉森鋼板樁施工

基坑每一步的開挖對鋼板樁水平位移和彎矩的變化影響顯著。鋼板樁最大的水平位移增加和彎矩增量均在最后開挖步產(chǎn)生， 最后的開挖步為綜合管廊基坑開挖的關(guān)鍵和最危險步， 基坑地表沉降隨著開挖逐漸發(fā)展， 最后一步開挖依然是沉降變形最大的關(guān)鍵施工階段， 做好最后步的施工開挖成為基坑支護安全的關(guān)鍵點[15]。

5 結(jié) 論

目前，我國城市地下綜合管廊建設(shè)還較為滯后，建設(shè)經(jīng)驗相對不足。城市地下綜合管廊因其特有的特征，在所涉及的地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、開挖深度、施工工藝上表現(xiàn)出極大差異性及復(fù)雜性，涉及到的基坑支護重難點問題也各不一樣。

因此，地下綜合管廊基坑支護設(shè)計在常規(guī)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)、環(huán)境、施工條件，綜合考慮安全、工期、經(jīng)濟等因素，制定具有針對性的支護方案，選擇合理的施工技術(shù)。同時，應(yīng)加強施工階段的監(jiān)測，制定針對性的環(huán)境監(jiān)測及施工保護措施，進一步提高在復(fù)雜條件下城市地下綜合管廊的建設(shè)技術(shù)。