談軟土中綜合管廊的基坑穩(wěn)定設(shè)計(jì)

梁俊瑋

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)佛山斯美設(shè)計(jì)院有限公司， 上海 528253）

0 引言

城市綜合管廊是城市市政基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)建設(shè)熱點(diǎn)。綜合管廊是建于城市地下用于容納兩類及以上城市工程管線的構(gòu)筑物及附屬設(shè)施。綜合管廊有以下優(yōu)點(diǎn)：在城市土地資源日益緊張的今天，節(jié)約了城市用地；避免因地下管線維修頻繁開挖路面，便于管線的維修及日常管理；減少城市架空電線桿等。綜合管廊也有一些缺點(diǎn)，例如由于綜合管廊需要一定的覆土厚度（一般不少于2.5m），加上管廊主體結(jié)構(gòu)的高度，基坑深度一般達(dá)6m 以上，如有其他條件限制，深度可達(dá)10m 左右。且綜合管廊為沿線鋪設(shè)，因此基坑工程費(fèi)用很高，特別在珠三角地區(qū)，軟土分布廣泛，深基坑往往要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，進(jìn)一步增加了基坑費(fèi)用。該文著重討論軟土中綜合管廊的基坑穩(wěn)定設(shè)計(jì)。

1 規(guī)范關(guān)于穩(wěn)定性的要求及分析

根據(jù)國標(biāo)規(guī)范，基坑整體穩(wěn)定性K要求如公式（1）所示。

式中：c、φ-第條土條滑弧面處土體黏聚力、內(nèi)摩擦角，q-第條土條附加荷載分布值，b-第條土條寬度，ΔG-第條土條自重，θ-第條土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面的夾角，u-第條土條滑弧面上的水壓力，-第條土條滑弧長度。

抗傾覆穩(wěn)定性K要求如公式（2）所示。

式中：∑M-主動(dòng)區(qū)傾覆作用力矩總和，∑M-主動(dòng)區(qū)傾覆作用力矩總和。

抗隆起穩(wěn)定性K要求如公式（3）所示。

式中：γ、γ-分別為基坑外、基坑內(nèi)擋土構(gòu)件底面以上土的天然重度，l-擋土構(gòu)件的嵌固深度，N、N-承載力系數(shù)，-基坑深度，-擋土構(gòu)件底面以下土的黏聚力，-地面均布荷載。

從以上公式可歸納出，要提高基坑的穩(wěn)定性，需要提高被動(dòng)區(qū)的土抗力。提高被動(dòng)區(qū)土抗力可采用以下方式：1）擴(kuò)大被動(dòng)區(qū)的土體范圍，可采用加長支護(hù)樁的方法，使更多的坑內(nèi)土體參與抵抗基坑的圓弧滑動(dòng)。2）提高被動(dòng)區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度，即提高以上公式中的（黏聚力）、（內(nèi)摩擦角）的數(shù)值，常采用的方式為對(duì)坑底一定范圍的土體進(jìn)行加固。坑內(nèi)土體加固的常用方式為注漿加固、攪拌樁加固、旋噴樁加固，3 種加固方式旋噴樁加固效果最好，但費(fèi)用最高，可達(dá)攪拌樁加固的3 倍；注漿加固效果一般，適用土層受限多。水泥攪拌樁價(jià)格較低，且加固效果能達(dá)到工程要求，實(shí)際工程中應(yīng)用最多。攪拌樁加固土體平面布置的形式為滿堂式、格柵式、抽條式、裙邊式、墩式。為節(jié)省工程投資，常用的加固平面布置形式為格柵式及裙邊式。此外，要提高抗傾覆穩(wěn)定性，可在基坑底部設(shè)置剛性鉸，具體辦法為主體結(jié)構(gòu)底板澆筑完成后，在基坑邊和主體結(jié)構(gòu)之間澆筑素砼傳力帶形成剛性鉸，可降低傾覆力矩。在澆筑完底板傳力帶后，如基坑有2 道以上內(nèi)支撐，需要拆除位于主體結(jié)構(gòu)澆筑范圍內(nèi)的支撐，拆除支撐后支護(hù)樁的跨度突然增大，為了支護(hù)樁的強(qiáng)度、基坑變形能滿足要求，須選擇截面強(qiáng)度、剛度較高的樁型，如軟土中的支護(hù)鋼板樁，一般選擇Ⅳ型鋼板樁。以下結(jié)合案例對(duì)基坑穩(wěn)定性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2 工程案例及分析

案例一：佛山市順德區(qū)倫教某項(xiàng)目綜合管廊，標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖1 所示。該項(xiàng)目為支線單倉綜合管廊，管廊標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為5.0m～7.0m，基坑寬度為9m，采用12m 拉森Ⅳ鋼板樁+內(nèi)撐支護(hù)。內(nèi)支撐有2 道，采用φ508mm×12.5mm 鋼管，第一道撐距地面0.25m～1.3m，根據(jù)計(jì)算調(diào)整，一、二道撐的距離為2.5m。圍檁采用雙拼HM500×300×11×18 型鋼，坑底設(shè)置一道素砼傳力帶。地層從上至下依次為素填土、淤泥質(zhì)土、粉砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、砂質(zhì)黏性土、強(qiáng)風(fēng)化巖等。管廊坐落于淤泥質(zhì)土或粉砂層，且在支護(hù)深度范圍內(nèi)土層基本為軟土。為增強(qiáng)基坑的整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性，基坑坑底采用格柵式攪拌樁加固處理，攪拌樁規(guī)格為700@500mm，置換率為0.8。施工工序如下。道路整平、插入鋼板樁→坑底攪拌樁加固→基坑開挖至圍檁以下→第一道圍檁支撐施工→開挖至第二道圍檁以下→第二道圍檁支撐施工→基坑開挖至坑底→管廊主體施工→澆筑底板傳力帶→拆除第二道支撐→管廊主體施工→基坑回填→拆除第一道支撐、拔出鋼板樁。

圖1 案例一基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面（標(biāo)高單位：m，其余mm）

案例二：東莞市濱海灣新區(qū)某項(xiàng)目綜合管廊，標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。該項(xiàng)目為主線2～4倉綜合管廊，管廊標(biāo)準(zhǔn)段深度約為6m，基坑寬度為14m，采用21m 拉森Ⅳ鋼板樁+內(nèi)撐支護(hù)。內(nèi)支撐有1 道，采用609mm×16mm鋼管，圍檁采用雙拼HM500×300×11×18 型鋼，坑底設(shè)置一道素砼傳力帶。地層從上至下大致為雜填土或素填土、淤泥、中砂、粉質(zhì)黏土、礫砂、全風(fēng)化花崗巖等。標(biāo)準(zhǔn)段管廊底板基本坐落于淤泥層，由于基坑寬度較大，為節(jié)省投資，基坑坑底采用裙邊攪拌樁加固處理。施工工序與案例一類似，不再贅述。

圖2 案例二基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面（標(biāo)高單位：m，其余mm）

2個(gè)案例均采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.0軟件電算，基坑等級(jí)按二級(jí)，地面超載均按20kPa 計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。

從計(jì)算結(jié)果可看出，除案例一的抗傾覆穩(wěn)定性不滿足外，其余指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求。由于基坑計(jì)算模型為半無限模型，即基坑底一側(cè)寬度為無窮大，而實(shí)際中管廊的基坑寬度為有限且坑底都已做攪拌樁格柵式加固（案例一置換率0.8），因此當(dāng)坑底主動(dòng)土壓力作用于支護(hù)樁使支護(hù)鋼板樁有繞最下道支撐轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生傾覆破壞的趨勢(shì)時(shí)，坑底被動(dòng)區(qū)加固土能夠發(fā)揮出其被動(dòng)土壓力，因此可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷案例一的抗傾覆穩(wěn)定性能滿足安全要求。目前該項(xiàng)目已經(jīng)順利施工完成，基坑未發(fā)生安全事故。

反觀案例二，雖然計(jì)算結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，但在基坑開始施工時(shí)卻發(fā)生了坑頂和坑底整體位移過大的情況，現(xiàn)場照片（圖3）及基坑監(jiān)測結(jié)果（見表2）。

表2 K3+120 右支護(hù)樁頂位移記錄表

圖3 案例二基坑現(xiàn)場傾覆照片

從照片和監(jiān)測記錄可看出，基坑位移在短時(shí)間內(nèi)急劇增大，明顯超出了監(jiān)測規(guī)范的每日位移增長限值。設(shè)計(jì)人員隨后聯(lián)合勘察人員重新踏勘現(xiàn)場及分析設(shè)計(jì)圖紙，認(rèn)為基坑發(fā)生破壞有以下原因：1）雖然案例一、二的淤泥抗剪強(qiáng)度指標(biāo)相差不大，但是從現(xiàn)場的實(shí)際情況來看，案例二的淤泥明顯流動(dòng)性更大，這從案例二項(xiàng)目的排水管道3m 深基坑實(shí)際需要用9m、甚至12m 拉森鋼板樁支護(hù)可得到印證。對(duì)一般土質(zhì)3m 深基坑，采用6m 拉森鋼板樁支護(hù)即可，但該項(xiàng)目6m 拉森鋼板樁支護(hù)的基坑，第二天基坑底部就有明顯的隆起，鋼板樁外側(cè)土有明顯裂縫。2）案例二支護(hù)斷面雖然設(shè)計(jì)了坑底裙邊加固，由于中部仍有一定寬度未加固，即仍有潛在破裂面從中穿過的可能性，加之只有一道支撐，因此基坑仍然發(fā)生了繞基底轉(zhuǎn)動(dòng)和繞最下道支撐的傾覆破壞。

考慮到坑底采用滿堂加固費(fèi)用增加較高，且攪拌樁需要齡期形成強(qiáng)度，還須經(jīng)過完整性、強(qiáng)度檢測合格才能開挖。經(jīng)過比較后基坑采用以下加強(qiáng)措施：1）支撐鋼板樁換成HUW 工法樁，即工字鋼+U 型鋼板樁支護(hù)的形式，樁長不變，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。2）在第一道支撐下方2m再增加一道內(nèi)支撐，增加結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力。增加的HUW工法樁及鋼支撐均為成品，對(duì)工期影響較小。HUW 工法樁截面如圖4 所示。

圖4 HUW 工法樁截面（單位：mm）

經(jīng)計(jì)算，各項(xiàng)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見表1。根據(jù)基坑第三方監(jiān)測報(bào)告，支護(hù)加強(qiáng)后的管廊基坑始終處于安全可控狀態(tài)。目前該項(xiàng)目管廊段已施工完畢。

表1 案例各項(xiàng)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

總結(jié)案例一、二基坑采用的支護(hù)有差別的原因：1）案例一為淤泥質(zhì)土，案例二為淤泥，淤泥的天然孔隙比比淤泥質(zhì)土的要大，淤泥性質(zhì)稍差。2）東莞濱海灣新區(qū)為東莞大力開發(fā)的新區(qū)，新建項(xiàng)目非常多，且該地區(qū)靠海，很多用地均為填海造陸或者需要填土加高。由于工程項(xiàng)目施工多、面積大、填土層厚度達(dá)到幾米，造成原來地表的淤泥在大量的填土擠壓下一直處于流動(dòng)的狀態(tài)。淤泥的自穩(wěn)能力進(jìn)一步變差，地質(zhì)剖面如圖5 所示。

從圖5 看出，2-3 淤泥質(zhì)土層由于受到左側(cè)1 層填土的擠壓、在填土厚度較小的區(qū)域有上涌擠出的趨勢(shì)，同時(shí)在流動(dòng)過程中性質(zhì)變差，定義為淤泥（2-2 層）。因此案例二管廊基坑采用的支護(hù)比案例一要強(qiáng)一些。

圖5 案例2 地質(zhì)局部剖面

3 結(jié)語

結(jié)論如下。1）軟土地區(qū)的管廊基坑設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)遇到穩(wěn)定性指標(biāo)不滿足的情況。如要將穩(wěn)定性指標(biāo)提高至規(guī)范要求，則支護(hù)措施費(fèi)用須增加較多。因此基坑應(yīng)結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如案例一的傾覆穩(wěn)定性計(jì)算，支護(hù)樁并不需要過分加長，由于基坑寬度不大，坑底采用格柵式加固也能取得較好的效果。2）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)不能僅根據(jù)幾個(gè)基坑設(shè)計(jì)參數(shù)，也需要結(jié)合場地地質(zhì)特點(diǎn)和現(xiàn)場踏勘進(jìn)行。有條件的可以做試驗(yàn)段，或結(jié)合鄰近項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，為設(shè)計(jì)提供更多支撐。當(dāng)然，在該過程中，也需要巖土工程師去甄別信息的有效性及真?zhèn)巍?/p>