地下綜合管廊在不同環(huán)境的深基坑工程設(shè)計

梁志輝

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

地下綜合管廊[1]是一種現(xiàn)代化、集約化的城市公用基礎(chǔ)設(shè)施。在城市化快速發(fā)展進(jìn)程中，推進(jìn)綜合管廊建設(shè)，是實施城市化發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)城市可持續(xù)發(fā)展的必然要求。

管廊的基坑支護(hù)方式設(shè)計主要與基坑深度、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境有關(guān)。綜合管廊的基坑是典型的狹長基坑，針對此特點，周秋月等[2]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[3]動態(tài)分析了管廊基坑開挖對鄰近隧道變形的影響。楊建雄[4]等對放坡開挖和鉆孔灌注樁基坑圍護(hù)方案界定了適用范圍。吳顯偉等[5]提出地下綜合管廊基坑支護(hù)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(jì)等因素，制定具有針對性的支護(hù)方案，選擇合理的施工技術(shù)?？傮w而言，對于地下管廊的深基坑設(shè)計方面研究欠缺。

擬建某地下綜合管廊沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，局部地方分布地下市政管線，基坑深度超過7 m。本文以該管廊深基坑支護(hù)設(shè)計為案例，討論、分析在不同環(huán)境下的地下綜合管廊基坑支護(hù)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

擬建某城市地下綜合管廊全長約7.5 km，覆土厚度在2～6 m 之間，斷面大小為8.8 m×3.9 m，具體尺寸如圖1 所示，分為燃?xì)馀摚?.7 m×3.1 m）、電力艙（2.2 m×3.1 m）和給排水艙（3.5 m×3.1 m），主要容納電力電纜、給水、通信、燃?xì)狻⒅兴?、污水六類管線。

1.1 地下綜合管廊總體設(shè)計方案

擬建城市地下綜合管廊總體路線沿著在新建道路北側(cè)的機(jī)動車道和機(jī)非隔離帶下敷設(shè)管廊，設(shè)有通風(fēng)口、管線分支口、吊裝口、參觀出入口、端井、倒虹段及交叉口等。管廊西側(cè)工程起點處設(shè)置端井1 座，沿線經(jīng)過4 條現(xiàn)狀路，交叉口位置設(shè)置地下交叉口4座，通風(fēng)口每200 m 設(shè)置一座，吊裝口為400 m 設(shè)置一座，管線分支口設(shè)置在道路交叉口和地塊的中間段，于下穿現(xiàn)狀河和遠(yuǎn)期規(guī)劃河道位置設(shè)置倒虹段，終點與現(xiàn)狀綜合管廊連通。另外，在下穿高速公路橋涵處，根據(jù)遠(yuǎn)期高速公路規(guī)劃要求，綜合管廊應(yīng)分叉經(jīng)過，如圖2 所示。

1.2 綜合管廊基坑總體設(shè)計方案

管廊基坑沿線土層從上至下分別為：雜填土、粉質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土（淤泥）、有機(jī)質(zhì)土、黏土、圓礫、粉土、含礫黏土，具體物理參數(shù)指標(biāo)詳見表1。地下水位為0.80～3.80 m，賦存于粉土、圓礫、礫砂中的孔隙水及賦存于黏土中的上層滯水，以及藕塘內(nèi)的淤泥（屬弱含水層），地下水主要接受大氣降水下滲補(bǔ)給。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計參數(shù)表

管廊基坑周邊主要為空地和拆遷房，部分工段需下穿高速公路，附近有燃?xì)夤芫€、給水管、房屋建筑、高壓鐵塔等。

綜合考慮周邊環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、基坑深度，降水措施、成本、施工水平等因素，在不同環(huán)境下需要采取不同的基坑支護(hù)設(shè)計方案，具體詳見表2。

表2 基坑圍護(hù)總體設(shè)計方案

2 管廊深基坑工程設(shè)計難點分析

2.1 狹長基坑

某城市地下綜合管廊全長7.5 km，基坑深度為5～13 m，基坑開挖寬度14～34.8 m，屬于典型的狹長基坑，基坑開挖長度一般在60～80 m 進(jìn)行施工流水作業(yè)，因而基坑長邊中部受力最為不利，需要增加圍護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，減小跨度，或者在場地有利的地方進(jìn)行放坡開挖，卸掉土壓力減壓措施。

2.2 地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜

地下綜合管廊基坑開挖，需清理表層雜填土，所以該土層對基坑基本無影響。但是基坑坑底或邊坡會遇軟弱地基土、特殊膨脹土地層、粉土層，且含水層有富水性、透水性中等，對于基坑工程，此類地層土對基坑工程不利。因此，需要進(jìn)行特殊設(shè)計解決此類工程問題，防止出現(xiàn)基坑垮塌、隆起，地表沉降等事故。

2.3 周邊環(huán)境復(fù)雜

在基坑深度1～3 倍范圍內(nèi)，沿線分布有燃?xì)夤芫€、給水管道、藕塘、房屋建筑、高壓鐵塔，高速公路橋樁等?；又苓厴?gòu)筑物距離基坑邊分布距離見下表3。

表3 基坑周邊環(huán)境分布表

3 不同環(huán)境深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）[6]中規(guī)定，基坑設(shè)計需要保證基坑周邊建（構(gòu)）筑物、地下管線、道路的安全和正常使用，并能保證主體地下結(jié)構(gòu)的施工空間。針對以上基坑工程難點，深基坑設(shè)計既要遵循規(guī)范要求，又要滿足施工安全快捷需求。

3.1 放坡開挖+ 土釘墻+ 深截水溝

放坡開挖+ 土釘墻形式一般適用于土質(zhì)良好，周圍環(huán)境寬闊且基坑深度要求較淺的情況，施工簡單方便[7-8]。

深基坑兩側(cè)周邊為藕塘，藕塘內(nèi)水量由上游不斷補(bǔ)充，沿線地下水埋深5～6 m，基坑深度為7～8 m，地質(zhì)條件中含有雜填土、泥炭質(zhì)土，邊坡自穩(wěn)定性差。一般情況是基坑開挖前是設(shè)置降水井降水。但是此地質(zhì)情況中水的滲流路徑主要透過雜填土侵蝕邊坡，順著邊坡滲透到泥炭質(zhì)土層，隨著基坑開挖深度變大，滲流路徑形成越明顯，從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

針對以上情況，深基坑設(shè)計重點設(shè)計應(yīng)是降水和邊坡的穩(wěn)定性，一般情況會采用降水井深度設(shè)置到坑底以下1～2 m 降水，但是從項目周期和成本控制來看，此方法成本和時間會加大。

本次設(shè)計利用天然隔水層（粉質(zhì)黏土層）+ 設(shè)置較深的輔助截水溝，從根源上截斷水源。具體設(shè)計如圖3 所示。邊坡采用1∶1.25 的坡比，分兩級坡進(jìn)行開挖，并打兩排土釘，在基坑邊外設(shè)置3.5×1.5 m 的輔助截水溝。經(jīng)過啟明星7.0 計算，基坑設(shè)計各項指標(biāo)均滿足規(guī)范設(shè)計要求，詳見表4，實際現(xiàn)場效果良好，基坑邊坡無水漬，安全穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益良好，施工便捷。施工完畢后，將截水溝回填即可。

表4 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計計算結(jié)果表

圖3 深基坑放坡形式（單位：mm）

3.2 鋼板樁+ 內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)

綜合管廊基坑深度在5.7～7.2 m 時，地下水位埋深2～3 m，周邊環(huán)境存在燃?xì)夤芫€、市政給水管，且距離坑邊在1 倍基坑范圍內(nèi)，同時管線不允許出現(xiàn)廢除或搬遷情況時，為保證其正常使用功能，需要對其保護(hù)。

由于管廊基坑底為③1含有機(jī)質(zhì)土層，為軟土層，物理力學(xué)性質(zhì)差，滲透系數(shù)大，地下水容易進(jìn)入坑底，不能作為管廊基礎(chǔ)。同時，若將其作為基坑底部，會導(dǎo)致基坑隆起，影響基坑安全[9-10]。

針對以上情況，設(shè)計考慮采用拉森鋼板樁+ 內(nèi)支撐+坑底加固的結(jié)構(gòu)支護(hù)形式，如圖4 所示。鋼板樁具有止水性能好、造價比鉆孔灌注樁便宜、安全環(huán)保、施工便捷、可回收利用、不占用場地的特點?；由疃?.7～7.2 m，基坑寬度為10.4 m，采用12 m 拉森鋼板樁，設(shè)置兩道φ609 鋼管支撐，坑底進(jìn)行高壓旋噴樁加固3 m，能有效控制基坑變形，保證基坑施工安全，同時能保護(hù)管線正常使用。

圖4 鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（單位：mm）

經(jīng)啟明星7.0 計算，設(shè)計計算結(jié)果詳見表4，能滿足規(guī)范要求。通過現(xiàn)場實際監(jiān)測得出，管線沉降最大為5 mm，基坑地表最大變形25 mm，說明此設(shè)計方法基坑安全有效，節(jié)約時間，經(jīng)濟(jì)合理，還能減少對基坑周邊土體的擾動，保證周邊管線和基坑的安全。

3.3 放坡開挖+ 鋼板樁+ 內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)

綜合管廊交叉口位置處，一般情況下基坑深度深，大約為10.8 m，占地面積超過。即使周邊環(huán)境空曠，也不建議采用直接放坡開挖。另外，③1含有機(jī)質(zhì)為軟弱層，空隙率大，滲水性好，易形成滲流路徑，造成④粉土層遇水易液化，直接放坡開挖會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，造成人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失的后果。

拉森鋼板樁在市政基坑工程中的應(yīng)用中，長度一般有6、9、12 m 三種類型，對于深度超過10 m 的基坑顯然滿足不了安全要求。鉆孔灌注樁造價昂貴，沒有利用周邊環(huán)境空曠的特點，采用該方案設(shè)計會造成浪費。

針對基坑深、地質(zhì)情況復(fù)雜的情況，充分利用周邊環(huán)境空曠、放坡開挖和鋼板樁的優(yōu)點，可采用如圖5、圖6 的基坑支護(hù)方式。在①素填土和②粘土層范圍內(nèi)，首先按照坡比1∶1.25 放一級坡，坡面噴錨防護(hù)；再在③1含有機(jī)質(zhì)土層范圍內(nèi)，從坡臺處打入12 m拉森鋼板樁，設(shè)置兩道φ609 鋼管撐，控制基坑變形，保證基坑穩(wěn)定性，還能防止水滲流坑底，降低坑底土體的強(qiáng)度。

圖5 放坡開挖+ 鋼板樁支護(hù)平面圖（單位：mm）

圖6 放坡開挖+ 鋼板樁支護(hù)剖面圖（單位：mm）

本設(shè)計通過將這兩種圍護(hù)方式的優(yōu)點結(jié)合，設(shè)計計算結(jié)果各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，詳見表4。實際現(xiàn)場取得了良好的效果，縮短工期，經(jīng)濟(jì)效益明顯，既可以防水又可以保證基坑的安全。

3.4 鉆孔灌注樁+ 止水帷幕+ 內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)

地下綜合管廊線線位下穿高速公路橋梁，同時橋梁存在燃?xì)夤芫€、現(xiàn)狀DN1000 污水管時，如圖7所示，基坑開挖深度5.2 m，污水管距離基坑坑邊3 m，橋墩距離坑邊5.5 m，現(xiàn)狀燃?xì)夤芫€可以改遷，污水管無法搬遷，橋梁底下施工凈空間僅為4.5 m，坑底存在③1有機(jī)質(zhì)土層。

圖7 基坑、橋墩、管線相對位置關(guān)系圖（單位：mm）

針對施工作業(yè)環(huán)境有限，周邊存在管線、橋墩的情況，拉森鋼板樁受限于凈空高度無法實施，放坡對高速公路橋墩、現(xiàn)狀污水管有很大影響。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，可使用小型旋挖機(jī)挖孔，做鉆孔灌注樁，作為圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)。

如圖8 所示，基坑支護(hù)方式采用φ800 鉆孔樁+止水帷幕+ 內(nèi)支撐+ 坑底高壓旋噴滿堂加固的設(shè)計方案，樁長為12 m，樁間距1.2 m；止水帷幕為φ600高壓旋噴樁咬合200 mm，一道φ609 鋼管支撐，啟明星計算得出基坑變形小于10 mm，滿足規(guī)范要求，具體詳見表4

圖8 鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖（單位：mm）

現(xiàn)場實測，地表沉降小于8 mm，橋墩未出現(xiàn)傾斜變形，管線沉降小于3 mm，說明此設(shè)計方法合理。

4 結(jié)論及建議

（1）地下綜合管廊深基坑設(shè)計時，需分析深基坑工程特點，綜合考慮周邊環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、基坑深度，降水措施、成本、施工水平等因素，在不同環(huán)境下需要采取不同的基坑支護(hù)設(shè)計。

（2）當(dāng)周邊環(huán)境空曠，深基坑深度范圍7～8 m，同時透水土層埋深較淺的情況下，深基坑設(shè)計應(yīng)當(dāng)截斷水源，分臺階開挖，優(yōu)先選用放坡開挖+ 土釘墻+截水溝的形式。

（3）當(dāng)周邊環(huán)境存在地下管線，深基坑深度5.7～7.2 m，地下水位埋深2～3 m，不采取降水措施，深基坑設(shè)計應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用拉森鋼板樁+內(nèi)支撐支護(hù)的形式。

（4）當(dāng)基坑深度范圍在10～11 m，地下水位埋深為4～5 m 時，首先利用周邊環(huán)境和有利的地質(zhì)土層，優(yōu)先先采用放坡，卸掉土壓，再根據(jù)土質(zhì)條件進(jìn)行鋼板樁+內(nèi)支撐支護(hù)的形式。

（5）當(dāng)基坑開挖對1 倍基坑范圍內(nèi)周邊環(huán)境有很大影響時，基坑深度超過5m，需要嚴(yán)格控制基坑變形，深基坑設(shè)計應(yīng)當(dāng)采用鉆孔灌注樁+ 止水帷幕+支撐結(jié)構(gòu)的支護(hù)形式。