上海市某較長頂管的工作井基坑圍護工程的設計

馮春瑩

(上海林同炎李國豪土建工程咨詢有限公司，上海市 200437)

0 引言

隨著國民經濟和社會的發展，我國城市化和地下空間開發利用的進程越來越快，基坑工程也得到了很多的應用，取得了較快的發展，但由于基坑圍護體系多屬臨時結構，無論設計還是施工，對圍護工程重要性的重視程度都普遍不夠，易引起基坑工程的安全事故。相關資料表明：源自設計和施工組織管理方面的原因占了絕大部分，也有極少數源自基坑工程復雜性造成的偶然性原因，因此，應該從基坑圍護的設計方案開始就對工程的安全性予以足夠的重視。本文結合某醫院下穿城市道路工程的工作井圍護結構設計方案，具體分析了復雜工程條件下基坑圍護設計應重視的一些問題，為深基坑圍護工程的發展積累經驗。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

工程為某醫院下穿楓林路地下通道工程，采用頂管法施工，頂管始發井位于楓林路東側，頂管接收井位于楓林路西側。始發井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，工作井圍護結構均采用SMW工法樁，其中始發井東側利用該工程地下室地下連續墻作為圍護結構。地下通道頂管段長度約為76.7 m，通道覆土約為5 m。根據通道凈空要求及頂管施工定型設備尺寸，過街通道外包尺寸為4 300 mm×6 000 mm（高×寬），管片厚度500 mm。圖1為工程平面圖。

1.2 工程周邊情況

地下通道穿越的楓林路下管線分布有：上水Φ300、上水 Φ150、雨水 Φ300、雨水 Φ1 200、煤氣Φ300、煤氣Φ250、電話18孔、電力4孔等地下管線。通道穿越的中山醫院范圍內房屋有：辦公室2層（磚混結構）、配電房2層（磚混結構）、垃圾房1層（磚混結構）。

1.3 工程地質條件

根據地質勘察報告，工程所處地層情況自上而下為：①雜填土、②1褐黃色黏土、②2灰黃色淤泥質粉質黏土、③灰色淤泥質粉質黏土、④灰色淤泥質黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉質黏土。

頂管工作井基坑坑底位于④層土，基坑開挖范圍內③層土在開挖時易產生坍塌、流砂、管涌及流變等現象。頂管主要位于④層土中，頂部約有1～2 m范圍內位于③層土。

擬建場地淺部地下水和土對混凝土無腐蝕性，對鋼鐵結構材料有弱腐蝕性。通道主要位于④淤泥質黏土層，通道上部1～2 m有③淤泥質粉質黏土層。④層淤泥質黏土屬高靈敏度、高壓縮性、低強度、弱滲透性的飽和軟黏性土，蠕變量大，呈流塑～軟塑狀態，掘進時應注意④層淤泥質黏土具有中～高的靈敏度，故有較明顯的觸變、流變特性，在動力的作用下，極易破壞土體結構，使強度降低，而且土體排水固結需要較長的時間，如果施工不當，極易造成土體不均勻沉降。

2 基坑圍護設計

2.1 圍護方案選擇

該工程基坑深度為11.72 m、11.95 m，鄰近存在多棟樓房及地下市政管線，因此對基坑變形及周邊環境保護要求比較嚴格。根據上海地區工程地質條件及工程特點，可選擇SMW工法樁及鉆孔灌注樁兩種圍護方案。由于該基坑地下水位較高，采用鉆孔灌注樁方案需在樁外側設置止水帷幕，工程投資增加且施工場地布置困難，而SMW工法樁施工占用場地較小，工程場地也比較緊張，應優先選用SMW工法樁方案。

始發井與接收井基坑采用明挖順作法施工，采用φ850SMW工法樁圍護，豎向設4道支撐，首道為500 mm×500 mm混凝土支撐，第二至第四道撐為直徑609 mm，壁厚16 mm的鋼管。

圖1 工程平面圖

2.2 基坑圍護設計

2.2.1 圍護結構形式

基坑采用φ850SMW工法樁圍護，內插H700×300×13×24型鋼。始發井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，坑底位于④層灰色淤泥質黏土。SMW工法樁長26.0 m，H型鋼長度比相應的SMW工法攪拌樁短0.5 m。始發井西側距離管線較近，因此西側工法樁型鋼采用密插形式，南北兩側采用隔一插一形式。接收井距離周邊建筑物較近，型鋼全部采用密插形式。

2.2.2 地基處理

始發井與接收井坑內采用φ850三軸攪拌樁滿堂加固，加固深度為坑底至坑底以下5 m。要求加固體28 d無側限抗壓強度滿足qu≥1.0 MPa。

頂管進、出洞處坑外采用φ1000@800高壓旋噴樁加固，加固體28 d齡期無側限抗壓強度q u不小于1.0 MPa。始發井旋噴加固寬度12.9 m，加固長度3 m，加固深度為地面至地面以下16 m；接收井旋噴加固寬度13.3 m，加固長度3 m，加固深度為地面至地面以下16 m。

3 基坑安全分析

始發井基坑深度約11.95 m，接收井基坑深度約11.72 m，坑底位于④層灰色淤泥質黏土。SMW工法樁長26.0 m，H型鋼長度比相應的SMW工法攪拌樁短0.5 m。始發井西側距離管線較近，因此西側工法樁型鋼采用密插形式，南北兩側采用隔一插一形式。接收井距離周邊建筑物較近，型鋼全部采用密插形式。

3.1 圍護結構計算結果

3.1.1 基坑穩定分析及驗算

根據土層的力學指標進行了墻體抗滑動、抗傾覆、整體穩定及基底土體的抗隆起和抗管涌等驗算，經驗算后均滿足基坑開挖的要求。

基坑穩定性驗算見表1。

表1 基坑穩定性驗算表

基坑抗承壓水安全系數滿足規范要求，施工期間不需降承壓水。

3.1.2 始發井計算結果

始發井基坑開挖深度為11.95 m，采用厚度為0.85 m的攪拌樁圍護結構，樁長為26 m，樁頂標高為3.8 m，采用SMW工法，在攪拌樁中加型鋼，型鋼慣性矩為201 000 cm4，型鋼間中心距為600 mm。計算時考慮地面超載30 kPa。

計算結果見圖2～圖5。

圖2 始發井整體穩定驗算圖

圖3 始發井墻底抗隆起驗算圖

圖4 始發井坑底抗隆起驗算圖

圖5 始發井抗傾覆驗算圖

抗管涌驗算:

按砂土，安全系數K=1.825

按黏土，安全系數K=2.569

3.1.3 接收井計算結果

始發井基坑開挖深度為11.725 m，采用厚度為0.85 m的攪拌樁圍護結構，樁長為25.995 m，樁頂標高為3.8 m，采用SMW工法，在攪拌樁中加型鋼，型鋼慣性矩為201 000 cm4，型鋼間中心距為600 mm。計算時考慮地面超載30 kPa。

計算結果見圖6～圖9。

圖6 接收井整體穩定驗算圖

圖7 接收井墻底抗隆起驗算

圖8 接收井坑底抗隆起驗算圖

圖9 接收井抗傾覆驗算圖

抗管涌驗算:

按砂土，安全系數K=1.893

按黏土，安全系數K=2.637

3.2 基坑開挖對周邊管線、建筑物影響

不同管線對地層變形的承受能力，根據規范柔性接頭管道容許之沉降曲線曲率半徑Rf為：

式（1）中：L為管節長度；D為管道外徑；Δ為管節接縫容許張開值。

剛性管道容許之沉降曲線半徑Rr為：

式（2）中：E為管材的彈性模量；I為管道的縱向抗彎慣性矩；W為管道的截面縱向抗彎抵抗矩；[σ]為管道的縱向受彎容許應力。

基坑開挖后地表沉降曲線如圖10、圖11所示。

圖10 始發井基坑周邊地表沉降曲線

圖11 接收井基坑周邊地表沉降曲線

始發井基坑開挖引起的周邊管線（Φ300煤氣管）最大變形為15 mm，該管線沉降曲線半徑R=20 415 m

表2 接收井基坑影響范圍內建筑傾斜值

4 結語

本文結合實際工程設計案例，對復雜環境條件下基坑圍護方案進行了比選，并在設計階段就對基坑的穩定性以及基坑開挖對周邊建筑物、管線的影響進行了分析。分析結果表明，圍護方案的選擇以及基坑開挖型式對周圍環境的影響均在要求的范圍之內。實際施工情況與計算分析的結論基本相一致，也證實了本文的分析結果的合理性與適用性，為基坑圍護工程設計的發展積累了一定經驗。