寬幅、大截面鋼板樁在軟土地區綜合管廊基坑工程中的應用

王瀟宇，王 建，王恒棟

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

綜合管廊是指在城市道路下面建造一個市政管道共用隧道，將電力、通信、供水、燃氣等多種市政管線集中敷設并統一管理的構筑物，是保證城市平穩運行的“生命線”工程。

隨著我國經濟發展速度和城市建設步伐的加快，城市對市政管線的需求不斷加大。住房城鄉建設部、國家發展改革委組織編制的《全國城市市政基礎設施建設“十三五”規劃》中更是明確提出“有序開展綜合管廊建設，解決馬路拉鏈問題”；國務院辦公廳《關于推進城市地下綜合管廊建設的指導意見》（國辦發[2015] 61號）明確“至2020年建成一批具有國際先進水平的地下綜合管廊并投入運營”的工作目標。國家相關政策的頒布，極大促進綜合管廊工程建設。至2017年底，我國已建和在建的綜合管廊總里程已達到5 000 km。

綜合管廊工程作為一種淺埋隧道工程，基坑支護工程是土建階段一項非常重要的內容。根據各地區不同土質情況，選取安全、經濟、高效的支護結構，是綜合管廊工程設計的重要內容。長三角地區、珠三角地區及環渤海灣地區為濱海沉積軟土和河灘沉積軟土分布區，具有低強度、低透水性、高壓縮性、流變性、觸變性等地質特點[1]，對支護結構設計較不利；同時，上述區域人員及建構筑物密集，對環境污染、噪音污染及施工進度等均有較高要求。

1 工程概況

擬建管廊工程位于華東某市，為三艙/七艙干、支混合型綜合管廊，納入給水、電力、電信、燃氣管線，部分路段納入雨水、污水管線，擬建管廊均位于道路綠化帶下，見圖1、圖2。

圖1 綜合管廊三艙斷面與道路位置關系圖（單位：m）

圖2 綜合管廊七艙斷面與道路位置關系圖（單位：m）

管廊工程基坑呈“線型”，為狹長型基坑，分段開挖時縱向設置臨時邊坡。本工程三艙斷面管廊基坑總長約1 240 m、寬度12.5～14.5 m，普遍開挖深度約7.0 m。

管廊工程先于擬建道路施工，道路外無明顯需要保護的建構筑物、市政管線等，周邊地塊均為待開發地塊。

根據上海市《基坑工程技術規范》DG/TJ08-61-2010[2]規定：該基坑安全等級為二級、環境保護等級為三級。

2 工程地質和水位地質

上海位于東海之濱、長江入海口處，屬長江三角洲沖積平原。場地內有暗浜、明浜、厚填土分布，地勢起伏較大。典型地質右面見圖3。

圖3 典型地質剖面

擬建場地在勘察深度（最大深度為45.3 m）范圍內揭露的地基土均屬第四紀沉積物，主要由粘性土、粉性土及砂性土組成。其中，第③層、第④層為上海地區典型的淤泥質土層，厚度普遍達10m，普遍分布在基坑坑底附近，力學性質差、靈敏度高、流變性顯著，不利于支護穩定性控制和變形控制。基坑圍護設計參數見表1。

場地淺層地下水屬潛水，主要補給來源為大氣降水及地表徑流，埋深一般為地表下0.3～1.5 m，水位受降雨、潮汛、地表水及地面蒸發的影響有所變化，年平均水位埋深一般為0.50～0.70 m。勘察期間實測地下水穩定水位埋深在0.82～1.42 m之間。

根據勘察報告，本場地勘探深度內主要賦存有第⑦1層、⑦2層的承壓水。本次在擬建場地設置了3個承壓水觀測孔，觀測期間測得的承壓水水頭穩定埋深約為6.24～6.89 m。按最不利角度考慮，承壓水水頭埋深為地表下3.0 m。

3 管廊基坑支護型式比選

基坑工程為臨時工程，以為地下結構施工提供空間為目的。同時須保證基坑支護結構自身的安全和周邊市政管線及建構筑物的安全。

隨著技術發展及工程案例積累，基坑支護工程設計已由穩定性控制，向變形控制轉變[3]，基坑支護設計須滿足各項穩定性安全系數和支護結構變形要求。

通常，開挖深度約7.0 m基坑工程可采用的支護結構包括灌注樁排樁、型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法）及鋼板樁等，分別具有如下優缺點：

（1）灌注樁排樁支護墻施工工藝簡單、技術成熟、質量易控制；噪音小、無振動、無擠土效應，施工時對周邊環境影響小；支護樁剛度大，并可以根據基坑變形控制要求，靈活調整支護樁剛度。但灌注樁排樁將永久留在地下，其對后續橫向地下空間開發將是地下障礙物；施工過程中產生大量泥漿，不利于環境保護；施工成本較高。

（2）型鋼水泥土攪拌墻形成復合擋土、隔水結構。該工法充分發揮了水泥土混合體和型鋼的力學特性，具有經濟性好、工期短、隔水性強、對周邊環境影響小及可以節省社會成本等特點。但是，施工機械較重、攪拌樁強度與養護時間有關。

表1 基坑圍護設計參數一覽表

（3）U型鋼板樁是一種帶鎖口熱軋鋼樁相互咬合形成鋼連續墻的板式支護，可以用來擋土、擋水，一般結合鋼支撐同時使用，具有施工便捷、效率高、綠色環保、可循環利用等特點。在合理選擇沉、拔樁機械設備和鋼板樁型號的情況下，鋼板樁可適用各類地質條件和周邊環境條件的基坑中[3]。

綜上所述，U型鋼板樁支護適合用在綜合管廊“線型”分段施工類基坑中，可有效降低基坑支護工程成本，促進循環經濟發展。

目前，租賃市場中常見的鋼板樁型號[5]有如下幾種，見表2。

4 工程支護方案簡介

本工程三艙斷面管廊基坑普遍開挖深度約7.0 m，采用PU600×210型鋼板樁，牌號Q295P，小鎖口打入，鋼板樁平面布置大樣見圖4；鋼板樁采用整材，樁長18.0 m，插入坑底以下10.25 m，插入比 1.46，見圖 5。

采用兩道水平鋼支撐，雙拼H500×300×11×18型鋼圍檁+Φ609×16鋼管內撐。第一道鋼支撐間距按6.0 m布置，第二道鋼支撐間距按3.0m布置，兩道支撐豎向間距為3.0 m，第二道支撐距坑底2.9 m。

被動區加固采用2Φ700@1 000兩軸水泥土攪拌樁作墩式加固，采用格柵式布置；每40 m設置一個，每個墩子長7.2 m、寬度同管廊基坑。加固范圍為坑底以下4.0 m、坑底以上3.0 m，水泥摻量分別為13%、8%。

通過計算，各項穩定性安全系數均滿足規范要求，寬幅、大截面的PU 600×210型鋼板樁支護結構位移、彎矩、剪力包絡圖見圖6。最大水平位移29.6 mm，可以滿足三級環境保護等級的變形控制要求；鋼板樁邊緣正應力M/W=138.1 MPa，遠小于鋼板樁屈服強度295 MPa，滿足抗彎強度要求。

圖4 鋼板樁平面布置大樣圖（單位：mm）

圖5 基坑支護剖面示意圖（單位：mm）

圖6 PU 600×210型鋼板樁支護結構位移、彎矩、剪力包絡圖

5 監測結果

施工前，建設單位委托有資質單位進行基坑監測，實現信息化施工。對現場深層水平位移（土體）和地表沉降監測數據處理、分析，見圖7、圖8。

表2 U型鋼板樁截面尺寸、截面面積、理論重量及截面特性

圖7 深層水平位移（土體）

圖8地表沉降

可見，現場實測結果與理論計算（規范推薦方案）結果接近，但實測結果普遍略微偏大。主要因為U型鋼板樁支護結構是通過咬口相互作用形成的組合結構，咬口位于組合結構中性軸上，錯動位移將影響組合結構的力學參數，設計計算中應對U型鋼板樁支護結構理論力學參數打折后應用。

K3+530、K3+570、K3+640 處監測點和 K6+270、K6+340、K6+410監測點分別由兩家監測單位實施、測量，其監測結果存在明顯差異。U型鋼板樁支護結構的深層水平位移（土體）為間接測量值，通過測量土體位移量反應支護結構變形量，監測點施工質量直接影響監測數據結果。

各監測點支撐處水平位移變形量普遍大于理論計算值。現場施工時，鋼板樁施工時樁位有一定偏差，導致部分鋼板樁未與鋼圍檁貼緊，且未在空隙處填充砌塊或細石混凝土。開挖后，U型鋼板樁支護樁變形將這部分空隙擠實后，才能將主動側土壓力傳遞至鋼支撐上。

6 結論

（1）U型鋼板樁支護環保、高效，基坑回填后可拔除、循環使用，對后續地下空間開發無影響。適合用在綜合管廊“線型”分段施工類基坑中，可有效降低基坑支護工程成本，促進循環經濟發展。

（2）寬幅、大截面的PU 600×210型力學性質更佳、單根重量更適合現場設備施工，具有更平衡經濟性和力學性質，更適合在管廊工程基坑中進行應用。

（3）在華東地區某綜合管廊基坑工程中實際應用后，取得良好效果，現場實測結果與理論計算（規范推薦方案）結果接近。

（4）U型鋼板樁支護結構咬口位于組合結構中性軸上，錯動位移將影響組合結構的力學參數，設計計算中應對U型鋼板樁支護結構理論力學參數打折后應用。

（5）鋼板樁施工時樁位有一定偏差，須采取砌塊或細石混凝土等措施填充鋼板樁與鋼圍檁之間空隙。