復雜條件下地下綜合管廊深基坑支護技術研究

吳顯偉，劉 媛，童 欣

(中國市政工程中南設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置于同一人工空間中，所形成的一種現代化、集約化的城市基礎設施。發展共同溝，已成為城市可持續發展的重要方向[1]。從國內外綜合管廊的發展可以看出，我國具有起步晚、規模小、發展速度緩慢的特點。究其原因主要是沒有相應的法律法規，限制了綜合管廊在我國的發展；綜合管廊前期的建設成本較高，限制了綜合管廊的廣泛應用；同時，我國目前市政基礎設施的管理與運營機制，限制了綜合管廊的發展[2]。而隨著我國城市化建設的快速發展，城市地下綜合管廊的應用越來越廣泛[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、結構內力變化進行了分析。岳慶霞等[5]利用Rayleigh地震波得出地下綜合管廊結構變形以整體彎曲變形為主。周秋月等[6]通過監測分析得出了鋼板樁 + 鋼支撐應用于綜合管廊基坑具有很好的效果。裴行凱等[7]動態分析了基坑開挖對鄰近隧道變形的影響?？傮w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響應分析。

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

擬建某地下綜合管廊沿線地質條件復雜、深厚軟土大面積分布、周邊環境受限、管廊節點眾多，本文以該管廊基坑支護優化設計為案例，討論、分析在復雜條件下的地下綜合管廊基坑支護的特點及方案設計，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，管廊標準斷面尺寸為B×H=6.2 m×3.8 m。兩艙共設置有進風口、吊裝口、排風口、逃生口、人員出入口等170余處節點，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。

擬建管廊周邊環境較為復雜，管廊沿現狀道路布置。局部臨近池塘、建筑物等，且與現狀道路、管線有多處交叉。

場地沿線地勢整體較平緩，管廊設計地面標高為17.0 m～20.7 m，基底標高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。場地地質條件較為復雜，根據野外勘探成果并結合室內土工試驗成果，場區巖(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淤泥質黏土(Q4l)：灰黑色，流塑，濕，飽和，土質不均勻，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，土質均勻。揭露厚度0.00 m～13.90 m。

④淤泥質黏土(Q4l)：深灰色，流塑，濕，飽和，土質不均，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粉質黏土(Q4al)：灰黃、褐灰色，可塑，土質均勻，局部間夾薄層粉細砂。揭露厚度0.00 m～14.60 m。

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

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

⑦淤泥質黏土(Q4l)：深灰、褐灰色，流塑，濕，飽和，土質不均勻，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粉質黏土(Qel)：褐黃色，硬塑，土質均勻，含灰白色高嶺土團塊及褐黑色鐵錳質薄膜，底部含風化殘余的砂粒。揭露厚度0.00 m～16.70 m。

⑩-1強風化砂巖K：暗紫紅色，巖石風化強烈，原巖結構構造不清晰，砂礫結構，泥質膠結，巖芯多呈碎塊狀。鉆探未揭穿。

⑩-2中風化砂巖K：暗紫紅色，巖石風化中等，砂礫結構，泥質膠結，裂隙發育，巖體較破碎，巖芯多呈短柱狀，采取率65%～75%，RQD值達35%左右，巖質軟，巖體基本質量等級為Ⅴ級。鉆探未揭穿。

1.2 水文地質條件

場區內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 巖土設計參數

根據本工程巖土工程勘察報告，基坑支護設計參數見表1。

表1 基坑支護設計參數一覽表

2 復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明顯存在?；佣祟^部位的受力優于長邊，長邊跨中往往會出現更顯著的水平位移[9]。

支護結構設計時應適當增加基坑長邊跨中剛度、減小支撐間距、及時支護，以減小長邊效應對基坑的影響，確?；咏ㄔO期施工安全[10-11]。

2.2 管廊結構復雜、節點眾多

地下綜合管廊結構復雜，除兩艙標準斷面外，另設置有進風口、吊裝口、排風口、逃生口、人員出入口等共170余處。節點尺寸、開挖深度各異，人員出入口開挖深度最淺為3.5 m，進風口、排風口開挖深度最深約8 m～9 m?；又ёo設計時應根據不同節點尺寸、開挖深度進行分區設計施工。

2.3 地質條件極為復雜

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

場地土質條件差，沿線大面積分布有較深厚淤泥質軟土，最厚達13.30 m。

基坑支護設計時應根據地質條件，分區段分別進行支護設計，重點關注深厚軟土區段的基坑支護設計、施工。

2.4 周邊環境緊張

擬建項目周邊環境極為緊張，管廊位于現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。

基坑支護設計時應對周邊道路、池塘、建筑物進行避讓，并給以相應保護及監測措施，以確保周邊道路、構筑物及基坑自身的安全。

另外，在設計時應特別注意臨近構筑物對基坑產生的荷載、現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、燃氣等現狀管線。

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

另外，擬建管廊周邊有一現狀混凝土給水管道，設計時應考慮管道漏水的可能。對于基坑側壁為透水層區段應給與一定止水措施。

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。

根據基坑沿線地質條件、周邊環境情況、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合，分區段、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)+一道鋼管內支撐

綜合管廊標準預制段及纜線、管線出口等節點，開挖深度較淺小于7 m；地質條件較好，僅局部含淤泥質黏土，且淤泥質土層較薄。采用SMW工法樁+一道鋼管內支撐作為圍護結構。工法樁采用Φ650@450 mm三軸攪拌樁內插HM500×300型鋼@900 mm，鋼管撐規格Φ609×10@4 000 mm。典型支護斷面詳見圖1。

3.2 SMW工法樁(密插)+二道鋼管內支撐+被動區加固

進風口、排風口等節點開挖深度較深，約8 m～9 m；基坑側壁、基底分布有大量淤泥質土，厚度較厚約6 m～9 m。采用SMW工法樁+二道鋼管內支撐作為圍護結構。工法樁采用Φ650@450 mm三軸攪拌樁內插HM500×300型鋼@450 mm。被動區采用三軸攪拌樁作為基坑底被動區加固。典型支護斷面詳見圖2。

圖1 典型支護斷面設計1(單位：mm)

圖2 典型支護斷面設計2(單位：mm)

3.3 鉆孔灌注樁+一至二道內支撐+被動區加固

管廊交叉口、倒虹段，開挖深度較深約10 m～14 m，基坑側壁、基底分布有極深厚淤泥質土，層厚約10 m～13 m；另有部分區段臨近現狀房屋等構筑物，現狀荷載較大。設計采用Φ1100@1 400 mm鉆孔灌注樁+一至二道內支撐，其中第一道內支撐采用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構兼做止水帷幕。被動區采用三軸攪拌樁作為基坑底被動區加固。局部環境條件允許下，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+一道鋼管內支撐的支護形式。樁長9 m，鋼管撐規格Φ325×12 mm，支護結構斷面詳見圖4。

圖3 典型支護斷面設計3(單位：mm)

圖4 典型支護斷面設計4(單位：mm)

4 關鍵施工技術

4.1 土方開挖

針對此類狹長型基坑，應充分考慮“時空效應”，遵循分區、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@450三軸攪拌樁設備，樁體施工必須保持連續性，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。

施工時樁機就位應對中，平面允許偏差±20 mm，三軸攪拌樁樁機立柱導向架垂直度偏差不應大于1/250；三軸水泥土攪拌樁攪拌下沉與提升應保持勻速下沉與勻速提升。漿液試塊28 d無側限抗壓強度應不小于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，分段焊接時應采用坡口等強焊接。

擬回收的型鋼，插入前應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內插入，插入前應檢查其垂直度和接頭焊縫質量，插入時采用定位導向架。型鋼宜依靠自重插入，當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，應加強對圍護結構和周邊環境的監測。型鋼回收后，應進行校正、修復處理[13]。

4.4 鉆孔灌注樁施工

鉆孔灌注樁設計強度等級為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，應根據成樁工藝采取改善泥漿性能等措施，保證成孔質量，以防塌孔。

灌注樁樁位允許偏差為±50 mm。樁頂標高的施工誤差不得超過±100 mm，樁底標高的施工誤差-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，回填至現狀地面標高。

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生， 最后的開挖步為綜合管廊基坑開挖的關鍵和最危險步， 基坑地表沉降隨著開挖逐漸發展， 最后一步開挖依然是沉降變形最大的關鍵施工階段， 做好最后步的施工開挖成為基坑支護安全的關鍵點[15]。

5 結 論

目前，我國城市地下綜合管廊建設還較為滯后，建設經驗相對不足。城市地下綜合管廊因其特有的特征，在所涉及的地質條件、周邊環境、開挖深度、施工工藝上表現出極大差異性及復雜性，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計在常規設計方案的基礎上，應根據不同的地質、環境、施工條件，綜合考慮安全、工期、經濟等因素，制定具有針對性的支護方案，選擇合理的施工技術。同時，應加強施工階段的監測，制定針對性的環境監測及施工保護措施，進一步提高在復雜條件下城市地下綜合管廊的建設技術。