新疆地區常見地質條件下深基坑懸臂支護設計探討

張海銀

上海市政工程設計有限公司，上海 200092

基坑工程具有很強的區域性，屬于系統工程，且涉及巖土工程的三個基本問題：穩定、變形及滲流，因此綜合性極強[1]。對于新疆常見工程的水文地質，地下水一般埋藏較深，在基坑圍護設計中通常不需考慮滲流的影響，基坑圍護設計主要考慮穩定和變形問題。新疆地區常見基坑圍護形式為放坡+土釘墻+樁錨支護，以及排樁+支撐支護，但隨著城市地下空間的發展，地下管線、建（構）筑物、場地等更加復雜，常規的圍護形式無法使用或經濟性較差，懸臂支護技術無疑是一種解決辦法。懸臂支護在新疆地區應用較少，通過綜合管廊建設加以研究有一定意義。

1 工程概況

擬建綜合管廊工程位于烏魯木齊市，總長度約12.0km，采用兩艙（電力艙、綜合艙）矩形斷面、標準段結構外尺寸為6.1m×4.2m，基坑呈長條形、深度約8.0m。管廊位于現狀道路北側，南側為現狀地面道路且臨近現狀地下給水及通信管線（管線無法遷改）。根據現場條件，管廊北側條件較好，可采用放坡開挖或土釘墻實施圍護；南側臨近地下管線，除無法采用上述支護形式外，樁錨支護也難以實施，綜合考慮采用懸臂支護，支護斷面如圖1所示。

圖1 綜合管廊基坑懸臂支護斷面圖（單位：mm）

2 巖土工程條件

2.1 巖土分布特征

擬建項目勘探深度20.0m范圍內場地地層主要由素填土、圓礫層、卵石層構成。

（1）素填土：主要分布在現狀道路及兩側的人行道路，層厚1.5～8.2m，灰色、灰黃色，由粉土、圓礫組成，混少量建筑、生活垃圾，呈現松散～稍密，干～稍濕。

（2）圓礫：在擬建場地均有揭露，層厚1.9～7.7m，灰色、淺黃色，一般粒徑為5～10mm，最大粒徑為200mm，磨圓度較好，呈渾圓狀、次圓狀，顆粒級配良好，成分以硬質巖碎屑為主，充填物為細砂、粉砂、粉土，呈現稍密～中密，稍濕。

（3）卵石：在擬建場地均有分布，骨架顆粒交錯排列，連續接觸，一般粒徑為20～50mm，最大粒徑為300mm，磨圓度一般～較好，呈渾圓狀、次圓狀，顆粒級配良好，成分以硬質巖碎屑為主，充填物為細砂、粉砂、粉土，呈現中密～密實，稍濕。

2.2 巖土參數指標

（1）素填土：重度γ=16kN/m3，承載力特征值fak=100kPa，黏聚力c=5kPa，內摩擦角φ=15kPa。

（2）圓礫：重度γ=20kN/m3，承載力特征值fak=350kPa，黏聚力c=2kPa，內摩擦角φ=38kPa。

（3）卵石：重度γ=22kN/m3，承載力特征值fak=500kPa，黏聚力c=5kPa，內摩擦角φ=45kPa。

3 基坑圍護設計

3.1 支護結構選型

根據場地巖土工程條件及現場邊界條件，進行支護結構選型。現場條件可以概況為管廊北側條件較好，具備放坡開挖條件；南側臨近現狀地下管線且無法遷改。鑒于此，可采用不同的支護形式：一是排樁+支撐支護，該圍護形式的優點在于穩定性和變形都能得到更好的控制，但是造價相對更高；二是北側放坡+南側懸臂支護，經過造價對比，該圍護形式相比更加經濟，施工速度更快。

懸臂式支護結構的特點是基坑外土體的主動土壓力全部依靠支擋構件入土深度范圍內抗內外土體的被動土壓力來平衡[2]，坑底以上支擋結構完全處于懸臂狀態。隨著基坑深度開挖的逐漸加大，支擋結構的位移與開挖深度呈三次方增加，相同條件下，與設有支錨的支擋體系相比，懸臂支護結構的頂部位移及構件內力均較大，因此通常情況下，懸臂支護的選用受基坑深度等因素的限制。對于類似該工程的新疆常見地質情況，結合當地豐富的工程經驗，該項目基坑南側綜合考慮采用單排懸臂樁支護。基坑深度約為8.0m，懸臂樁布置采用樁徑為1.0m、間距為1.5m、插入深度為6.5m。

3.2 穩定性驗算

（1）整體穩定性驗算。圓弧半徑R=13.521m，圓心坐標X=-1.467m，圓心坐標Y=6.794m。整體穩定安全系數Ks=3.712＞1.30，滿足要求。

（2）抗傾覆穩定性驗算。抗傾覆（對支護底取矩）穩定性驗算公式如下：

式中：Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩；Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

計算得到Koν=2.531＞1.200，滿足要求。

（3）抗隆起穩定性驗算。從支護底部開始，逐層驗算抗隆起穩定性，經計算得到抗隆起穩定系數Ks=64.787≥1.600，滿足要求。從穩定性計算結果來看，各項穩定系數偏安全。

3.3 結構及變形驗算

在一定范圍內，冠梁側向剛度對支護結構的水平位移及沉降限制作用影響效果顯著[3]。在理正深基坑7.0軟件中考慮支護樁頂冠梁側向剛度K，將冠梁視為兩端鉸接于基坑兩側拐角的簡支梁，其計算公式如下：

式中：L為冠梁長度；a為支護樁位置；EI為冠梁截面剛度。

在計算冠梁側向剛度K時，一般偏安全地取管廊長度的一半即L/2，此時，可知其剛度與冠梁長度的三次方成反比。在確定冠梁長度前需要確定冠梁是否對支護結構起作用，這要判斷冠梁兩端是否存在有效約束，保證冠梁兩端不向坑內發生位移。對于該工程綜合管廊基坑而言，屬于長條形基坑，可以認為冠梁長度與基坑長度一致，且兩端無有效約束，故不考慮冠梁剛度影響。

為了控制周邊建（構）筑物的沉降或變形，按照《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）的規定，基坑2.0m以外地面沉降（給水管道處）需控制小于30mm，圍護結構位移控制按照相關規范要求執行。基坑深度范圍內的土壓力分布及位移、彎矩、剪力包絡圖如圖2所示。

圖2 基坑深度范圍內的土壓力分布及位移、彎矩、剪力包絡圖

4 監測數據分析及優化

為了確保基坑施工期間的安全，技術人員對基坑開挖全過程進行了動態監測，并對大量的監測數據進行了整理統計，如表1所示。由表1可知，現場各項變形、沉降值均滿足規范要求，施工期間的基坑穩定和變形得到了良好的控制，確保了工程的安全。

表1 懸臂支護試驗段監測數據統計表

5 結論

（1）新疆地區常見地層為卵石層、圓礫層，且地下水埋藏較深，在該地層條件下進行懸臂支護設計，主要考慮穩定性和變形問題。

（2）在進行類似綜合管廊基坑等長條形基坑的懸臂支護設計時，不應考慮樁頂冠梁側向剛度的有利影響，計算時按照無冠梁設計。

（3）根據基坑施工過程中的動態變形及沉降觀測成果，懸臂樁可以應用在類似地層的基坑項目中，穩定性和變形都得到了很好的控制，支護工程安全可靠，可為后續類似工程提供參考。