地下綜合管廊在不同環境的深基坑工程設計

梁志輝

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

地下綜合管廊[1]是一種現代化、集約化的城市公用基礎設施。在城市化快速發展進程中，推進綜合管廊建設，是實施城市化發展戰略、促進城市可持續發展的必然要求。

管廊的基坑支護方式設計主要與基坑深度、地質條件和周邊環境有關。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[3]動態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。總體而言，對于地下管廊的深基坑設計方面研究欠缺。

擬建某地下綜合管廊沿線地質條件復雜，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設計為案例，討論、分析在不同環境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，分為燃氣艙（1.7 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、燃氣、中水、污水六類管線。

1.1 地下綜合管廊總體設計方案

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

1.2 綜合管廊基坑總體設計方案

管廊基坑沿線土層從上至下分別為：雜填土、粉質黏土、泥炭質土（淤泥）、有機質土、黏土、圓礫、粉土、含礫黏土，具體物理參數指標詳見表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，以及藕塘內的淤泥（屬弱含水層），地下水主要接受大氣降水下滲補給。

表1 基坑支護設計參數表

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，附近有燃氣管線、給水管、房屋建筑、高壓鐵塔等。

綜合考慮周邊環境、地質環境、基坑深度，降水措施、成本、施工水平等因素，在不同環境下需要采取不同的基坑支護設計方案，具體詳見表2。

表2 基坑圍護總體設計方案

2 管廊深基坑工程設計難點分析

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 進行施工流水作業，因而基坑長邊中部受力最為不利，需要增加圍護支護結構，減小跨度，或者在場地有利的地方進行放坡開挖，卸掉土壓力減壓措施。

2.2 地質環境復雜

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，需要進行特殊設計解決此類工程問題，防止出現基坑垮塌、隆起，地表沉降等事故。

2.3 周邊環境復雜

在基坑深度1～3 倍范圍內，沿線分布有燃氣管線、給水管道、藕塘、房屋建筑、高壓鐵塔，高速公路橋樁等。基坑周邊構筑物距離基坑邊分布距離見下表3。

表3 基坑周邊環境分布表

3 不同環境深基坑圍護結構設計

《建筑基坑工程技術規程》（JGJ 120—2012）[6]中規定，基坑設計需要保證基坑周邊建（構）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構的施工空間。針對以上基坑工程難點，深基坑設計既要遵循規范要求，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良好，周圍環境寬闊且基坑深度要求較淺的情況，施工簡單方便[7-8]。

深基坑兩側周邊為藕塘，藕塘內水量由上游不斷補充，沿線地下水埋深5～6 m，基坑深度為7～8 m，地質條件中含有雜填土、泥炭質土，邊坡自穩定性差。一般情況是基坑開挖前是設置降水井降水。但是此地質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土層，隨著基坑開挖深度變大，滲流路徑形成越明顯，從而導致邊坡失穩。

針對以上情況，深基坑設計重點設計應是降水和邊坡的穩定性，一般情況會采用降水井深度設置到坑底以下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。

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

表4 深基坑圍護結構設計計算結果表

圖3 深基坑放坡形式（單位：mm）

3.2 鋼板樁+ 內支撐圍護結構

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

由于管廊基坑底為③1含有機質土層，為軟土層，物理力學性質差，滲透系數大，地下水容易進入坑底，不能作為管廊基礎。同時，若將其作為基坑底部，會導致基坑隆起，影響基坑安全[9-10]。

針對以上情況，設計考慮采用拉森鋼板樁+ 內支撐+坑底加固的結構支護形式，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、安全環保、施工便捷、可回收利用、不占用場地的特點。基坑深度5.7～7.2 m，基坑寬度為10.4 m，采用12 m 拉森鋼板樁，設置兩道φ609 鋼管支撐，坑底進行高壓旋噴樁加固3 m，能有效控制基坑變形，保證基坑施工安全，同時能保護管線正常使用。

圖4 鋼板樁支護結構設計圖（單位：mm）

經啟明星7.0 計算，設計計算結果詳見表4，能滿足規范要求。通過現場實際監測得出，管線沉降最大為5 mm，基坑地表最大變形25 mm，說明此設計方法基坑安全有效，節約時間，經濟合理，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+ 內支撐圍護結構

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。即使周邊環境空曠，也不建議采用直接放坡開挖。另外，③1含有機質為軟弱層，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，直接放坡開挖會導致邊坡失穩，造成人員傷亡，經濟損失的后果。

拉森鋼板樁在市政基坑工程中的應用中，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，沒有利用周邊環境空曠的特點，采用該方案設計會造成浪費。

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

圖5 放坡開挖+ 鋼板樁支護平面圖（單位：mm）

圖6 放坡開挖+ 鋼板樁支護剖面圖（單位：mm）

本設計通過將這兩種圍護方式的優點結合，設計計算結果各項指標滿足規范要求，詳見表4。實際現場取得了良好的效果，縮短工期，經濟效益明顯，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+ 內支撐圍護結構

地下綜合管廊線線位下穿高速公路橋梁，同時橋梁存在燃氣管線、現狀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，現狀燃氣管線可以改遷，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有機質土層。

圖7 基坑、橋墩、管線相對位置關系圖（單位：mm）

針對施工作業環境有限，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、現狀污水管有很大影響。經過現場調研，可使用小型旋挖機挖孔，做鉆孔灌注樁，作為圍護樁結構。

如圖8 所示，基坑支護方式采用φ800 鉆孔樁+止水帷幕+ 內支撐+ 坑底高壓旋噴滿堂加固的設計方案，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，滿足規范要求，具體詳見表4

圖8 鉆孔灌注樁支護結構設計圖（單位：mm）

現場實測，地表沉降小于8 mm，橋墩未出現傾斜變形，管線沉降小于3 mm，說明此設計方法合理。

4 結論及建議

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

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

（3）當周邊環境存在地下管線，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，深基坑設計應當優先選用拉森鋼板樁+內支撐支護的形式。

（4）當基坑深度范圍在10～11 m，地下水位埋深為4～5 m 時，首先利用周邊環境和有利的地質土層，優先先采用放坡，卸掉土壓，再根據土質條件進行鋼板樁+內支撐支護的形式。

（5）當基坑開挖對1 倍基坑范圍內周邊環境有很大影響時，基坑深度超過5m，需要嚴格控制基坑變形，深基坑設計應當采用鉆孔灌注樁+ 止水帷幕+支撐結構的支護形式。