市政管道沟槽支护技术研究

李永东,王浩然,赵晓峰

(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京市 100038；2. 北京振邦承基开发建设有限公司,北京市 102200)

市政管道沟槽支护技术研究

李永东1,王浩然1,赵晓峰2

(1.北京市勘察设计研究院有限公司,北京市 100038；2. 北京振邦承基开发建设有限公司,北京市 102200)

结合市政管道的工程特点,对近年来常用的市政管道沟槽支护技术进行了总结分析,阐明了市政管道沟槽支护技术的关键因素,并结合工程实例介绍了钢板桩支护技术措施的应用实践,对城市管道沟槽支护技术的研究具有一定的借鉴意义。

市政管道；沟槽；基坑支护；放坡开挖；土钉墙；排桩；内支撑；钢板桩支护

0 引言

近年来,随着我国城市建设的不断发展和提升,市政基础设施规模不断增大,城市管道(沟)工程作为市政基础设施的重要组成部分,其工程规模也在不断加大。市政管线工程主要包括有：电力、热力、上水、排水、燃气、通信等各类管线,根据国家有关规范的要求,新建、改建各类管线过程中,应合理利用城市用地,统筹安排工程管线在城市的地上和地下空间位置［1］。目前,我国大型城市基础设施建设过程中为了高效利用地下空间,各类市政管线的建设规模不断增大,如：上海世博园区综合管沟［2］,采用矩形箱涵的形式,集中布设各类管线,管沟总长约2.0 km,开挖深度达6.1 m；广州亚运城综合管沟,总长约0.6 km,开挖深度达9.3 m［3］；北京市中关村西区地下综合管廊,集地下交通、公共空间和市政管廊为一体,管廊总长1.9 km,开挖深度达12.1 m［4］。

管道(沟)工程一般多集中于城市中心区,沟槽的开挖对周边道路、管线等地面和地下设施影响较大,沟槽边坡土体稳定性至关重要。据统计,近年来,郑州、济南、哈尔滨等地多次发生因管道(沟)沟槽施工引发的工程事故,造成沟槽边坡坍塌、管线破损、道路塌方失稳等破坏。各类管道(沟)工程平面距离长,开挖深度大,带来了一系列的岩土工程问题。选择安全经济的沟槽边坡的支护体系,处理好开挖和支护过程中的工程问题,是降低施工风险的重要需求。

1 市政管道沟槽主要工程特点

1.1 平面距离长、开挖深度大

城市建设规模的扩大,对市政管线建设提出了更高的要求,平面距离长、开挖深度大是目前各类市政管道建设的主要特点。为了高效利用地下空间,便于后期维护管理,将各类功能条件类似、埋深接近的管线合并在一起,形成综合管廊(沟),是未来城市管线设计的趋势。

表1列出了近年来我国各地常见管道(沟)工程规模情况。目前,国内平面距离长、深、大沟槽越来越多,对城市管道沟槽工程的基坑支护带来了不小的挑战。

表1 近年来国内常见管道(沟)工程规模［1-9］

1.2 周边环境复杂

市政管线往往集中于城市中心地带,由于城区多年来的开发建设,地下往往分布有大量现状管线、废弃管线及地下设施。另外,由于长期以来各类管线产权单位无序的施工建设,多数地下管线档案资料无法查明,地下管线情况非常复杂。近年来,地铁工程、地下通道、快速路等工程的兴起加剧了地下空间的开发,地下设施情况非常复杂。管线上方一般为城市主干道路,密集的地面建筑等,环境风险因素多。管线敷设的周期长,周边环境非常复杂,沟槽的开挖与支护工程同时受到周边建筑和地下设施的影响。

1.3 地质条件的复杂性

地质条件的复杂性主要体现在填土厚度大,地层变异性突出。根据表1所示,目前市政管道沟槽涉及的地层深度已达3～12 m,综合管沟深度更深；由于多年来的城市建设,浅层土体往往受到多次扰动,浅部人工回填土层厚度较大,填筑年代不一,填筑质量参差不齐,局部还可能存在地下空洞,地层变化性大,工程地质条件差。另外,地下水情况也比较复杂,滨海、滨河地区的地下水位较浅,对管线沟槽开挖和支护十分不利。有些地区原有管道多年渗漏形成上层滞水集中区,比如：北京的王府井地区,由于多年的老旧管道渗漏,形成上层滞水区域内集中分布,水量较大。因此,城区市政管道工程往往工程地质条件、水文地质条件较复杂,对沟槽的开挖与支护影响较大。

1.4 设计条件的复杂性

目前,各类管线在设计的过程中往往需要追求稳定、大流量的运输,高度的安全性、多种功能性及便捷的运营维护等要求,这势必造成管线设计条件复杂,主要表现在平面布局复杂、转角支线多,为了躲避或下穿障碍物,设计标高变化大,局部可能造成区域汇水或地层应力集中。另外,城区施工往往存在多种工法衔接,施工工期紧迫等特点。上述管线设计条件的复杂性,也给管道沟槽的支护设计和施工带来了很大的难度。

2 市政管道沟槽支护

2.1 勘察与周边环境调查

2.1.1 工程勘察

岩土工程勘察工作是管道地基设计及沟槽支护体系选型的重要依据。目前,市政管线(道)的岩土工程勘察工作主要依据《市政工程勘察规范》(CJJ56)、《岩土工程勘察规范》(GB 50021)及地方标准等规范。表2列出了上述规范对于管线工程勘察的一般规定。根据规范的要求,市政管线勘察勘探点间距普遍较大,勘察过程中往往重视管线基底地质情况,而对于管线沟槽边坡范围的土层性质关注度不够。管线沟槽支护结构重要性高,根据建筑基坑支护规程［10］的沟槽支护结构的安全等级可达一级或二级,其勘察要求较高。

表2 管线(道)工程勘察的规范要求［11,12］

管线工程勘察应重点关注管线基底及沟槽边坡范围的土层,详细查明管线工程涉及的土层性状、地下水情况、提供岩土参数和相关建议。城区厚层分布的人工回填土层也是勘察的重点,必要时应该采取勘探、物探、测试和室内试验的多种手段查明回填土的工程特征和分布情况。

2.1.2 管线周边环境调查

管线(道)周边的环境条件是确定支护方案的重要参考因素,市政管线(道)设计过程中或施工前应针对拟建管线沿线开展详细的周边环境调查工作,主要调查项目应包括周边既有建(构)筑物的特征、既有管线的设计参数、使用和渗漏状况、既有道路的情况、其它重要的地面及地下设施,等等。必要时对周边环境因素进行风险分级,明确沟槽开挖支护重点保护对象,制定相应措施降低施工风险。

2.2 支护体系选型

2.2.1 放坡开挖、简易支挡

放坡开挖适用于施工现场有足够的放坡场地、周边环境风险小、地下水位埋深较深等情况,适合地下水位以上的黏性土、砂土、碎石土及回填质量较好的人工填土等地层。通常放坡比率可采用1∶0.5～1∶1.25,放坡开挖深度一般不超过3 m。放坡开挖施工简单、费用低,但土方开挖量及回填土方量大,同时施工过程中应注意做好坡面防水、防冻等工作。对于局部重点区域可以配合采用木桩、土袋、块石等简易支护形式,增加边坡的稳定性。放坡开挖形式如图1所示。

图1 放坡开挖示意图

2.2.2 土钉墙支护体系

土钉墙支护体系是由被加固的原位土体、土钉锚固体和于坡面上的喷射混凝土面板组成。土钉墙支护结构的施工适用于周边一定范围内没有地下障碍物、周边环境风险相对较小、地下水位埋深较深等情况,对于地下水位以上的黏性土、砂土和碎石土等地层较适合,但不适合于软土地层,沟槽开挖深度可达5～8 m。由于土钉墙支护体系属于柔性支护体系,当沟槽开挖深度较大时,其坡顶往往会产生一定地面变形,对于周边环境风险较高的沟槽,其施工风险较大。同时,土钉锚固体易受浅部填土、地下水等因素影响,造成摩阻力下降,因此施工过程中应注意避开地下设施,设置坡顶散水,引导坡面排水等技术措施。土钉墙支护体系简图参见图2。

图2 土钉墙支护体系示意图

2.2.3 排桩支护体系

排桩支护结构可采用灌注桩、型钢搅拌桩、预制钢筋混凝土板桩和钢板桩等。桩的排列方式通常有柱列式、连续式和组合式。排桩支护结构除了受力桩外,有时还包括冠梁、腰梁和桩间护壁构造等构件,一般适用于开挖深度在6～12 m的管线(道)沟槽,当基坑深度大时,可以增设预应力锚杆,提高围护结构的安全性。排桩支护体系尤其适用于施工场地狭窄、地层条件较差或周边环境风险高,支护结构和地面变形要求较高的情况。排桩支护体系安全性高,结合帷幕桩或施工降水,可有效处理地下水,保证施工安全,但由于需要进行围护桩施工,其施工进度较慢,工程造价高。排桩支护体系简图参见图3。

图3 排桩支护体系示意图

2.2.4 内支撑支护体系

内支撑支护结构由支护桩或墙和内支撑构件组成。常用的支护桩或墙结构为钢筋混凝土桩、钢板桩及地下连续墙。内支撑构件常采用钢筋混凝土梁或钢管(或型钢)制作而成,可根据沟槽深度设置一道或多道支撑。内支撑结构体系安全性高,适用于各类较差地层、施工场地狭窄或周边环境风险极高的情况。由桩或墙+支撑所组成的的支护体系,整体稳定性好,能有效控制边坡变形,沟槽周边地面变形很小,从而大大降低施工风险,其开挖深度可达15 m以上,适用于综合管沟(廊)等特大型市政管线工程。内支撑支护体系安全性高,同时可有效控制和处理地下水,确保施工安全,但由于沟槽内设置了内支撑,对土方开挖影响较大,其施工进度缓慢,工程造价高。内支撑支护体系简图参见图4。

图4 内支撑支护体系示意图

2.3 地下水控制措施

地下水控制措施是管线沟槽支护工作中的重要内容,地下水处理不当是基坑失稳的重要风险因素之一。当管线埋深不大或填土厚度较大时,由于现状给排水管线的损坏、渗漏,可能造成局部上层滞水富集,对沟槽开挖影响较大,对于上层滞水可采用集水明排的措施妥善处理。当管线埋深较大,管线施工涉及具有稳定水位分布的潜水或承压水时,应采取井点降水的处理措施,常用的方法有管井降水、轻型井点降水等；在地下水资源紧缺的区域还可采用止水帷幕的堵水节水措施,保证沟槽开挖支护结构的安全。

2.4 开挖与监测

管线沟槽开挖应结合现场施工条件、支护结构、地下水等情况综合进行,一般要求分步、分层开挖,严禁超挖。如采用土钉墙支护体系时,沟槽开挖应结合土钉墙的布置标高分步进行,一般每步开挖至相应土钉位置以下50 cm。

安全等级为一级、二级的支护结构,在基坑开挖过程与支护结构使用期内,必须进行支护结构的水平位移监测和基坑开挖影响范围内建(构)筑物、地面的沉降监测［12］。监测内容、类型、频率、报警值应结合周边的现状管线、道路及建(构)筑物综合考虑确定；对于地下水情况复杂的地段,还应进行地下水的监测,如设置水位观测井等。监测点的埋设应与支护结构施工相互配合,施工过程中应注意监测点的保护,并与沟槽开挖工作相互配合,信息化施工。

2.5 辅助措施

市政管线沟槽一般集中分布于中心城区,周边环境条件复杂；对于重点保护路段,为防止地面沉降过大,或现状管线渗漏严重危及沟槽边坡安全时,可采用注浆封堵加固、回填反压等措施妥善处理；对于管线转角段基槽宽度较大,并出现基坑凸角地段,可采用强支护、缓开挖、勤监测的信息化施工辅助措施；对于特殊路段多种工法衔接的情况,应统筹安排施工方案；另外,施工过程中应加强土质鉴别工作,及时调整施工方案,动态化施工,应对各类特殊情况,采取有针对性的辅助措施。

3 工程案例

3.1 工程概况与周边环境

北京市通州运河核心区新华大街排水管道工程,全长1.8 km,包括有雨水方沟,断面尺寸W× H=4 000 mm×2 000 mm,采用钢筋混凝土方沟；污水管线采用DN1 350 mm钢筋混凝土管道铺设。管道沟槽开挖深度为5.0～10.0 m,开挖宽度3.5～8.0 m。

工程所在的新华大街是通州区市政主干路,人流、车流量大,道路等级高,道路两侧分布有大量现状高层、低层建筑；地下分布有燃气、热力、给排水、电力隧道、通信等大量现状管线,工程周边环境情况复杂。

3.2 工程地质与水文条件

该工程场地地质水位情况复杂,管线沟槽开挖主要涉及的土层为人工堆积层及新近沉积层,其中人工堆积厚度较大,普遍厚度3.0～5.0 m,最大厚度可达8.5 m,其岩性主要为房渣土、碎石填土及素填土,含大量建筑垃圾、成分杂乱,工程性质极差。新近沉积层主要为第②大层的黏性土、粉土层,管线基底及沟槽边坡主要涉及：粉质黏土、重粉质黏土②层,可塑～软塑状态；砂质粉土、黏质粉土②1层,饱和、稍密～中密。第四纪沉积的第③、④层细砂、中砂层,饱和、密实～中密,工程性质相对较好。上述地层主要岩土力学参数参见表3。

表3 主要地层岩性及其主要岩土力学参数表

该工程地下水位埋深较浅,水文地质条件复杂,场区稳定分布有潜水,埋深约11.0～13.0 m,年变化幅度2 m左右,赋存于第③、④砂土层中。该工程管线埋深达5～13 m,局部位置管线位于潜水含水层以下；另外,受周边现状给排水管道渗漏的影响,该工程填土内普遍赋存有上层滞水,水位埋深2.5～8.0 m,水量较大。

3.3 支护方案的比选

根据规范［13］要求,按照基坑(槽)深度和邻近建筑物或管线与坑边相对距离比、水文条件、对周边环境的破坏后果等全面综合确定该工程基坑等级为二级。

拟建管线沟槽开挖支护具有以下特点：(1)开挖深度及宽度较大；(2)周边环境条件复杂,沟槽边紧邻现状主干路,两侧有密集的地面建筑物和现状管线；(3)填土厚度变化大,有多层地下水,水文地质条件复杂。该项目明显不具备采取放坡开挖的条件,需直槽加支护方式对沟槽进行施工。结合地区工程经验,可考虑采用土钉墙+喷射混凝土、钢筋混凝土排桩支护和钢板桩+钢管支撑等支护体系。

表4对上述三种支护方案进行了比选,土钉墙+喷射混凝土方案地面变形不易控制,同时土钉施工易受到填土及地下水的影响,支护结构安全性差。钢筋混凝土排桩支护结构安全性好,但需要进行钢筋混凝土支护桩施工,施工周期长,造价高。如果采用钢板桩进行支护,可节省成桩养护时间,同时材料可以循环利用,节约了工程造价,同时辅以钢管进行支撑,能有效提高支护结构的安全性,控制周边地面变形,因此,综合分析考虑采用钢板桩+钢管支撑支护体系。

表4 支护体系方案分析对比表

3.4 支护方案与效果

3.4.1 支护方案

根据沟槽开挖深度,划分为3个支护剖面,支护桩采用工字钢I36b,桩间距0.5 m(一顺一丁),支撑结构采用Φ325@3 m钢管,腰梁采用I36b工字钢,支护方案参数详见表5,典型支护剖面参见图5。

表5 支护方案参数表

图5 支护结构图(槽深10 m,3道支撑)

3.4.2 其它措施与支护效果

结合地下水位埋深和类型,采取了集水明排+管井降水的控制措施,局部水位埋深较浅地段与槽底布置了疏干井,保证地下水位位于基底以下。结合规范要求［13］布置了监测方案,该工程监测项目及预警值参见表6。

表6 监测方案一览表

该工程结合实际情况采用了钢板桩+内支撑的支护体系,有效控制了支护结构的变形,确保了周边道路、现状建筑及地下管线的安全,取得了很好的支护效果。工程实践证明,钢板桩+内支撑支护体系对于周边环境复杂,工程地质、水文地质条件较差的地区,具有很好的适用性。

4 结语

市政管道应重视地质勘察和周边环境调查工作。常用的沟槽主要有放坡开挖、临时支挡、土钉墙、排桩、内支撑等支护体系。支护结构的选型应结合周边环境条件、地质及地下水情况、工程造价和工期要求综合分析确定。根据地下水类型,采取有效手段降低地下水水位或封堵疏排措施,注重周边环境风险的监测,做到开挖与支护相结合,信息化施工,积极探索新工艺、新方法、新材料,因地制宜采取经济安全的支护体系。

［1］ GB 50838—2012,城市综合管廊工程技术规范［S］.

［2］ 王辉.世博会园区综合管沟沟槽支护体系设计及施工［J］.城市道桥与防洪,2010(8)：244-251.

［3］ 朱志军.亚运城综合管沟钢板桩深基坑支护的应用［J］.中小企业管理与科技,2010(33)：265-266.

［4］ 李锐等.土钉墙支护技术在中关村西区地下综合管廊及空间开发工程中的研究及应用［J］.岩土工程界,2004，7(11)：54-56.

［5］ 李继东.基坑支护设计——广州大学城综合管沟［J］.广东建材, 2009(2)：46-49.

［6］ 赖参森,栾闯,王瑞.工字钢桩在排水管道深沟槽支护中的应用［J］.城市道桥与防洪,2013(5)：164-167.

［7］ 董军,张勇,赖永辉.加筋搅拌桩在大口径供水管槽支护中的应用［J］.中国农村水利水电,2005(10)：74-75.

［8］ 柴琨.拉森钢板桩在软土沟槽支护中的应用技术［J］.建筑与发展,2013(6)：206-261.

［9］ 廖心北.喷锚支护在市政沟槽跨越地下管线中的应用［J］.四川建筑科学研究,2001,27(2)18-20.

［10］ JGJ 120—2012,建筑基坑支护技术规程 ［S］.

［11］ GB 50021—2001,岩土工程勘察规范［S］.

［12］ CJJ 56—2012,市政工程勘察规范［S］.

［13］ DB11/489—2007,建筑基坑支护技术规程［S］.

TU990.3

B

1009-7716(2015)09-0229-05

2015-04-20

李永东(1982-),男,江西九江人,注册土木工程师(岩土),主要从事岩土工程勘察设计工作。