软土地区某地下综合管廊工程基坑设计优化分析

刘志军，朱明星，王胜年，周红星

(1.中交四航工程研究院有限公司， 广东 广州 510230；2.中交交通基础工程环保与安全重点实验室， 广东 广州 510230)

地下综合管廊，也被称为“共同沟”、“共同管道”，是指在城市沿道路或管线走廊带建造一个地下连续结构物，将以往直埋的诸如给水、雨水、污水、供热、电力、通信、燃气、工业等市政管线集中放入其中，并设置专门的配套系统，按照实际需求组织规划、设计、建设和运营管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”，形成一种现代化、集约化的新型市政基础设施[1]。

地下综合管廊工程建设中，施工方法主要有明挖法、矿山法、盾构法和顶管法；管廊主体结构有现浇与预制装配两种方式。目前现浇明挖法是综合管廊工程建设中应用最为广泛的施工方法，其中，明挖法中综合管廊基坑有放坡开挖、土钉墙支护、钢板桩支护、型钢水泥搅拌桩墙(SMW)支护、灌注桩排桩支护等支护开挖方式[2]。

已有相关研究中，胡静文等[3]对城市地下综合管廊设计要点进行了分析。张江涛等[4]通过数值计算分析了滨海软土地区综合管廊基坑开挖过程中钢板桩支护体系受力与变形性状。周秋月等[5]对采用钢板桩加钢管撑支护形式的综合管廊基坑开展监测与分析。王魁[6]对综合管廊基坑支护开挖、主体结构浇筑、基坑回填三个阶段中基坑受力与变形进行了数值分析。李海龙等[7]对综合管廊基坑回填设计与施工工艺进行了研究。刘斌等[8]对综合管廊工程不同基坑支护开挖方案进行了对比分析。周恒等[9]运用三维有限元软件对地下综合管廊软土地基水泥搅拌桩处理参数进行了优化分析。李荣华等[10]利用有限元差分法对填土沉降控制与外部荷载作用下管廊防护进行了分析。此外，张雪婵[11]研究了狭长型基坑受力变形性状。马郧等学者[12-14]分析了基坑被动区加固参数对支护体系的影响。

综合管廊工程基坑呈窄长条形，其基坑支护开挖与主体结构施工具有工序繁多且空间上高度集中的特点，科学可行且符合工程实际的基坑设计方案对现浇明挖法综合管廊施工至关重要。基于此，本文依托广州南沙某地下综合管廊工程，从工程实际出发，通过计算分析，对综合管廊基坑设计方案进行分析与优化。

1 工程概况与工程地质条件

1.1 工程概况

广州南沙某K1+330—K1+454段综合管廊下穿拟建河涌，全长124 m，划分为6个结构段；双仓结构，外轮廓尺寸为5.3 m×3.3 m，内轮廓尺寸4.6 m×2.6 m；主要附属结构有排水泵坑、新风口、防火墙等。

按照设计方案，综合管廊基坑分为2个类型，分别为一般路段与钢板桩支护段。一般路段基坑深度小于3 m，基底宽度8.3 m，场地开阔，采用放坡开挖方式；钢板桩支护段基坑深度3.0 m～4.2 m，排水泵坑局部加深1.45 m，基坑宽度6.7 m，采用“拉森Ⅳ型钢板桩+钢管撑”支护形式，钢管直径400 mm，壁厚12 mm，钢管撑水平中心间距3 m，采用双拼200×200热轧H型钢作为围檩，其中，排水泵坑区域在下部增设一道相同规格的钢管撑(共两根，间距3 m)。各段基坑支护开挖设计方案如表1所示，相应的基坑设计剖面如图1、图2所示。考虑到先期施工的桥梁基桩和承台的安全，过河涌段基坑安全等级为一级，其余部分为三级。先期采用真空预压法、后期采用水泥搅拌桩法进行地基处理，管廊基础采用钢筋混凝土灌注桩。

图1放坡开挖段基坑剖面图

图2钢板桩支护基坑剖面图

按照建设单位部署，综合管廊基坑开挖前，先期由其它参建方完成位于管廊过河涌段两侧的桥墩与承台施工，再移交场地进行综合管廊基坑开挖与主体结构施工，移交时场地标高与设计坑顶标高不完全一致，见表1。

表1 基坑支护方式与相关参数

1.2 工程地质条件

该段地下综合管廊场址主要分布有淤泥、粉质黏土等软弱地层，局部存在粉砂层与中粗砂层。淤泥层厚5.7 m～31.6 m，顶层出露，平均层厚18.7 m，饱和，呈流塑状，断续夹薄层粉砂及少量贝壳；粉质黏土层厚1.6 m～6.7 m，层面标高-20.8 m～-9.1 m，平均层厚3.36 m，呈可塑状，含黏粒、砂粒与粉粒，土质均匀；地下水位标高3.5 m～4.8 m，主要土层的参数如表2所示。

表2 各土层参数

2 基坑设计优化分析

2.1 支护设计方案分析

从钢板桩支护段设计方案可以发现：(1) 对比表1中管廊结构顶标高与设计坑顶标高，过河涌斜段范围内上部钢管撑位于管廊结构顶板以下；(2) 钢管撑水平中心间距3 m，则净间距仅为2.6 m。

从施工角度分析，钢管撑位于管廊主体结构顶板以下，钢管撑水平净间距仅为2.6 m，将存在以下问题：

(1) 按照设计要求，上部侧墙与顶板混凝土浇筑前，待下部侧墙混凝土强度达到要求后架设临时支撑，然后对结构外侧回填中粗砂和素混凝土，再拆除上部钢管撑。回填前须完成下部侧墙拆模、侧墙防水层等施工。另外，结构内部的临时支撑将影响顶板模板支架的安设。对于单一管廊结构段，换撑与拆撑大为增加了狭小空间内(管廊侧墙与钢板桩间距仅70 cm)的施工作业工序，增大施工难度，基坑排水不通畅，成为施工安全与质量控制的一个突出隐患。

(2) 在钢管撑中心间距仅为2.6 m情况下，无论是基坑开挖过程，如土方开挖、坑底浮浆桩头凿除吊装，还是管廊主体结构施工，如钢模板吊装、材料转运清理，都容易导致施工设备、材料等与钢管撑发生碰撞，这对于支护结构稳定性与施工作业安全性而言，存在较大的风险。

(3) 从整体施工组织上看，钢管撑位于结构顶板下的管廊结构段施工工序多，对相邻结构段施工影响大，难以形成流水作业；钢管撑间距小，中间转运环节多，对施工作业干扰大，施工效率低。

2.2 钢板桩支护优化分析

由表1可知，除过河涌水平段(K1+367.0—K1+407.0)外，管廊沿线其余区域场地移交时地面标高不同程度地高于设计坑顶标高。解决方法有二：一是先降低场地标高至设计坑顶标高，按原设计方案进行基坑支护开挖，但前述问题得不到有效解决；二是基于实际场地条件对基坑钢板桩支护设计方案进行优化，对调整钢板桩桩长、钢管撑安设位置与水平间距下分别进行试算，分析是否满足基坑安全、稳定要求。按照方法二，经过试算，确定了优化后的钢板桩支护参数。优化后的过河涌斜段与水平段综合管廊基坑最不利工况计算分析如下。

(1) 工况1：过河涌斜段K1+344.9断面(不含排水泵坑区域)，按照实际场地标高，基坑深度增大至4.7 m，仍采用“一道钢管撑+9 m长拉森Ⅳ钢板桩”支护形式，钢管撑与钢围檩规格、型号保持不变，钢管撑中心距基坑顶50 cm，钢管撑中心间距调整为4 m。

(2) 工况2：过河涌斜段K1+346.0排水泵坑区域，基坑深度增大至6.15 m，仍采用“两道钢管撑+9 m长拉森Ⅳ钢板桩”，上部钢管撑支护参数与工况1保持一致，第二道钢管撑与原设计方案保持一致(共2根，间距3 m)。

(3) 工况3：过河涌水平段(不含排水泵坑区域)，由于场地标高与设计坑顶标高一致，基坑深度保持为4.2 m，仍采用“一道钢管撑+12 m长拉森Ⅳ钢板桩”支护形式，钢管撑中心距调整为4 m，其余参数保持不变。

(4) 工况4：过河涌水平段K1+405.0排水泵坑区域，基坑深度保持为5.65 m，仍采用“两道钢管撑+12 m长拉森Ⅳ钢板桩”，除钢管撑中心距调整为4 m外，其余同原设计方案。

优化后的综合管廊钢板桩支护段最不利的四种工况计算分析结果表明，基于场地实际标高，调整钢管撑安设位置与水平间距后，基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性、坑底抗隆起等验算满足要求，桩顶水平位移、土体最大侧向位移、支撑轴力等满足原设计与规范[15]要求。优化后，综合管廊基坑钢板支护段钢管撑位置均高于管廊结构顶板，如图3所示。

图3钢板桩支护设计优化后的综合管廊纵断面示意图

工程实践也表明，优化后的钢板桩支护设计方案满足综合管廊基坑支护开挖及主体结构施工需要，提高了施工效率，从源头上有力保障了施工安全与质量。

2.3 其它优化建议

按照设计方案，钢板桩支护段基坑坑底宽度(两侧钢板桩净间距)为6.7 m；水泥搅拌桩地基处理范围中轴线与基坑中轴线一致，处理宽度为7.5 m，如图4所示。采用水泥搅拌桩处理软土地基，且在钢板桩边线外侧增设一排水泥搅拌桩，主要目的有：(1) 加固坑内被动区土体，可减小支护结构嵌固深度，增加坑底抗隆起变形的能力，控制支护结构变形；(2) 减少因管廊结构桩基础周围软土沉降而产生的桩身负摩擦力，同时增大桩侧摩阻力，提高桩基础承载力，控制不均匀沉降；(3) 保证钢板桩与坑内被动区加固体紧密接触，控制支护结构的侧移与周边地表沉降。

图4综合管廊水泥搅拌桩地基处理设计布置图

水泥土在达到一定龄期后具有较高的强度。另外，局部地质勘察揭露，坑底水泥搅拌桩加固深度范围内局部区域存在粉砂层与中粗砂层。结合以往工程实践经验与室内水泥土配合比试验，粉砂与中粗砂地层经过水泥搅拌桩处理后，水泥土强度高，且呈完整的墩柱桩。若需穿透水泥搅拌桩，钢板桩沉桩施工困难，难以沉至设计桩底标高。如此，钢板桩坑底嵌固长度与施工质量得不到保证，即使在背侧补设钢板桩，也难以满足要求，且可能存在唧泥与漏水现象，支护结构位移得不到有效控制，存在安全隐患。

为此，提出设计优化，取消坑底宽度方向上最外侧的水泥搅拌桩，使得水泥搅拌桩处理边线与钢板桩边线一致，理由有：(1) 按原有水泥搅拌桩设计布置方案，钢板桩施工困难，且存在安全隐患，如上所述；(2) 因水泥浆渗透作用，经水泥搅拌桩处理后，桩径(钻头直径)以外周边范围内的土体也能得到一定的加固；(3) 施工中严格控制钢板桩施工精度(桩位与垂直度)，保证钢板桩与水泥搅拌桩密贴，满足原有设计要求。结合基坑监测数据，工程实践表明取消最外侧的水泥搅拌桩对基坑稳定性没有影响。

需要指出的是，地下综合管廊工程一般划分为多个结构段，结构段之间设置变形缝，对基础沉降要求严格，尤其是深厚软土地区，一般采用桩基础，如灌注桩、PHC管桩，而并不是直接以处理后的地基作为管廊结构基础。因此，在选择综合管廊软土地基处理方法时，应综合考虑地基处理后对后续管廊结构灌注桩施工的影响。

另外，对于明挖法地下综合管廊工程，如若现场与周边条件允许，在满足基坑安全、稳定要求的前提下尽可能采用放坡开挖或放坡开挖与其它支护方式联合的基坑支护开挖形式，即使现场具备放坡开挖条件的范围可能小于综合管廊一个结构段的长度，放坡开挖段可作为施工过程中机具、材料转运与人员进出的有效通道。

3 结 语

本文依托广州南沙某地下综合管廊工程，对其基坑设计方案进行了优化分析，结果表明优化后的基坑设计方案满足基坑安全、稳定要求，并在工程实践中得到成功应用。工程设计与施工应是一个有机体，设计方案首先应具有科学性，还应结合工程实际，具有施工可操作性与便捷性。本文研究旨在对明挖法地下综合管廊或类似地下工程基坑设计与施工提供参考。