城市综合管廊基坑支护设计方案探讨

李朝龙 赵其轩 李春波 刘勇

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

引言

近年来，随着我国国家及地方政策对于城市综合管廊建设的大力支持，综合管廊工程呈现了快速的发展。在既有道路下新增综合管廊，必须考虑将拟建管廊工程对既有建（构）筑物的影响降到最小，可靠且经济的基坑支护方案为首选。本文根据成都地区某新建综合管廊深基坑工程实例，从设计理念、数值计算分析、施工监测等方面，研究综合管廊深基坑工程设计中可能存在的问题，并探讨其解决方案。

1 工程概况

某新建综合管廊工程位于四川省成都市东部，总长约为11.8km，标准断面三舱，断面尺寸10.2m×4.6m，覆土厚度3.0m，主体结构采用现浇钢筋混凝土结构。

综合管廊位于道路南侧的辅道及人行道下方，如图1所示。管廊结构北侧距离主车道边缘水平净距4.8m，南侧紧邻同期施工的雨、污水管道，雨水管道内底埋深2.6m～9.0m，与管廊结构边缘水平净距约3.6m，污水管道内底埋深2.1m～8.5m，与管廊结构边缘净距约2.0m。

本工程建设工期十分紧迫，且管廊施工阶段主车道已建成通车。考虑到南侧雨污水管道与管廊工程的紧邻关系，以及同期施工的需求，管廊基坑内的空间应能同时满足雨污水管道的正常施工。同时，在工程沿线范围内存在约60余处用于灌溉过水或者输水用的排水管道、给水管道、盖板涵及既有高压燃气管道（均于管廊上方穿越），存在4处与既有河道交叉穿越，存在1处与某新建轨道交通高架段桥梁（下部结构已完成）交叉穿越。不仅要保障管廊主体结构基坑的安全稳定，还需保证主车道正常通车的需求、既有交叉管道的正常运行和在建轨道交通的安全。

图1 综合管廊位置Fig.1 The utility tunnel location

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质

建设场址位于四川盆地东部低山丘陵地段，地层主要为第四系全新统人工填土层）、第四系全新统沼泽沉积层、第四系全新统坡洪积和侏罗系蓬莱镇组（J3p）基岩层。各土层主要物理力学指标见表1。

表1 土的物理力学指标建议值Tab.1 Recommended values of physical and mechanical indexes of soil

2.2 水文地质

本工程建设场地地表水主要为老旧鱼塘积水、农田灌溉渠水及河水，水量大多受降雨及人工控制。

场地地下水为埋藏于人工填土层中的上层滞水及基岩裂隙水。地下水主要补给来源为大气降水及区域地下水，通过地下径流、蒸发等方式排泄。

地下水位沿线埋深差异较大，普遍在基坑顶以下1.9m～6.0m，局部可达10.1m。

3 基坑支护结构的安全等级

基坑变形影响范围内存在诸多重要管线（燃气、给排水等）、河道、轨道交通，且基坑侧壁紧邻已经通车的主车道，根据《成都地区基坑工程安全技术规范》（DB51/T 5072—2011）［1］，基坑影响范围内建（构）筑物的重要性等级为很重要。

基坑开挖深度为7.8m～20m，主车道一侧车道边缘距离基坑边的距离为2m～4.8m＜0.5H（H为基坑深度）；远离道路一侧，在一倍基坑深度H影响范围内，除与基坑交叉穿越的管线、河道、轨道交通之外，工程沿线无其他重要或很重要的建（构）筑物。

综上所述，根据《成都地区基坑工程安全技术规范》（DB51/T 5072—2011）［1］第3.1.1条，最终确定本基坑工程的安全等级为：“临近主车道一侧的基坑安全等级均为一级，远离道路一侧且基坑深度H≥12m时基坑安全等级为一级，与基坑交叉穿越的管线、河道、轨道交通等特殊节点处，基坑两侧的安全等级均为一级，其余情况基坑安全等级为二级”。

4 基坑支护方案选择

基坑安全等级为一、二级，基坑深度为7.8m～20m，明挖施工，根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）［2］第3.3.2条，结合基坑周边环境、工程及水文地质条件、与临近道路、建（构）筑物、地下管线等的距离关系判断：①场地条件不具备单一放坡的空间；②悬臂式结构、重力式水泥土墙均难以满足在基坑较深的情况下对周边环境变形控制的要求；③逆作法在具备明挖施工条件时一般不予考虑；④锚拉式结构经过试算，锚索的长度会侵入主车道北侧的雨污水管基坑内（同期施工中），临近基坑的安全性和稳定性难以得到保障，故不具备可实施性。

综合以上分析，并本着满足基坑自身及周边建（构）筑物、地下管线、道路的安全和正常使用的前提下经济性最优的原则，基坑工程拟按以下几种情况分段进行支护。

（1）地质条件良好的岩质边坡（仅限强～中风化岩出露地段），基坑开挖深度7.8m～9.0m，基坑两侧采用放坡+土钉墙［3，4］的支护体系，坡度1∶0.3，土钉采用C25钢筋，横竖向间距1.5m，土钉长度为3m～7m，如图2所示。

图2 土钉支护典型剖面Fig.2 Typical cross-section diagram of soil nailing

（2）土质边坡及低填方等一般地段，基坑开挖深度7.8m～14.9m，基坑两侧采用桩+内支撑［4］支护体系，桩径1.0m/1.2m间距1.8m～2.0m，嵌固深度约为3m～12m，视基坑深度设置一～三道钢支撑（φ609mm，t=16mm），平面间距约6m，如图3所示。

图3 桩+内支撑支护典型剖面Fig.3 Typical cross-section diagram of soldier pile wall and strut

（3）高填方地段，基坑开挖深度8.1m～13.5m，靠近主车道一侧采用双排钻孔灌注桩［4］，桩径1.2m间距1.4m～2.4m，嵌固深度约为8m～13m；靠近绿化带一侧根据《岩土工程详细勘察报告》提供的基坑临时放坡坡率建议值对原地形放坡，如图4所示。

图4 双排桩支护典型剖面Fig.4 Typical cross-section diagram of double-row-piles wall

5 一般地段支护结构计算

5.1 荷载组合及计算原则

（1）支护结构按临时结构设计，施工期间支护结构作为支挡结构，承受全部的水土压力及地面超载。施工阶段按强度、变形双控进行设计。

（2）安全等级为一级的基坑，变形控制标准［1，5，6］为：基坑周边地表最大沉降量≤25mm，支护结构最大水平位移≤0.002H，且≤30mm（双排桩及土钉墙≤0.003H，且≤35mm），支护结构最大竖向位移≤0.001H，且≤20mm；安全等级为二级的基坑，变形控制标准为：基坑周边地表最大沉降量≤50mm，支护结构最大水平位移≤0.003H，且≤35mm（土钉墙≤0.004H，且≤40mm），支护结构最大竖向位移≤0.003H，且≤30mm；H为基坑开挖深度。

（3）支护结构的计算，应根据施工中开挖、架撑、浇注混凝土、拆撑等过程，按平面问题进行分析，分阶段进行内力分析。施工阶段，按“增量法”计算，须计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按先变形后支撑的原则进行结构分析。截面设计按内力包络图进行，支撑轴力取各阶段计算的最大值。

（4）荷载取值及其分项系数按《建筑结构荷载规范》［7］确定，施工期间地面超载按20kPa［3］考虑，临近建筑物按建筑物实际荷载考虑；土压力根据地质报告中各土层的物理力学参数计算，水压力按静止压力计算，地下水位考虑坑内降水，水位高程确定为基坑底以下约0.5m。

（5）基坑设计使用期限为一年［2］。

5.2 一般地段支护结构计算

支护结构依据地质勘察报告采用理正深基坑支护结构设计软件7.0PB2进行计算；根据基坑安全等级、开挖深度、周边环境及地质情况选取不同类型的支护型式，分为以下三类。

（1）放坡+土钉墙支护体系，如图5所示，验算结果见表2。

图5 土钉墙验算简图（单位：m）Fig.5 Analysis brief diagram of soil nailing wall（unit：m）

表2 土钉墙验算结果Tab.2 Analysis result of soil nailing wall

（2）桩+内支撑支护体系，如图6所示，验算结果见表3。

图6 桩+内支撑支护验算简图（单位：m）Fig.6 Analysis brief diagram of soldier pile wall and strut（unit：m）

表3 桩+内支撑支护验算结果Tab.3 Analysis result of soldier pile wall and strut

（3）双排桩支护体系，如图7所示，验算结果见表4。

图7 双排桩支护验算简图（单位：m）Fig.7 Analysis brief diagram of double-row-piles wall（unit：m）

表4 双排桩支护验算结果Tab.4 Analysis result of double-row-piles wall

6 穿越（近邻）建（构）筑物段基坑设计

6.1 荷载组合及计算原则

荷载组合及计算原则同本文5.1节，但对于周边道路、轨道交通、高压输气管道等的变形控制标准，除满足5.1节的要求外，还应根据产权单位的评估要求，从严控制，产权单位变形控制要求见表5。

表5 周边环境重大风险源变形控制要求Tab.5 Requirements for deformation control of major risk sources in the surrounding environment

6.2 河道交叉处

本工程沿线范围内存在4处公路桥梁，桥梁下方为灌溉或泄洪用的既有河道，综合管廊在4处范围内采用平面避让公路桥梁和下穿河道的方案穿越。此区域内基坑开挖深度10m～19m，河道内水流较大，基坑支护考虑采用桩+内支撑支护体系，桩径1.2m间隔2.0m，嵌固深度6m～12m，视基坑深度设置2～4道钢支撑（φ609mm，t=16mm），平面间距6m；考虑到此区域内基坑开挖深、地表水丰富的特点，基坑两侧各增加一道高压旋喷桩止水帷幕，基坑上部河道水用管道引流，引流管道在基坑上方穿越采用悬吊保护方式通过，如图8所示。

图8 穿越河道基坑支护剖面Fig.8 Cross-section diagram of retaining and protection for excavations at crossing river

验算结果（表6）显示，支护桩位移值最大为5.62mm，桩顶位移值约为5.3mm，地面沉降量最大约为6mm，最大差异沉降量约为3mm，可见公路桥梁结构基础的沉降及位移值均在允许范围内。

表6 穿越河道基坑支护验算结果Tab.6 Analysis result of retaining and protection for excavations at crossing river

6.3 轨道交通交叉处

综合管廊线路与某新建轨道交通平面相交，轨道交通先期施工，综合管廊采取明挖方案从轨道交通高架桥墩间穿越。此处基坑开挖深度约为20m，基坑支护考虑采用桩+内支撑支护体系，桩径1.2m间隔2.0m，嵌固深度10m；此区域内基坑开挖深、交叉施工困难，综合考虑竖向间隔设置两道钢筋混凝土支撑（1000mm×800mm）+两道钢支撑（φ609mm，t=16mm），平面间距3m～6m，如图9所示。

图9 穿越轨道交通基坑支护剖面Fig.9 Cross-section diagram of retaining and protection for excavations at crossing rail transit

表7 穿越轨道交通基坑支护验算结果Tab.7 Analysis result of retaining and protection for excavations at crossing rail transit

验算结果（表7）显示，支护桩位移值最大为9.23mm，桩顶位移值为9.23mm，地面沉降值最大约为12mm，最大差异沉降值约为7mm。

可见轨道交通桥梁结构基础的沉降及位移值均在允许范围内。

6.4 下穿高压输气管处

高压输气管道处，综合管廊因避让主路桥梁而绕行，与既有高压输气管道在平面斜交，如图10所示，管廊基坑距离主路桥梁桩基础约11m，具备放坡开挖条件。据相关资料显示，该输气管道是供给成都地区的重要干管，尺寸D711×8，管道材质L48，外侧包裹三层PE防腐层，管道现状顶面覆土约1.5m；根据《中华人民共和国石油天然气管道保护法［2010］》，高压输气管道线路中心线5m范围内严禁大型机械施工（即高压输气管道附近不得采用大型施工机械进行桩基施工）。

图10 穿越高压输气管道基坑支护Fig.10 Retaining and protection for excavations through high-pressure gas pipeline

综上所述，综合管廊拟采用明挖方案从高压输气管道下方进行穿越，基坑方案拟采用：①先对管道线路中心线5m范围内的土体进行袖阀管注浆加固，注浆材料采用普通水泥-水玻璃双液浆；②基坑上部3.5m采用1∶1.25的放坡，基坑下部采用土钉墙+放坡的支护体系，坡度1∶0.25，土钉采用C32钢筋，横竖向间距1.3m，土钉长度为4.5m～7.5m；③对管道线路中心线5m范围外的基坑仍采用桩+内支撑支护体系，桩径1.2m间隔1.0m（咬合桩），嵌固深度3m，设置一道钢筋混凝土支撑（1000mm×800mm）及一道钢支撑（φ609mm，t=16mm），平面间距6m；④考虑到高压输气管道作为城市经济命脉的生命保障，一旦发生意外，后果不堪设想，且管道的变形控制要求很高，故对高压输气管道采用可校正管道变形的钢桁架进行专项保护，确保管道在管廊施工期间安全稳定、正常运行。

表8 穿越高压输气管道基坑支护验算结果Tab.8 Analysis result of retaining and protection for excavations through high-pressure gas pipeline

验算结果（表8）显示，土钉墙与临近支护桩支护的承载力和稳定性均满足相关要求；临近支护桩位移值最大为5.39mm，桩顶位移值约为1mm，地面沉降值最大约为7mm，最大差异沉降值约为5mm。可见钢桁架结构基础的沉降及变形值在允许范围内。

7 基坑的监控量测

施工期间，应对基坑及周边环境进行全面监控量测，监测项目应根据《建筑基坑工程监测技术规范》［5］、《成都地区基坑工程安全技术规范》［1］选用，基坑主要监控量测项目见表9。

表9 基坑主要监控量测项目Tab.9 Main monitoring and measurement items of foundation pit

监测频率以《建筑基坑工程监测技术规范》［5］为准，且需满足被保护建（构）筑物相关产权单位的评估要求；对于重要节点的区域（穿越河道、轨道交通、高压输气管等），应适当加密监测点位、加大监测频率。

管廊主体结构全部完成后，选取一级基坑某一区段的监控量测结果进行分析。区段里程K2+100～K2+220，采用桩+内支撑支护，沿管廊走向每20m间距在基坑两侧各布置一个测点，测点编号1～14，共14个。基坑深度H=10.00m，对应的地面沉降累计控制值、桩顶水平位移累计控制值、桩顶竖向位移累计控制值分别为25mm、20mm、10mm，基坑支护验算结果参见表3。基坑及周边建（构）筑物变形稳定后的累计监控量测值如图11所示，图中数值为各测点自基坑开挖至基坑回填结束28d内监测结果得到的最大值，桩顶水平位移在开挖至基底时达到最大值，地面沉降及桩顶竖向位移在基坑回填后28d达到最大值。对比分析可知，地面沉降、桩顶位移均满足要求，与数值分析结果基本一致（其他区段内的对比分析结果均满足要求，此处不再赘述）。

图11 监控量测结果Fig.11 Monitor measurement results

8 结语

由以上内容分析可知，成都地区综合管廊基坑支护选用以下三种型式，可以基本满足基坑自身及周边环境的安全稳定、变形控制等相关要求。

1.土钉墙支护，在地质条件较好（强～中风化岩出露等）、周边环境简单的情况下采用，可满足基坑及周边环境的稳定、变形等要求。

2.桩+内支撑支护，在不同的基坑深度、地质条件、周边环境等条件下，适当调整桩径、桩长、桩间距、支撑间距等参数，即可满足大多数基坑（一般地段、穿越河道、穿越轨道交通等）及周边环境的稳定、变形等要求。特殊地段（穿越高压燃气处）的基坑支护可考虑采用桩+内支撑支护与土钉墙支护相结合的方式。

3.双排桩支护，在基坑两侧高差较大，周边环境变形控制要求较高时采用，能很好地保证基坑自身及周边环境的安全稳定。