山区城市管廊深基坑支护设计探讨★

刘 涛 吴 泽 孙 健 刘 燊

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 558801)

1 概述

随着城市的发展，建设高标准的城市市政基础设施综合体系，提升市政管线管理水平，改善道路城市环境，提高道路市政管线的承载力，提供高标准的基础设施日渐紧迫。近几年随着山区城市管廊建设日渐增多，山区城市从地形地貌、地质条件、设施建设、空间特性等方面体现出了一定的特殊性。例如管廊建设中基坑支护、空间布局等受地形地貌、地质条件等方面影响较大。山区城市管廊建设常用的支护方式有自然放坡、土钉墙、钻孔灌注桩、钢板桩、地下连续墙、水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等方法。本文结合六盘水地下综合管廊人民路管廊基坑支护方案，对山区管廊排桩支护进行分析探讨。

2 工程概况

六盘水市地下综合管廊是我国第一批试点管廊项目之一，管廊修建总长度为39.7 km，其中老城区综合管廊长度23.9 km，新城区15.8 km。人民路地下综合管廊设计长度3 000 m，管廊设计起点为人民路与机场高速交叉口，设计终点为人民路与钟山大道交叉口。管廊为两舱室，分别为热力舱、综合舱[1]，断面见图1。结合现场周围环境、地质、经济等方面对比分析，本路段管廊采用双侧排桩支护，设置一道支撑，基坑支护平面见图2。

3 排桩支护计算方法

排桩支护主要针对支护结构内力、变形、整体稳定性以及墙底隆起计算。

1)桩内力、变形计算[2]。

主动侧土压力计算按朗肯主动土压力；被动侧基床系数计算方法：“m”法,计算简图见图3。用有限单元法求解，解得水平位移并求出桩身内力。

其中，M为桩身弯矩；I为围护墙抗弯刚度；E为墙体材料的弹性模量；ρ为曲率；x为水平位移；z为深度。

2)整体稳定性。

整体稳定性计算方法采用瑞典条分法，应力状态计算方法采用总应力法。整体稳定性破坏面为如图4所示的组合滑面，其圆弧部分的圆心可以假定为最下到支撑处或者坑底，其半径可以假定为经过桩底，找出最危险的滑面，计算公式如下。

KL=FR/Fs。

其中，KL为整体稳定安全系数；FR为抗滑力；Fs为下滑力。

3)墙底抗隆起[3，4]。

计算简图如图5所示，计算公式采用Prandtl,放坡影响宽深比：1.0。

Kq=Ra/P。

其中，Kq为墙底抗隆起安全系数；P为墙底以下验算断面上坑外侧隆起宽度B范围内的总荷载(土重和超载)；Ra为墙底以下验算断面上坑外侧隆起宽度B范围内的极限承载力的合力。

4 基坑支护设计

4.1 工程地质条件

根据人民路岩土工程勘察报告，拟建场地内主要分布杂填土、黏土(可塑)、黏土(软塑)、泥岩等地层，其岩土性质分述如下：

1)杂填土①(Qml)：由场平开挖形成，主要由黏性土、碎岩、块石、角砾及建筑垃圾等组成，结构松散，钻进时孔壁易垮塌。

2)黏土②1(Qel+dl)：黄色、灰黑色、湿、可塑状,土质不均匀,含粉砂、角砾,偶含块石。

3)场地基岩为二叠系龙潭组(PL)泥岩(地层代号③)：褐色、褐黄色、灰黑色，强风化～中风化，薄～中厚层状，泥晶结构。泥岩具遇水软化，失水崩解的特性，属软质岩石。

4.2 基坑支护设计参数及方案

根据人民路岩土工程岩土勘察报告，设计的相关参数见表1。

表1 岩土参数表

根据基坑深度、重要性及周边建(构)筑分布情况，基坑深度8.0 m～13.0 m，安全等级为二级，结构重要性系数为1.0。地面超载：按20 kPa考虑。

基坑支护方案采用钻孔灌注桩，混凝土等级C30，桩径为1.0 m；桩中心间距2.0 m；嵌入泥岩深度4.5 m；设置1道钢管支撑，支撑长度9.9 m；支撑间距5.0 m；基坑支护方案见图6。

4.3 计算结果

1)内力、变形计算。

每根桩抗弯刚度EI=1 472 622 kN·m2。每根桩的内力和土体抗力的计算结果见图7，支撑反力最大值217.2 kN/m。

2)整体稳定性。

整体稳定计算结果：下滑力：1 931.1 kN/m；抗滑力：3 416.6 kN/m；安全系数：1.77，满足要求。

3)墙底抗隆起。

考虑放坡影响宽深比：1.0，坑内侧向外13.0 m范围内总荷载：5 130.4 kN/m。安全系数：3 596.0×13.0/5 130.4=9.11，满足要求。

5 监测设计方案[5]

结合本工程的实际情况，监测的主要项目如下:围护结构水平位移、围护结构竖向位移、深层水平位移、围护结构变形测点、围护结构侧土压力、地面沉降观测点、支撑轴力(含支撑变形)、周围建筑竖向位移、周边建筑裂缝、地表裂缝、地下水位测点，沿圈梁顶面每隔15 m左右设一个监测点，布置见图8,图9。

基坑设计等级为二级，主要控制指标：

1)地面最大沉降量不大于0.3%H,围护结构最大水平位移不大于0.4%且不大于50 mm，H为基坑深度,侧斜管及地表沉降监测点纵向间距为15 m,沉降及位移最大控制速率为3 mm/d。

2)施工期间应密切监测地表测点位移，变形及应力,以控制值的70%为预警值，85%为报警值，达到预警值或报警值时，应启动相应的应急预案，大于警戒值时或监测变形速率过大，均应采取措施处理，并通知设计、监理等有关单位处理。在基坑开挖过程中，若周边建筑物的差异沉降值过大，建筑的安全性难以保证时，应立即停止施工，并通知设计、监理等有关单位，待采取可靠的加固措施后方可继续施工。

3)地面裂缝监测：基坑开挖前，记录已有裂缝分布位置和数量，测定其走向、长度、宽度和深度等情况；基坑开挖后监测既有裂缝的发展情况，同时密切关注新增裂缝的发展情况。

4)监测设计为全断面方，监测结果应整理为全断面变形、受力情况与时间及施工方式的关系曲线。

5)施工过程中如发现异常，施工或监测单位应根据实际施工情况适当加密。

6)检测频率根据施工进度确定，在开挖卸载急剧阶段，应每天三次，其余情况可1次/2 d～1次/3 d。当监测结果较大时，应连续监测。当遇到以下特殊情况：a.施工现场降水天气；b.围护结构位移较大或增加较快；c.测点监测数据异常变化；d.基坑附近有突然增大的异常荷载，测点监测频率应视现场情况加密至正常的2倍～3倍。

6 基坑支护动态设计及支护效果

岩土工程不确定因素较多，为了保证基坑开挖施工过程基坑边坡的稳定和安全，在开挖过程中采用动态设计手段。在围护结构施工前量测各监测对象的原始监测数据，在施工过程中应对地下管线、坡(桩)顶水平位移、土体侧向变形、支撑轴力等进行监测。在施工过程中应对邻近道路的沉陷等进行监测，如发现有地面开裂、沉陷情况。监测数据达报警值时，应立即停止施工，并通知勘察、设计等单位，采取相应的处理措施，合理地调整设计和施工方案，确保基坑边坡的安全。

根据施工监测数据可知，冠梁水平位移的最大值为5 mm;建筑物沉降的最大值为10 mm;基坑周边土体沉降的最大值为15 mm。监测数据表明，整个基坑的变形均满足设计和相关监测规范的要求，验证了该支护方案的合理性与有效性，同时也达到了经济安全的支护设计目的。

7 结语

本工程已按上述设计方案予以施工。结合本工程案例，对山地城市综合管廊基坑支护设计问题进行如下总结：

1)山区管廊建设中支护方式的选取应结合现场周围环境、地质、基坑规模、经济性等方面综合考虑。

2)山地城市地质条件复杂，钻孔灌注桩刚度大，变形小，对周围环境影响较小。

3)以上排桩支护在管廊建设中的应用供相关设计、研究人员参考。