复杂条件下综合管廊深基坑支护设计选型研究

柳卓民，莫若瑜，蔡 威

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

引言

城市中的各类市政管线俗称生命线工程，是维持城市功能正常运转的关键，随着城市化水平的不断提高，现代城市对市政管线的需求量越来越大。相比传统的管线直埋或架空方式铺设，地下综合管线廊道该模式更能匹配现代城市发展的需求[1]。相比欧洲、日本等地区，我国地下综合管廊的发展起步晚且进程较缓慢，但目前我国通过管廊试点城市及加大对综合管廊的建设和投资，其在市政工程中的应用越来越广泛[2]。在管廊建设过程中，有着政策、法律法规、建设经验上的不足，因此需要大量的工程实践来进行不断完善和促进体系形成。

地下综合管廊建设的第一步即为其基坑支护形式的选型，它是保证整个管廊建设的重要环节。岳庆霞等[3]对综合管廊的地震波作用响应进行了研究，结果表明管廊结构的变形以整体弯曲变形为主。张宏建等[4]通过对已建管廊的基坑支护形式进行研究，提出不同地质条件下应采取因地制宜的基坑支护形式。蔡福[5]在实际工程中采用拉森钢板桩和钢管撑的基坑支护形式取得了较好效果。周秋月等[6]通过基坑监测数据对支撑式桩墙支护选型的可行性进行了验证。以上研究结果表明了综合管廊的基坑支护选型需研究比选后确定，但大多数单个工程基坑支护形式较少且单一。

本次拟建地下综合管廊全线3.21 km，位于现有主干道旁且伴随各类复杂地质条件，因此基坑支护方案的选型种类较为丰富，同时结合PPP 项目的特点充分考虑经济性，在保证安全可靠的情况下对各类支护设计进行选型研究。通过本案例可对既有道路旁的综合管廊或电力专用管廊基坑支护工程提供相应参考价值，对我国管廊建设体系的完善有一定意义。

1 工程概况

拟建电力专用综合管廊位于湖南省株洲市现有铜霞路北侧规划绿化带下方，入廊管线为铜霞路两侧110 kV 与220 kV 高压架空线缆。管廊主线全长3.1 km，全线均采用双舱布置形式，标准段断面尺寸B×H=6.8 m×3.55 m。设有端部井、出线井、通风口、投料口、人员出入口、T 型交叉口、分变电所等众多节点，采用明挖施工及顶管施工。

管廊沿线的周边环境情况较为复杂，位于已建道路北侧。场地沿线分布荒地、水田、水塘、道路、民房、水渠、已拆迁区域和厂房等，沿线地下分布电力、燃气、通讯、自来水、污水、雨水等多种布设管线，地面分布众多电杆和高压电塔。需下穿3条河道及2 条已建道路，同时与多条规划路平面交叉。综合管廊断面布置见图1。

图1 综合管廊横断面布置示意图

现有拟建场地地势起伏较大，现状地面标高33.5～55.0 m，基底标高32.5～41.4 m，基坑开挖深度2～12.7 m。根据现状地形地貌、地质情况、临近构筑物及管线保护对全线进行动态分段，根据每段的详细情况进行基坑安全等级划分。

拟建管廊选址原始地貌为低矮丘陵及丘陵区内“U”型谷地，地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水，根据钻孔资料揭露与工程地质调查成果，结合区域地质资料，测区上部为第四系覆盖层，包括全新统Q4和更新统Q3，下部为白垩系戴家坪组砂砾岩段（Kdld）和板溪群沙坪组板岩段（Ptsz）。

2 复杂条件及重难点分析

2.1 地质复杂且起伏大

管廊沿线地形高差有将近22 m，突变处较多，且有3 条规划或现有河道需要下穿，因此纵坡在电力管廊允许规范值0.2 %～30 %之间，本工程最大纵坡取到了20 %。其中2条河道均与正交现状路相临，因此极大增大了工程难度。因管廊线型较长导致里程桩号范围内土层变化多，且有泥质粉砂岩和板岩的断层带，基坑支护时需注意该类特殊节点，并根据不同土层特性来因地制宜的选用支护方案。

2.2 周边建设环境复杂

管廊位置位于现状主干道红线旁5～15 m 的范围，对基坑支护及管廊施工期现有道路地表沉降及位移要求较高，防止道路沉降开裂影响正常交通出行。现有主干道北侧埋有各类管线，数量多且与管廊结构线型交叉，因此在进行基坑支护方案选型时需充分考虑避免与管线碰撞，并保证现有管线不出现较大位移。沿线现有大量农田、水塘、房屋等，需提前进行相应换填和地基处理后方可开挖，另因部分厂房无法拆除，导致施工作业面有限，大大限制了线型选择和支护方案选型。现有主干道北侧有几处高压塔需要进行保护，在采取悬臂排桩对其进行保护时，因高压线缆净空保护要求无法采取机械施工，还需采用人工挖孔桩工艺。全线特殊节点较多，对于一些变宽边高的特殊节点，需充分考虑周边环境的可行性来进行布设和基坑支护方案选择。

2.3 基坑支护方案较多

对于全线的地质情况及复杂环境条件，支护方案选型区别于其他管廊单一或少数支护类型会相对较多一些，并在不断比选和优化后才能得到最安全且经济的支护方案。结合管廊这类线性构筑物的狭长条状型基坑的特点，水平位移相对于面状基坑会较大一些[7-8]，因此在支护选择时应注意选用合理的支撑间距和工艺，来保证其跨中横向支护刚度。除明挖基坑支护相关工艺措施外，本工程由于两条与管廊正交的主要道路保通需求，故采取顶推工艺进行施工，顶进长度分别为60 m 和84 m。在工作坑反力墙工艺上结合本工程工期紧的特点，采取了设计优化创新后的排桩式反力墙方案。

3 基坑支护方案

综合考虑各边坡地形、地质、临近构筑物及管线，通过基坑计算软件分析其稳定性、位移、变形等，对比相近类型支护方案的成本、工艺适用性，合理动态选取了放坡、土钉墙、旋挖钻孔灌注排桩+横撑、悬臂排桩+预应力锚索以及预制顶推等基坑支护方案。

3.1 放坡开挖

本工程全线工程量大、工期紧，对于放坡空间足够、基坑深度不大、土质情况较好的地段，采用直接放坡开挖的方法进行支护是可行的。如在远离现有铜霞路道路的管廊北侧支护选型，因其充足的开挖空间，结合放坡坡率及土石方量综合比较，多采用放坡开挖工艺。对于靠近管廊终点段300 m 左右范围，管廊线型离铜霞路边线有一定距离，且地质情况多为全风化或中风化泥质粉砂岩层，在保证既有道路下方管线及岩体外倾结构面的安全情况下，多采用一级放坡或增设台阶放坡开挖。

于本工程上述情况较其他支护形式而言，放坡开挖能简化工艺、减少工作节点从而节省工期并保证安全和质量，也从源头节省了成本，合理性、经济性方面都是非常可取的。坡率为1:0.75、1:1、1:1.25 等，坡面均采用8 cm厚C20 细石混凝土护坡，加挂HPB300 Φ8@200×200 mm 钢筋网。典型支护断面详见图2。

图2 放坡开挖支护断面示意图

3.2 放坡+土钉墙

在地质情况为一般的杂填土、粉质黏土层与不同风化程度岩层的分层交界分布地段，支护空间有限，对于现状路边坡及管线扰动控制严格，采取土钉墙该基坑支护形式是可取的。本工程中大多数符合以上情况的区域，均采取北侧放坡与南侧土钉墙相结合的支护形式，现场施工情况反馈施工快且支护效果好，尤其是土钉贯穿多层土层及岩层后在土体发生相对位移时形成了较好的整体性，位移及地面沉降控制较好。

该支护形式相对于同类型的预应力锚杆（锚索）来说，工艺更为简单，且能有效的控制周围土体变形、沉降，在保证边坡安全性的同时也兼顾了经济性及工期的双重指标，与本工程的实际情况相符合。坡率形式有1:0.75、1:1 等，坡面均采用8 cm厚C20 细石混凝土护坡，加挂HPB300Φ8@200×200 mm 钢筋网，钢筋网片与钉头有效搭接或焊接。加强钢筋钢片采用HPB300 Φ14，分布钢筋与加强钢筋通过绑扎连接。土钉的规格及长度间距等参数根据计算确定。典型支护断面详见图3。

图3 放坡+土钉墙支护断面示意图

3.3 旋挖钻孔灌注排桩+内支撑

本工程全线多段因现有管线的保护、现有构筑物的保护、土质情况较差、施工作业面极其有限等边界限制条件，选用了旋挖钻孔灌注排桩+内支撑的支护形式。如株冶厂区地段，其场区构筑物位置与现有道路间支护空间极其有限，土质情况较差，且周周为管线较多，同时考虑施工作业下的止水要求，该支护措施的必要性及可行性均较为突出。对于部分下穿段，纵断面标高图标较大，纵坡达到20 %，且多为下穿河道或污水，该工艺的安全及止水性与其较为契合。桩间旋喷止水，该工艺成熟且止水效果好，一定程度上能与灌注排桩形成整体，从受力性能、经济安全方面皆较合适。该支护方式通过支护结构的刚度来控制土体的滑动、沉降及位移等关键因素，有效地保证了施工期间的安全性和可靠性。

钢筋混凝土灌注桩直径均为1 000 mm，间距1 400 mm，采用C30 水下混凝土；桩间设旋喷桩止水，旋喷桩直径800 mm，顶部设一宽1.2 m×高0.8 m 冠梁。根据基坑受力及周边环境情况采用钢管支撑或混凝土支撑，钢管断面Φ609×16 mm，混凝土支撑断面1 000×800 mm。典型支护断面详见图4。典型断面试算内力位移包络图见图5，其地表沉降模拟图见图6，均满足规范要求。

图4 旋挖钻孔排桩+内支撑断面示意图

图5 内力位移包络图

图6 地表沉降模拟图

图7 悬臂排桩+预应力锚索支护断面示意图

3.4 旋旋挖钻孔灌注排桩+预应力锚索

对于全线较多的特殊节点及约束条件极其严格的节点，采用该工艺能有效的进行支护形式完善且无需在机械、工艺、成本上增加太多。对于端部井、人员出入口、T 型接口、出线口这类大截面尺寸的特殊节点，支护深度大，跨度大且无法架设横撑，加之对现有主干道绿化带下方管线和道路的沉降位移严格控制要求，在悬臂旋挖钻孔灌注排桩的基础上融入预应力锚索的工艺，极大的解决了上述所有限制条件。如本工程管廊主线与支线分离的T型交叉口处，结构的四周展宽导致支护跨度变大，因整体浇筑要求不宜增设立柱，则原有的钢筋混凝土或钢支撑不再适用。支护结构处于强风化泥质粉砂岩层且离现有管线较近，因此引用预应力锚索与悬臂排桩相结合是非常必要的，较好的满足了安全、管线保护、位移沉降等各方面指标。该工艺的特殊适应性极强，且工艺成熟成本较低，于本工程较为贴合。

钢筋混凝土灌注桩直径为1 m，间距1.4 m，采用C30 水下混凝土；桩间设旋喷桩止水，旋喷桩直径800 mm。预应力锚索采用15.24 mm 钢绞线，水平间距2.8 m。冠梁宽1 200 mm×高800 mm。

4 结语

1）地下综合管廊的基坑支护选型因充分考虑安全、工期、经济性等多重指标进行因地制宜的研究设计,不应只采用单一和简单保守的支护形式；

2）排桩加横撑的支护形式对于管廊该类长条形狭窄基坑支护的内力、位移、沉降控制效果较好；

3）对于既有道路旁的管廊变宽段特殊节点支护，可采用悬臂排桩加预应力锚索的支护形式，其极强的适用性在工艺及经济性上有独特优势；

4）本工程根据工程不同地质、环境限制，通过各项设计方案综合比选，选用多种基坑支护方案形式，对于同类型的既有道路或电力专用地下综合管廊建设有一定参考价值。