市政管廊基槽支护的岩土问题及设计

商喆

（厦门市市政工程设计院有限公司，福建厦门 361000）

1 引言

由于市政管廊位于地表以下， 土方开挖工程量巨大且工期比较紧张，对整个市政工程项目会产生较大的影响，掌握基槽支护的岩土问题对于后续市政综合管廊基槽支护设计工作的顺利开展具有重要的现实意义。 这一类型的基槽具有临时性强、坑壁变形大、岩壁土强度低等的特点，特别是面对复杂水文的条件， 如果按照传统的方法进行设计， 就会出现费用高、 工期长、 监测方法不合理以及无法掌握基槽支护岩土问题。 因此，为解决以上问题，本文以翔安南路（滨海东大道—翔安大道段）综合管廊基槽工程项目为主要研究对象，就基槽支护的岩土问题及设计进行分析。

2 案例概况

翔安南路（滨海东大道—翔安大道段）综合管廊基槽工程项目位于翔安南路南侧AK0+500~BK0+175，包含刘五店变预留电力隧道、候亭路变预留电力隧道、翔安西路西侧横穿翔安南路、翔安西路东侧横穿翔安南路、杨厝变预留电力隧道、内湾大道预留电力隧道。 基槽支护长度约为4.2 km，基槽深度为2.6~10.2 m。 综合考虑基槽开挖深度、场地地层条件及周围环境状况，本项目基槽支护形式主要采用放坡开挖+ 喷混护坡、灌注桩支护、钢板桩支护。

3 特殊岩土及岩土

根据对施工现场的勘察， 本工程项目所在区域的特殊岩土为人工填土、软土、残积土及风化岩层，以下进行详细分析。

1）人工填土。 本次勘察范围内人工填土回填时间、密实度及均匀性相差较大，具有一定的湿陷性，自稳能力较差，基槽开挖时易崩塌。

2）软土。 根据勘察结果，管廊沿线分布的软土为淤泥，具有天然含水量大、孔隙比大、有机质含量较高、压缩性高、强度低、渗透系数较小的特点，对水泥搅拌桩的施工具有一定影响。

3）残积土及风化岩。 管廊沿线广泛分布的花岗岩残积砂质黏性土、全风化花岗岩、砂砾状强风化花岗岩，具浸水后易软化、崩解，强度急剧降低，稳固性较差。 各风化层岩面起伏变化大，对支护桩施工有不利影响[1]。

4 基槽支护岩土问题

4.1 基坑壁稳定性不足

本工程项目位于河流附近，经勘探得出：其河床明显高于该河流两岸边的地面，且位于淤泥较多和冲积严重的河段，水流速度较快，特别是在雨季到来时，变化更是十分明显，河流的南岸位置侵蚀更加明显，在勘察期间内，向南岸位置的侵蚀长度大约为30 m，在调沙和雨季集中的季节，基坑壁在雨水的浸泡作用下夹杂着大量的泥沙， 给已经开挖完成的基坑带来了严重的破坏[2]。

4.2 水文特点不确定性

在工程项目具体的建设过程中， 地形地貌以粉砂和粉土为主，长时间受水流的影响，岩性水层难以形成，尽管是已有的含水层也仅仅为透状视体且逐渐形成了叠加状的透视体，并在同一标高下又表现为断续状。 因此，在对基槽的开挖过程中，不可避免地出现了水位不统一的现象。 同时，由于主要河槽内的水流面积比较大，地下水的补给源主要为河水，但由于补给位置和补给量的不确定性， 导致基槽支护设计参数范围值较大。

4.3 含水层渗透系数多变性

根据试验结果和对施工现场的勘察得出： 在综合考虑了含水层渗透系数多变性的情况下， 建议北岸和南岸滩区南部的平均渗透系数K 取0~15 m·d-1， 北岸和南岸滩区北部平均渗透系数K 取3~5 m·d-1。 因此，按照承压水井出水量公式，计算各个基坑的涌水量Q，计算结果如表1 所示。

表1 基坑涌水量计算值

表1 中，K 为平均渗透系数；H 为浅水含水层厚度；L 为过滤管长度；R 为降水影响半径；a 为降水井群连线所围的面积；b 为基坑中心至河岸的距离；r 为基坑等效半径；Q 为基坑涌水量。

通过表1 可以看出：基坑内的涌水量变化明显：位于北岸边的ZK3和ZK4点， 基坑内的涌水量分别为355.6 m·h-1和412.4 m·h-1；位于南岸边的ZK5和ZK6点，基坑内的涌水量分别为142.8 m·h-1和132.9 m·h-1。

4.4 基坑岩土破坏形式

基坑岩土具有湿陷性、疏松以及容易液化等特点，特别是在雨水的情况下其强度会逐渐降低，特别是在雨季来临时，工程项目所在区域内十分容易发生滑坡、塌方等自然灾害，在基坑失水的情况下，坑壁又容易出现开裂的病害[3]。

4.4.1 粉细砂和粉土

在对施工现场岩土勘察中得出：雨季施工时，粉细砂和粉土全部为直立的状态，但是其在渗透压力的作用下，粉细砂和粉土又变为了流速状态，同时在破坏力的作用下，坡肩就会严重失稳。

4.4.2 粉质黏土

在岩土比较干燥的情况下，粉质黏土为直立状态，进而产生垂直破坏， 浅水层在失水的作用下就会出现不同程度的裂缝，且裂缝还会在时间的推移下逐渐加宽，个别裂缝还会上升至建筑物体的顶部，形成深层裂缝。

4.5 管涌通道多变性

通过对本项目施工现场的勘察发现： 位于河道附近的地下水类型为上层滞水、浅水、微压承水。 在工程项目具体的施工过程中，会出现水平向钻孔移动的现象，同时管线还需要穿越不同类型的含水层，借助钻孔统一形成地下水流，汇集至附近的河流，对基槽造成危害，由于很难估算用水量，进而直接影响降水井的设置和工程项目的顺利开展。

5 基槽支护设计方法

5.1 设计原则

市政管廊支护与建筑工程项目基坑支护相比较， 具有施工周期短、成本低以及场地开阔等特点，如果按照现行的规范和标准实施和开展基槽的支护， 不论是基槽的个工期还是造价都无法满足工程项目的实际需求。 因此，根据本工程项目的实际情况需要遵循以下设计原则。

（1）基槽支护方法不得受龄期影响，应当选择有利于自然环境保护以及质量优良的施工材料， 避免施工完毕后基槽内残留其他的物质；（2）支护结构允许出现变形，因其具有优良的抗弯性和抗压性， 并在基槽支护环节采取科学合理的支护体系，保证基坑不会出现塌方、滑坡以及失稳的问题；（3）基坑的支护结构可以超出变形经验值， 由于我国出台的规范标准并没有给出详细的变形控制值， 即使如此也要严格控制基坑变形问题，禁止出现大的变形量。

5.2 设计方法

1）根据基坑内岩土的类型，将垂直基坑分为不同等级的但数量相等的台阶，采取悬臂钢板支护法，根据河水的冲刷深度采取合理的基坑支护体系， 之所以不进行自然放坡是由于基坑内可放坡的角度较小。

2）支护结构采用成型钢板桩，成型钢板桩不仅管理方便，且自身具备一定的防渗水性。

3）基坑内产生的降水应当采用预降水法将其排出，由于地下水的补给途径复杂多变，渗透系数的不确定性，浅水层的厚度、给水比较多变，为切实提升基坑的承载能力，在具体的基坑施工中， 需要在基坑的周围分别设置浅管井和深管井进行排水，深井（50 m 及以下）应当合理降低承压水头的高度和给水量，避免土层出现裂缝导致涌水，对于管道内残留的水，浅管井可以充分吸收基坑内的多余的水， 增加土层的抗剪强度，降低土层结构的压力。

5.3 监测效果

市政管廊基槽开挖变形较大， 既有的支护体系和监测方法，如应力计、位移计和压力盒等传统的监测方法很难满足工程项目基槽支护的实际需求。 基于此， 本文通过研究前人文献，提出一种创新性的监测方法，也就是预设测点法。 基槽支护采取钢板桩支护方法， 工程项目开始之前测量桩身的坐标值，竣工之后根据坐标值绘制详尽的施工图，将设计值与施工值之间的差作为基准差。

6 施工效果

本项目5 个管廊基槽支护， 按照以上设计方法进行设计和监测，施工效果如下。

1）基槽21 m 基坑支护水平变形量实测值为200~310 mm，台阶垂直变形量为260~440 mm，其余基坑变形量略低于该数值，在此变形量下，基槽变形满足设计要求。

2）基槽工程分为3 个阶段进行，最后一个阶段采用钢板桩支护，其余两个阶段采用悬臂结构。在调沙和治沙的60 d 应完成基槽支护工作，滩地的基坑分为2 个步骤，需要在计划的工期内完成支护，其与建筑工程基坑工程相比，可节约资金大约45%，工期大约缩短50%。

3）采用预降水法，有效降低了施工现场浅水、承压水以及不确定河流水的补给途径和流量， 有效防止了工程项目所在区域内自然灾害的发生。

7 结语

综上所述， 市政管廊基槽支护主要采用了分台阶设计和钢板桩作为支护结构的方法，满足了工程项目的实际需求，为工程项目节约了大量的成本，缩短了施工周期，填补了现行规范和标准的空白。 同时，采用预降水法合理控制了不确定河流水的补给途径和数量，降低了基底隆起、涌水等不良问题发生的概率，增加了基槽的抗剪强度，采用预设测点方法对基坑工程进行监测，对抑制基坑变形起到了良好的控制作用；对朗肯被动土压力进行折减修正，解决了松散土体刚度差的现状，起到了减少支护结构变形的根本目的。