淺談不同情況下基坑支護方案的設計

摘要：隨著城市建設的日益加深，管廊得到越來越大范圍的應用。本文就公主嶺市嶺東路管廊工程的基坑方案實例，共同探討不同環境和地質情況下，管廊基坑的設計方向。

關鍵詞：管廊；基坑；鉆孔灌注樁；土釘

1.前言

本項目所經沿線環境和地質情況較為復雜，試就本管廊基坑項目的介紹，探討不同情況下的基坑設計，從而達到安全性和經濟性的最優化。

2.項目簡介

嶺東路管廊的實施范圍為工業大街～嶺南大街，北起工業大街管廊，沿線經公主大街、河南大街、南環城街，南接嶺南大街管廊。設計里程范圍為嶺東路道路樁號K0+017～K1+816.765，嶺南大街道路樁號K7+172.000～K7+210.400，里程全長為1838.165m。

嶺東路管廊標準段B×H=6.3×4.0m，頂底板壁厚450mm，腹板壁厚400mm，4個內角設250×250mm倒角。

嶺東路管廊結構埋設在嶺東路東側機動車道下，采用明挖順做法施工，支護結構安全等級為二級，支護結構重要性系數γ0=1.0，基坑周邊荷載中，地面超載的等效均布荷載取20KPa，交叉口取30KPa，樓房荷載平層按20KPa，2層以上房屋取15KPa/層。

3.現場環境

3.1 地形地貌

公主嶺市地貌類型分為南部山地和北部平原兩大地貌區。擬建場地地勢有起伏，各孔口黃海高程在213.77～227.47米之間。屬于北部平原的東遼河河谷平原地貌單元。

3.2 場地地質水文條件

根據地質勘察資料，場地淺部各土層分布較穩定，自上而下可劃分為4個巖土層，依次為：①耕填土（Q4ml），厚度1.11～4.59m。④1粉質黏土（Q4al），局部夾粉砂薄層，厚度2.15～11.30m。⑤強風化泥質砂巖（K2xn2），厚度4.30～14.90m。⑥中風化泥質砂巖（K2xn2），未擊穿，最大揭示厚度為11.30m。場地地下水穩定水位埋深6.00～12.40米不等，呈兩頭深中間淺的狀態。在東溝河附近，由于河流影響，地下水位較淺。本場地環境類型為Ⅱ類，地層滲透性類型為B型。

場地在起點～鐵路（K0+017～K0+260）段④1粉質黏土層較厚，層底埋深14.22～8.5m；在K1+292～終點段④1層層底埋深7.52～8.79m，其余路段④1層較薄較均勻，平均厚度4～7m。

場地全線①耕填土分布較為均勻，層底埋深1.11～4.59。

場地地下水普遍埋深較深，平均埋深12m；東溝河左右地下水較淺，最小埋深6m。

3.3 沿線現狀環境

3.3.1 嶺東路：

嶺東路全線均為已建成道路。各交叉路口除南環城街和嶺南大街外，均已建成通車。南環城街西側已建成，東側未建；嶺南大街未建成通車。

嶺東路K0+260～K0+422段為穿越鐵路段，K0+805～K0+859段跨越現狀東溝河。

3.3.2 沿線環境：

工業大街～公主大街：本段道路東側為已有廠房、民房，距離基坑較近，大部分為低層，僅靠近公主大街交叉口處有一處7層樓房。

公主大街～河南大街：本段道路東側為拆遷區。其中的K0+805～K0+859段穿越東溝河。

河南大街～南環城街：本段道路東側靠近河南大街交叉口處，有新建小區距離基坑較近；K1+291處有在建小區出入口，考慮到有裝建材的車輛來往，應按交叉口的活載設計。

南環城街～嶺南大街：本段道路東側有學校、電臺等建筑距離基坑較近；接嶺南大街處有較深的倒虹銜接鄰近管廊。

4.基坑支護方式選擇分析

4.1 基坑支護的類型及其特點和適用范圍

4.1.1放坡開挖

適用于周圍場地開闊路段，基坑縱橫向位移控制無嚴格要求，施工簡易造價低，填挖方較大。

4.1.2土釘墻

土釘墻支護結構是一種原位土體加固技術，它是以較密集排列的插筋作為土體主要補強手段，通過插筋體與土體之間的摩擦力達到改善土體力學性能的目的，使加固區土體成為能自穩的重力式的擋土結構。在工作機理上，土釘墻是高強度土釘、噴射混凝土面層及原狀土三者共同受力，形成復合土體。利用復合土體的自穩達到支護目的。常用于開挖深度不大于15m、周圍相鄰建筑或地下管線對沉降與位移要求不高的基坑支護，具有施工快捷簡便、經濟可靠的特點。土釘墻一般適合于地下水位以上或經過降排水后的素填土、粘性土、粉土以及非松散的砂土、卵石等土層，不宜用于淤泥質土、飽和軟土及未經降水處理的地下水以下的土層。

4.1.3鉆孔灌注樁。

鉆孔灌注樁直徑一般0.6～1.2m，多用于坑深7～15m的基坑工程，在我國得到廣泛的應用。當無地下水時，可稀疏布置，利用土拱效應支護周圍土體、節省造價；當地下水位較高時，一般需要在鉆孔樁外側再增設止水帷幕。鉆孔灌注樁應用廣泛，工藝成熟；施工時無振動、無噪音，無擠土現象，對周圍環境影響小；墻身強度高，剛度大，支護穩定性好，變形小；既適用于軟土層，又適用于硬土層。其缺點是施工速度慢，工期較長，防水效果不好，需要結合阻水帷幕。

4.1.4地下連續墻

通常連續墻的厚度為600mm、800mm、1000mm，也有厚達1200mm的，但較少使用。地下連續墻剛度大，止水效果好，是支護結構中最強的支護型式，適用于地質條件差、基坑深度大、周邊環境要求較高的基坑，但是造價較高，施工要求專用設備。

4.1.5SMW工法

SMW工法（勁性水泥土攪拌樁法），即在水泥土樁未結硬前插入H型鋼等，將承受荷載與防滲擋水結合起來，使之成為同時具有受力與抗滲兩種功能的支護結構的圍護墻。SMW支護結構施工時基本無噪音，對周圍環境影響小；結構強度高，可在粘性土、粉土、砂土、砂礫土中應用，特別適合于以粘土和粉細砂為主的松軟地層；擋水防滲性能好；H型鋼可回收重復使用，施工成本較小。其缺點是應用經驗不足，插入的H型鋼雖可回收利用，經過多次插拔后鋼材性質變脆，不能再投入使用。

4.1.6鋼板樁

鋼板樁是對鋼帶進行連續冷彎變形，形成截面為Z形、U形或其它形狀，可通過鎖口互相連接的板材。鋼板樁適用于淤泥、淤泥質土、飽和軟土及地下水位較高的深基坑支護。施工時將鋼板樁用打樁機打（壓）入地基，使其互相連結成鋼板樁墻支擋土體。鋼板樁強度高、防水性能好、施工快速簡便、占用空間小、并可回收重復使用。但鋼板樁價格較貴，無內支撐時剛度小、變形大，拔樁時易引起土體移動，造成周圍土體發生沉降。

4.1.7基坑支護選型小結

本項目地質情況較簡單，以粘性土和巖層為主，鐵道以北粘性土層較厚，以南的大部分地區較薄，地下水位大部分較淺。

SMW工法樁和鋼板樁在粉質黏土層較淺的地段較難施打，故不宜設置在鐵道以南地區；且SMW工法樁較為新穎，應用經驗不足，鐵道以北地區距離房屋較近、需要嚴格控制沉降，因此也不宜設置。

地下連續墻支護形式太強、適應性最強、造價最為昂貴，本項目場地無不良地質、基坑最深不過12m，本著節省造價的原則，項目不宜采用地下連續墻形式。

鉆孔灌注樁工藝成熟、支護穩定性性良好，并且由于地下水位除部分路段外普遍較淺，不需要擋水，可選用較為疏松的排列方式，變劣勢為優勢。僅需要在過河段等地下水位較高的地方增設止水帷幕，充分利用了鉆孔灌注樁的優越性和經濟性。

放坡開挖適用于場地較寬大的地段，本項目公主大街～河南大街段有拆遷區，但經驗算，本段地質情況不使用純放坡開挖，否則造成工作面過大、西側道路預留通行段過窄的情況。

而土釘墻既能兼顧經濟性，又能減小開挖面，與放坡開挖結合，是一種較適合本項目的支護方式。

基坑工程應在合理范圍內須盡量減少造價。綜合以上，全線選擇鉆孔灌注樁和土釘墻的支護方式。

4.2基坑支護類型的分段細選

根據現狀環境分析，嶺東路在工業大街～公主大街段東側有廠房、民房，且④1粉質黏土層較厚，宜采用鉆孔灌注樁，驗算時須嚴格控制樁基強度和基坑沉降。其中的K0+260～K0+422段為穿越鐵路段，須做特殊設計，本文暫不做討論。

公主大街～河南大街段道路東側為拆遷區，不考慮房屋荷載，并且對開挖面沒有嚴格要求。可采取開挖面更大、更經濟的基坑支護方式，本段采用土釘墻。其中K0+805～K0+859段穿越東溝河，采用鉆孔樁防護，施工時可視情況選用適當的止水帷幕。本段控制土層①耕填土深度較大、地下水較淺，西側在土釘設計的深度范圍內，有管線距離基坑較近，故驗算時，應注意設計放坡角度和土釘設置，嚴格控制基坑穩定性。節點段仍采用鉆孔灌注樁支護。

其余大部分路段東側都有廠房或住房，其中不乏有距離基坑較近的和新建高層建筑，這些路段需嚴格控制基坑穩定和沉降；并且大部分路段④1粉質黏土層較薄（基本在9m以內），宜采用鉆孔灌注樁防護。

嶺東路管廊在穿越交叉口處，部分采用設置倒虹段的方式避讓交叉管線和銜接標高，這些倒虹段的基坑需根據基坑實際深度，并適當加強樁基配筋和內撐強度，保證基坑安全。交叉口處需考慮分幅翻澆施工，應在交叉路線的中心線附近設置一排樁基，便于后期的翻澆施工，并另外進行翻交段驗算。

由于嶺東路標準段管廊采用滑動模版的施工方式，考慮機械空間和人的行走空間，標準段管廊基坑內緣與結構外緣控制1.5m，節點段和非標段采用普通立模施工，并且考慮在靠近嶺東路中心線的一側需要盡量減少開挖面積，節點段和非標段管廊基坑內緣與結構外緣控制1.0m。

5.設計原則

5.1 房屋荷載：平面上距離基坑邊線在基坑深度一倍以內的房屋荷載，按20KPa（平層）、15KPa/層（多層）加載，距離基坑邊線在基坑深度一倍以外的房屋荷載經驗算影響較小，不予考慮。

5.2 活載：因項目地處已建成道路的機動車道下，地面超載的等效均布荷載取20KPa；交叉口和未建成小區的出入口取30KPa。

5.3 覆土厚度：計算深度管廊標準段頂板覆土厚度3.64～5.4m（不含過鐵路段），平均覆土厚度3.8m左右；標準段結構高度4.9m；標準段墊層厚度0.7m。基坑深度按照10m計算，超過10m進行特殊設計。

5.4 地質、荷載、基坑深度差異較大的，應分別進行計算。

5.5 交叉口因車輛荷載較大，并需考慮翻澆，應做特殊設計。

6.基坑設計

本基坑工程大體有鉆孔灌注樁和放坡+土釘墻兩種形式。根據沿線土質變化情況，分段選用最不利鉆孔驗算。鉆孔灌注樁采用D=1.2m直徑，樁頂設置B×H=1200×800mm冠梁，對稱設置。兩排鉆孔樁間設1排內撐，深度加大的倒虹段采用800×800mm鋼筋混凝土支撐，普通基坑采用Φ609mm，t=16mm的鋼管支撐。

鉆孔樁選型參數如下：

A型樁：樁長16m，標準樁中距2.4m；B2型樁：樁長18m，標準樁中距1.8m；D型樁：樁長20m，標準樁中距1.8m。

6.1 工業大街～公主大街

K0+017～K0+262：土質不良段，設置A型鉆孔灌注樁，控制土層為④1層，層底埋深14.22m。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=11mm，豎向位移z=14mm。

（K0+262～K0+422，鐵路范圍，本文暫不做討論。）

K0+422～K0+537：東側有較高樓房，設置B2型鉆孔灌注樁（其中標準段樁間距d=2.4m，節點段d=1.8m），控制土層為④1層，層底埋深5.8m。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=8mm，豎向位移z=11mm。見圖1。

6.2 公主大街～河南大街

K0+567～K0+625：接近交叉口的節點段，設置B2型鉆孔灌注樁，控制土層為④1層，層底埋深9.43m。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=9mm，豎向位移z=12mm。

K0+625～K0+670：土質較好，控制土層為①層，層底埋深2.19m，并且不需避讓管線。設置2級放坡基坑+土釘墻。第一級放坡H=5m，坡比1：0.4，設置豎向×縱向=1.2m×1.0m土釘，土釘直徑18，長度7m；第二級放坡H=5m，坡比1：0.2，設置豎向×縱向=1.2m×1.2m土釘，從上往下，第1根和第2根土釘：直徑18，長度8m、第3根和第4根土釘：直徑22，長度8m。土釘在基坑兩側對稱設置。見圖2。

K0+670～K0+763、K0+781～K0+805、K0+859～K0+911、K0+941～K1+099：土質較差，控制土層為①層，層底埋深4.5m，并且需要避讓管線。設置2級放坡基坑+土釘墻。第一級放坡H=5m，坡比1：0.4，設置豎向×縱向=1.2m×1.0m土釘，從上往下，第1根土釘：直徑20，長度12m、第2根和第3根土釘：直徑25，長度12m、第4根土釘：直徑20，長度12m；第二級放坡H=5m，坡比1：0.2，設置豎向×縱向= 1.2m×1.2m土釘，從上往下，第1根和第2根土釘：直徑18，長度8m、第3根和第4根土釘：直徑25，長度8m。土釘在基坑兩側對稱設置。見圖3。

K0+763～K0+781、K0+911～K0+941、K1+099～K1+141：普通節點段，套用K0+017～K0+262段設置A型鉆孔灌注樁。

K0+805～K0+859：過河段，地下水位淺、施工時可能需要做止水帷幕。設置D型鉆孔灌注樁，控制土層為④1層，層底埋深8.6m。兩排鉆孔樁間設一層鋼管支撐。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=12mm，豎向位移z=16mm。

6.3 河南大街～南環城街

K1+203～K1+301：有高層小區且有小區出入口，設置B2型鉆孔灌注樁，控制土層為④1層，層底埋深9.28m。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=9mm，豎向位移z=11mm。

K1+301～K1+483：小區距離較遠，設置B2型鉆孔灌注樁（樁間距d=2.4m），控制土層為④1層，層底埋深9.28m。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=9mm，豎向位移z=11mm。

6.4 南環城街～嶺南大街

K1+534～K1+667、K1+763～K1+791：有距離較近的房屋，或接近交叉口車輛荷載較大。套用K0+422～K0+537段，設置B2型鉆孔灌注樁（樁間距d=2.4m）。

K1+667～K1+763：房屋較遠荷載較小，套用K0+017～K0+262段，設置A型鉆孔灌注樁。

6.5 交叉口

其余路段為交叉口路段，根據基坑深度設置B2型樁或D型樁，并在所交道路中心線位置設置一排橫向的鉆孔樁，以利后期翻澆。先施工側設置混凝土角撐。

其中，交嶺南大街倒虹段因需要與嶺南大街管廊銜接標高，管廊結構較深，基坑最大深度達11.8m，設置D型鉆孔灌注樁，控制土層為④1層，層底埋深9.28m。兩排鉆孔樁間設2排內撐，第一層為800×800mm 鋼筋混凝土支撐，第二層為Φ609mm，t=16mm的鋼管支撐。經驗算，所設樁型滿足要求，基坑側向位移x=12mm，豎向位移z=15mm。見圖4。

7.總 結

在設計過程中，要充分了解現場實際情況，針對不同的地形地貌、現狀環境以及業主及施工單位的特殊要求選擇不同的支護類型。因為涉及的客觀情況種類繁多、范圍廣泛、變化多端，更需要多方面考慮來進行設計，達到最好的設計效果。本文旨在通過對嶺東路管廊工程基坑設計的介紹，探討管廊基坑工程在不同情況下支護類型的選擇、設計，以期達到項目安全性和經濟性的最優化。

參考文獻

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作者簡介：姜何（1988-），女，2011年畢業于南京工業大學交通工程專業。工學學士。

（作者單位：上海瑞橋土木工程咨詢有限公司）