嚴寒地區超長深基坑支護的設計施工一體化

高 闊

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本溪市威寧大街地下綜合管廊基坑工程是地下綜合管廊施工的基礎，該管廊基坑開挖最長設計里程為K0＋800～K2＋800。基坑標準深7.10～8.15 m，底寬約12.0 m，局部加深至12.4～15.0 m。該基坑具有超長、較深及緊鄰城市交通干線的特點，且在經歷冬季嚴寒的條件下，因此應加強設計施工一體化協調，并應對特殊環境、重點工況、關鍵工序、施工部位等情況重點控制。

1 工程概況

1.1 工程項目概述

遼寧省本溪市威寧大街地下綜合管廊EPC工程，范圍自沈本產業大道至太子河梁家大橋，建設總長度約6.07 km（圖1）。管廊標準段采用平行三倉布置形式，左側為電力倉、中間為綜合倉、右側為燃氣倉。電力倉凈高3.55 m，凈寬1.80 m；綜合倉凈高3.55 m，凈寬4.30 m；燃氣倉凈高3.55 m，凈寬1.60 m。

圖1 綜合管廊布置示意

本工程基坑有開挖較深、一次開挖長的特點，且基坑兩側深度范圍內有雜填土、碎石等，需要基坑支護處理。基坑一側緊鄰威寧大街道路，車流量較多且基坑開挖工期緊，擬于農田一側采用放坡開挖，緊鄰道路一側則采用鉆孔灌注樁（倒虹段）加錨索、鋼管樁加錨索支護2種不同方案。

1.2 特殊環境特點

本工程敷設于威寧大街道路北側寬10 m綠地控制線范圍內，且在已建道路紅線邊，靠近管廊側已敷設1根φ0.6～1.0 m的雨水管線，管位位于機動車道邊線外側僅2 m左右，管廊施工范圍內主要為農田耕地，且局部路段跨越魚塘和房屋。管廊地下由雜填土、卵石、強風化砂巖、中風化砂巖等多種類型巖土構成地層，其中在中風化石灰巖中存在大量的發育完全的串珠、葫蘆狀溶洞，鉆孔見洞率83.8%，地質情況較為復雜多變。

工程所在區地處中緯度，屬中溫帶，冬季寒冷期長，最低溫度可達－30 ℃。夏季降水集中，濕度較大，地下水類型為孔隙潛水，主要賦存于雜填土及卵石層中，地下水主要補給來源為太子河流域側向滲流及大氣降水，水位埋深4.0～6.7 m，且對混凝土結構具有微腐蝕性，嚴峻的氣溫及復雜的地質給冬季施工及基坑降水帶來一定的難度。

2 基坑支護設計

2.1 超長基坑（2 000 m）支護設計考慮因素

因管廊施工開挖工期緊、任務重、現場條件有限等難點，故本工程一次開挖段最長達2 000 m，并以此作為一個施工段。

2.1.1 地質條件變化的影響

當基坑為超長基坑時，工程沿線地質情況往往變化較大，通常將分為多種類別。以本工程為例，基坑下地質情況分為以下幾大類：石灰巖溶洞區、頁巖區、卵石層區、砂土層區、黏土層區、淤泥質土層區（原河道或水塘處）等。因此在進行超長基坑設計時，應根據不同地質情況對基坑支護方案進行分類，采用不同的支護形式及地基處理方案以滿足基坑安全性需要。

本工程對溶洞區采取填充處理，對淤泥質土層區則采用換填及壓密注漿加固等來改善基坑底部的土層性質。

2.1.2 周邊環境的影響

超長基坑周邊環境變化較大，沿線存在既有建筑物、已建市政雨水管線、暖棚、農田、已建道路、高壓鐵塔等。基坑設計時應根據周邊環境變化采取不同的支護措施。

本工程中針對高壓鐵塔、雨水管線等保護性建（構）筑物，分別采取鋼管樁支護、鉆孔灌注樁支護等剛度較強的支護形式以減小施工期間的變形；對周邊環境為農田、暖棚等則采取放坡開挖的施工方案。根據周邊環境的不同，工程設計時也應針對各種保護建（構）筑物設置不同的監測方案。

2.1.3 基坑深度的影響

超長基坑的開挖深度一般會有較多變化。本工程中常規基坑深度約7.2 m，倒虹段處基坑深度將加深2～3 m，因此超長基坑設計時應根據基坑深度變化選擇不同種類的支護形式。

2.1.4 形狀變化的影響

超長基坑另一個經常遇到的問題是基坑形狀隨著結構變化而改變，因此在基坑支護設計中應充分考慮基坑形狀、寬度等的變化，采取不同的支護、支撐形式以滿足基坑安全性要求[1-4]。

2.2 考慮施工過程的設計方案優化

根據地質條件、周邊環境及本工程的實際情況，從施工工藝、工程安全、經濟性及當地的施工經驗角度出發，基坑支護可采用鉆孔灌注樁及鋼管樁2種方案進行比選。

2.2.1 鋼管樁設計優化

結合基坑周邊地質狀況，靠近威寧大街道路側的基坑采用當地常用的φ159 mm（壁厚6 mm）@400 mm鋼管樁結合錨索支護；另一側較為空曠，采用放坡開挖＋噴射混凝土護坡（圖2）。

圖2 鋼管樁支護斷面

鋼管樁樁徑小，施工靈活，根據現場施工試驗反饋，鋼管樁施工較為順利。

2.2.2 鉆孔灌注樁設計優化

基坑靠近威寧大街道路側的既有道路、高壓鐵塔、雨水管線時，采用φ800 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁結合錨索支護進行保護；另一側較為空曠，采用放坡開挖加掛網噴射混凝土護坡。根據現場施工試驗反饋，由于卵石層內存在較大塊徑石塊，故鉆孔樁實施較為困難。

2.2.3 方案比選優化

2種支護方案的比選情況如表1所示。

表1 支護方案比選

綜上所述，基坑標準段支護采用鋼管樁加錨索，當基坑周邊環境變化或者基坑深度變化時，存在鋼管樁與鉆孔灌注樁支護變化交界面（圖3），而位于倒虹段、鄰近高壓鐵塔或雨水管線的基坑則采用鉆孔灌注樁加錨索施工。

支護結構過渡段鉆孔灌注樁應向鋼管樁段多打1～2根，以確保過渡段的基坑安全。基坑內側鋼圍檁應貫通以確保支護結構受力均勻、可靠。

圖3 鋼管樁與鉆孔樁交界面支護平面

圖4 綜合管廊開挖分段平面布置

現場實施時，應盡量縮短圍護樁銜接段的施工支護時間，掛網噴射混凝土、錨索注漿及腰梁施工時均摻加高效早強劑，使噴射混凝土與巖面、注漿錨固體及腰梁盡快達到設計強度，縮短錨索錨具安裝及張拉完成時間，加快基坑開挖施工進度。

2.2.4 設計施工一體化

1）設計先行，施工及時反饋，采購選型跟進，確保進度。

2）提前介入施工圖設計，比選優化方案，加快項目進度。

3）基坑支護優化：原設計的混凝土灌注樁支護因不良地質情況及工期緊等原因優化成鋼管樁，節約工期，降低成本；結合管廊沿線分區設置鋼筋加工場地、混凝土泵車澆筑平臺、汽車吊吊裝平臺等，設計階段即考慮此段區域支護局部加固，避免二次設計、施工。

4）降水井優化：φ273 mm無縫鋼管抽縫處理。

5）建議采用符合當地環境、節能降耗的新工藝、新材料。

6）按需招標采購，設計配套跟進，備貨進場協調。

3 基坑支護施工

3.1 總體施工組織

根據工程總進度計劃要求，結合本項目特點和施工任務，遵循工區路線距離適中、作業面不互相干擾、施工管理便利的原則，將管廊施工段劃分為5個工區平行組織施工（圖4），監控中心單獨設一個分區。

基坑開挖遵循先支護后開挖的原則，對稱、分層、分塊、限時進行，利用時空效應原理，盡量減少基坑無防護的暴露時間，嚴格控制基坑變形；同時提高坑內土體抗力，從而確保施工安全，并減少坑底隆起和圍護結構的變形量。

3.2 施工關鍵工序

3.2.1 碎石層鋼管樁冬季施工

冬季施工時凍土層較厚，并且施工區域土質較差，利用潛孔錘引孔破碎凍土及碎石，然后加工鋼管樁，樁頭處形成削尖后采用液壓振動錘打入土體（圖5），減少對鋼管樁的破壞。最后在鋼管樁頂部進行鋼筋盤梁以形成一個穩定的深基坑支護體系（圖6），滿足了基坑的穩定性，合理壓縮工期，施工能耗大大降低。

圖5 鋼管樁施工

圖6 鋼管樁麻花式盤梁施工

3.2.2 回填土預應力錨索施工

在工程施工中，由于土質地層的不確定性，錨索成孔往往會遇到不同的困難。傳統錨索機在雜填土或碎石回填層中成孔困難，成孔過程中鉆頭往往會卡在巖石層中無法拔出或因為土質松散、間隙大而不能穩定地成孔，坍孔成為普遍現象，導致施工效率較低，增大施工成本。在成孔后注漿也是一大問題，在雜填土孔洞中注漿時，漿液會沿縫隙四處流散，導致注漿量增大。在工作面不好的環境下，傳統錨索調整錨索開孔高度及位置需要機械加人工來輔助完成。

本次施工設備采用先進的GTM15-2型號錨索機械設備（圖7、圖8），能適用于全地層土質施工。采用雙動力機組，自動調節鉆桿系統，加工半圓型合金鉆頭，利用套管全程跟進成孔來保證錨索成孔的質量及施工效率。

4 過程監測與控制

鋼管樁頂部水平位移監測點應布置在鋼管樁頂部，監測點水平間距15～20 m。根據設計圖紙，鋼管樁頂部有2 m高度的邊坡，為保證監測人員的安全，擬在鋼管樁頂部貼設反光片進行監測。

圖7 預應力錨索現場鉆孔施工

圖8 錨索加鋼管樁支護示意

威寧大街道路豎向位移監測點應布置在道路一側，距離邊坡邊緣20 cm左右，監測點水平間距15～20 m。擬在邊坡頂部埋設長40 cm鋼釬作為監測標志。

4.1 鋼管樁頂部水平位移監測

根據現場實際水平位移監測數據，繪制鋼管樁頂部水平位移曲線（圖9），文中選取B3、B4、B5、B6、B7、B8這6個監測點。由圖9分析可知，鋼管樁頂部水平位移隨土方開挖的推進逐漸增大，在第131天土方開挖、管廊主體結構施工及回填完成后趨于穩定，最大位移為8 mm。其余單元的水平位移也在土方開挖、管廊主體結構施工及回填完成后基本趨于穩定，且都在規范及設計文件要求范圍之內，并趨于穩定，說明鋼管樁加錨索這種支護結構在控制管廊超長基坑支護施工水平位移方面是切實可行的。

圖9 鋼管樁頂部水平位移曲線

4.2 坡頂豎向位移監測

根據現場實際豎向位移監測數據，繪制坡頂豎向位移曲線（圖10），文中選取P1、P2、P3、P4、P5、P6這6個監測點。由圖10分析可知，觀測點P1豎向位移最大，位移量為6.6 mm，其余監測點豎向位移都比較小，且都在規范及設計文件要求范圍之內，并在管廊主體結構施工及回填完成后趨于穩定。由此可見，鋼管樁加預應力錨索支護在控制長條形基坑水平、豎向位移方面均能夠取得較好的效果。

圖10 坡頂豎向位移曲線

5 結語

本溪市威寧大街地下綜合管廊工程通過設計施工一體化方式，比選確定以鋼管樁加預應力錨索支護為主的支護體系。

鋼管樁加預應力錨索支護體系相比傳統的灌注樁加預應力錨索支護體系工程造價大大降低[5-8]，同時工期方面比預計提前，縮短了建設周期，加快了建設進度。實踐證明，該支護結構適合當地特殊環境，受力簡單明了且水平、豎向位移可控，具有推廣價值。