長距離小截面基坑支護方案選型研究

袁亮

（江蘇省地質礦產局第三地質大隊，江蘇鎮江212000）

0 引言

近年來，隨著中國城市化建設的不斷發展，地下管線也更加復雜。為了更好地管理各類管線在地下空間中的布置，提出了綜合管廊施工管理方案[1-3]。綜合管廊是一種用于容納各類管線，并有可供檢修人員通行過道的一種地下管廊。雖然管廊的截面尺寸較小，但其經常穿越城市、車站等建筑物周邊，因此，綜合管廊的埋置通常需要進行單獨的基坑設計。

“排樁+內支撐”支護結構是一種可靠的基抗支護結構[4-8]，也是目前應用深基坑工程中采用最為廣泛的一種支護形式。劉文剛等[5，9]對排樁+內支撐支護結構在綜合管廊基坑開挖工程中的應用進行了研究，結果表明，該支護方式能夠很好的適用于土質條件較差的基坑支護工程中。雷雅玲等[4]結合中烏研究院項目，詳細分析了改支護結構在基坑支護中的可靠性。

鋼板樁[10-13]是一種環境污染小、施工速度快的支護結構，在城市基坑支護工程中占有重要地位。王瀟宇等[14]通過現場試驗的方式研究了大截面鋼板樁在軟土地區綜合冠梁基坑支護項目中的應用，并指出，大截面PU600×210型鋼板樁在管廊基坑支護工程中具有良好的經濟性、力學特性；何良德等[15]以芒稻河特大橋深水超長鋼板樁圍堰項目為背景，通過ABQUES軟件研究了不同施工流程下鋼板樁圍堰的變形特性和力學規律；盧春亭等[10]針對鋼板樁施工的問題，分別研究了屏風式插打和逐一式插打對鋼板樁施工效率的影響，并針對鋼板樁施工提出了一些建議。

綜上所述，排樁+內支撐的支護結構具有較好的支護效果，而鋼板樁支護結構具有較為快捷的施工速度的。然而兩者在長距離、小截面基坑中的對比研究較少。因此，本文以鎮江市某綜合管廊基坑開挖項目為例，針對排樁和鋼板樁在基坑支護中的效果進行研究，提出最優方案，以指導工程施工。

1 項目背景

1.1 工程背景

鎮江市某路段新建雨水箱涵采用行車吊吊裝施工，基坑兩側設置龍門架。根據建設單位要求主要針對K0+020~K0+240段箱涵基坑兩側進行支護設計，基坑開挖面寬度4.6m，基坑挖深4m（場地標高約6.40m），長約220m，支護斷面如圖1所示。

圖1 箱涵基坑支護斷面

1.2 周邊環境

該箱涵基坑周邊環境復雜，一側臨近鎮江市某公司舊址（如圖2所示），該建筑為3層淺基礎磚混結構，是重點文物保護單位。雖然曾進行過加固改造，但并未對其基礎結構類型進行改造，且其距離基坑邊界最短距離約5m，容易受到基坑開挖的影響，因此該區段的基坑支護結構需要重點設計。

1.3 地質條件

依據地質勘探報告，該區段的地質條件參數如表1所示。

圖2 周邊建筑

表1 基坑支護設計參數

2 分析模型

2.1 模型建立

為了較好地分析基坑開挖對周邊建筑物的影響和吊車行駛對基坑穩定性的影響，采用MIDASGTS建立對應的分析模型。如圖3所示，該分析模型的長度取200m，箱涵基坑開挖深度取4.0m，開挖寬度取4.5m。考慮到基坑開挖對已有建筑的影響，將美孚公司的3層房屋建立在模型中。

圖3 分析模型

圖4 分析模型邊界約束及荷載

合理的邊界條件有利于減小分析模型邊界對分析模型的影響。因此，在模型的底部設置了固定端約束，限制土體的水平和豎直位移；在模型的四周分別設置法向的約束，限制土體的水平位移，見圖4。考慮到施工過程中會有車輛行駛等原因，在基坑的兩側設置一定寬度的施工荷載，大小設置為20kPa。依據吊車滿載時的質量和移動時輪圈與地面的接觸面，設置吊車的附加荷載為85kPa。

為了對比“排樁+內支撐”與“鋼板樁+內支撐”對箱涵基坑的支護效果，分別建立了兩種分析模型。對于“排樁+內支撐”的支護結構，采用直徑700mm的旋挖鉆孔灌注樁，樁長6m，樁間距設置1100mm，冠梁尺寸為900mm×700mm，內支撐的采用邊長700mm的矩形支撐。為了保證該基坑開挖過程中的止水效果，樁間采用高壓旋噴樁加固，建模效果如圖5（a）所示。“鋼板樁+內支撐”支護結構中，鋼板樁采用Ⅳ型拉森鋼板樁，樁長6m，冠梁和連梁均采用400×400的H型鋼施工，建模效果如圖5（b）所示。

2.2 單元參數

依據地質勘探報告中對于各層土體的描述和具體的基坑支護設計方案，設計對應的材料參數（見表2）和結構參數（見表3）。

圖5 支護模型

表2 模型材料參數

表3 結構單元參數

2.3 施工工況

“排樁+內支撐”施工工況定義：①激活土體單元和建筑物單元，并進行初始地應力平衡；②激活高壓旋噴樁、鉆孔灌裝樁、冠梁及連梁單元，并添加施工荷載；③基坑一次性開挖至坑底，殺死基坑內部的土體單元；④添加吊車荷載。

“鋼板樁+內支撐”施工工況定義：①激活土體單元和建筑物單元，并進行初始地應力平衡；②激活鋼板樁單元，并添加施工荷載；③基坑開挖至-1m，殺死第一部分的土體單元；④激活鋼板樁冠梁和內支撐單元；⑤基坑開挖至坑底，殺死第二部分的土體單元；⑥添加吊車荷載。

3 計算結果分析

3.1 基坑水平位移分析

基坑支護樁水平位移分析結果如圖6所示。兩種支護體系均在中部出現最大的水平位移。分析原因，吊車的附加荷載和施工荷載是該支護段產生較大水平位移的主要原因。對比兩種支護結構產生的水平位移，可以發現，排樁支護體系產生的最大水平位移為8.4mm，鋼板樁支護體系產生的最大水平位移為8.3mm，鋼板樁支護體系產生的位移體與排樁支護體系產生的位移相近。分析原因，排樁支護體系是由排樁與混凝土內支撐組合而成的支護結構，具有較大的結構剛度，因此產生的水平位移較小；鋼板樁[14，16]是由鋼板與鋼支撐組合而成的支護結構，當吊車荷載出現在基坑周邊時，鋼板樁支護基坑的空間效應充分發揮，因此也具有較好的變形控制效果。

3.2 周邊沉降分析

如圖7所示，排樁支護體系的最大沉降量為1.89mm，鋼板樁支護體系的最大沉降量為1.89mm，兩者在數值上的差異較小，均能滿足建筑物沉降控制的要求。

圖6 支護樁水平位移分析結果云圖

圖7 基坑開挖周邊沉降云圖

以1mm沉降量為沉降控制界限范圍，可以發現，兩種支護體系的沉降影響范圍均在距離基坑周邊30m，建筑物已經被包含在沉降影響范圍中。因此，當吊機行進到建筑物區段的基坑上時，一方面要加強對建筑物變形的監測；另一方面，要加快施工速度，避免吊機在該區域長時間停留。

3.3 效益分析

通過對基坑水平位移的研究，發現鋼板樁支護體系的變形控制效果優于排樁支護體系。通過對基坑沉降的影響研究，發現兩種支護體系的支護效果近似。

根據項目規劃書所述，該溝槽基坑支護項目的工期較為緊張，而排樁支護體系中的混凝土形成強度需要一定的時間。因此，從施工工期的角度來看鋼板樁支護體系優于排樁支護體系。

又因為基坑的周邊存在道路，且在施工過程中，道路依舊需要滿足行人通行的要求，而排樁支護體系在施工過程中容易對周邊環境造成影響。因此，從環境保護的角度來看，鋼板樁支護體系優于排樁支護體系。

4 施工效果

通過分析，最終該項目采用“鋼板樁+內支撐”的支護形式。考慮到基坑鋼板樁施工及吊車行走的振動可能會影響建筑物，因此在基坑與建筑之間施工了兩條隔振帶。

施工過程中，當吊車行駛到該區段時，基坑監測的水平位移分別為7mm、7mm、9mm，與有限元分析的結果相近。建筑物的沉降量為1mm左右，小于有限元計算的結果。

5 結論

本文通過MIDASGTS有限元分析，結合鎮江市某長距離管槽基坑開挖項目，研究了排樁支護體系與鋼板樁支護體系對于該類基坑的適用性，具體結論如下：

（1）對于長距離、小截面的基坑，且有較大集中荷載分布時，在大排樁間距的情況下，鋼板樁支護體系的支護效果優于排樁支護體系的支護效果。

（2）對于周邊存在古建筑的基坑，在施工過程不僅要加強對建筑物變形的監測，同時也要盡量減少基坑施工過程中產生的振動，防止對建筑產生影響。

（3）通過與監測數據的對比，可以方向，采用數值模擬的方式對基坑支護方案進行設計，計算結果可靠性較高。