田莉梅，張景華，劉崗衛(wèi)，崔 煒，柴 茜

（1.廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

我國(guó)城市建設(shè)已經(jīng)能從多層發(fā)展到高層超高層，地上空間越來(lái)越小，為了加強(qiáng)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，地下綜合管廊工程、城市地鐵等設(shè)施應(yīng)運(yùn)而生，將給排水、電力、燃?xì)?、熱力、通信等管線及線纜集中在一起，共同管理，具有安全、高效和科學(xué)運(yùn)維的優(yōu)點(diǎn)，堪稱“城市生命線”，是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的百年大計(jì)。

管廊基坑開挖分為明挖法、暗挖法兩種方式。明挖法可以采用放坡或基坑支護(hù)等方式進(jìn)行，對(duì)于開挖深度較淺，地面空間相對(duì)較開闊的地區(qū)比較合適。暗挖法采用盾構(gòu)和頂管施工為主，造價(jià)相對(duì)較高，管廊埋深較大，適合地面建筑密集地上空間狹小的地區(qū)。對(duì)比兩種方法，從安全、經(jīng)濟(jì)、合理性出發(fā)，條件允許的前提下，采用明挖施工更為廣泛［1-5］。

廊坊城市擁有龍河、鳳河兩大水系，城市水系發(fā)達(dá)，且常年降雨量豐富，大雨過(guò)后城區(qū)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的內(nèi)澇現(xiàn)象，建設(shè)綜合管廊勢(shì)在必行。本文采用支擋式結(jié)構(gòu)排樁方案和地下連續(xù)墻兩種方案，從基坑安全、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)合理性和綠色環(huán)保等方面進(jìn)行對(duì)比分析，為富水地區(qū)狹長(zhǎng)基坑明挖施工提供依據(jù)和參考。

1 工程概況

本工程富水地區(qū)綜合管廊設(shè)計(jì)形式為鋼筋混凝土三層雙倉(cāng)結(jié)構(gòu)形式，混凝土強(qiáng)度為C30，管廊寬度9.9m，總高度12m，埋深10m，斷面圖如圖1所示。

圖1 綜合管廊斷面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，獲得各層巖土的物理力學(xué)性質(zhì)主要指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 各土層開挖坡率及滲透系數(shù)

2 支護(hù)方案

基坑支護(hù)的方式主要有排樁支護(hù)、地下連續(xù)墻支護(hù)、土釘墻和重力擋土墻等幾種。由于排樁支護(hù)具有造價(jià)相對(duì)更經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛采用。一些學(xué)者［6，7］以隊(duì)列式排樁的形式作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，根據(jù)支撐情況可分為懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)、錨拉式支護(hù)結(jié)構(gòu)、內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)撐-錨拉混合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

而地下連續(xù)墻作為支護(hù)形式，雖然造價(jià)較高，但適用于深基坑和軟土地區(qū)，應(yīng)用廣泛［8-12］。一般沿著深開挖工程的周邊軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，開挖出一條狹長(zhǎng)的深槽，清槽后，在槽內(nèi)吊放鋼筋籠，用導(dǎo)管法灌注水下混凝土注成一個(gè)單元槽段，逐段進(jìn)行，形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁，作為截水、防滲、承重結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻的強(qiáng)度、變形、裂縫滿足綜合管廊外墻要求時(shí)，可和綜合管廊外墻合二為一，從而減少工程總投資。

2.1 排樁方案

（1）方案設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1000mm鉆孔灌注樁，中心間距1400mm，樁與結(jié)構(gòu)墻間預(yù)留100mm的鋼筋網(wǎng)噴射混凝土作為防水層和保護(hù)層。豎向共設(shè)四道鋼筋混凝土內(nèi)支撐。第一道設(shè)在樁頂冠梁處，截面尺寸800mm×800mm，水平間距8m；二至四道內(nèi)支撐為鋼支撐，截面為Φ609×16，水平間距4m，分別設(shè)在綜合管廊三層板頂、二層板頂和底板頂上方2m處，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐安裝到位后，逐級(jí)施加軸向力。

鉆孔灌注樁外側(cè)設(shè)置一道高壓旋噴樁止水帷幕，樁徑Φ1000mm，間距750mm，咬合250mm，樁頂標(biāo)高為地面標(biāo)高，樁長(zhǎng)11m，穿過(guò)粗砂層的深度不小于2m。高壓旋噴樁采用三重管的施工工藝，噴射注漿采用隔孔分序方式，相鄰孔噴射注漿的間隔時(shí)間不宜小于24h，具體情況如圖2和圖3所示。

圖2 排樁方案平面圖

圖3 排樁方案立面圖

（2）結(jié)構(gòu)計(jì)算

①?gòu)椥苑?/p>

采用彈性法將基坑內(nèi)被動(dòng)土壓力看成土彈簧，用水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m反映強(qiáng)度，表達(dá)式［19］如（1）所示:

式中：

m-土的水平反力系數(shù)的比例系數(shù)（KN/m2）

c、φ-分別為土的粘聚力（KPa）、內(nèi)摩擦角（°）；

υb-擋土構(gòu)件在坑底處的水平位移量（mm），當(dāng)此處的水平位移不大于10mm時(shí)，可取υb=10mm。

整體抗滑穩(wěn)定性分析采用圓弧條分法進(jìn)行驗(yàn)算，要符合公式（2）和公式（3）：

式中：

KS-圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)；安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)的支擋式結(jié)構(gòu)，KS分別不應(yīng)小于1.35、1.3、1.25；

K s,i-第i個(gè)圓弧滑動(dòng)體的抗滑力矩與滑動(dòng)力矩的比值；

c j、φj-土條粘聚力（KPa）、內(nèi)摩擦角（°）；

采用彈性法對(duì)基坑進(jìn)行單元計(jì)算［13-14］，整體穩(wěn)定性及內(nèi)里計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

由于安全系數(shù)Ks=2.857＞1.35，滿足規(guī)范要求［15-16］。

②有限元法

采用有限元法對(duì)基坑進(jìn)行位移及內(nèi)力計(jì)算［17-18］，各工況位移及內(nèi)力云圖如圖5-圖8所示。

圖5 開挖至-5.3m工況位移

圖8 控制工況剪力

圖6 開挖至-15.15m（坑底）工況位移

圖7 控制工況彎矩

2.2 地下連續(xù)墻方案

（1）方案設(shè)計(jì)

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻［19］，如圖9、圖10所示。墻厚500mm。豎向共設(shè)四道內(nèi)支撐，每道內(nèi)支撐應(yīng)在開挖基坑至支撐下500mm時(shí)進(jìn)行施工。第一道內(nèi)支撐位于樁頂冠梁處，為混凝土結(jié)構(gòu)，截面800mm×800mm，水平間距8m；第二至四道內(nèi)支撐，分別設(shè)置在綜合管廊二層板頂、三層板頂、底板頂上方2m處，為鋼結(jié)構(gòu)，截面為φ609×16，水平間距4m。鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐安裝到位后，應(yīng)立即逐級(jí)施加預(yù)加軸力。

圖9 地下連續(xù)墻方案平面圖

圖10 地下連續(xù)墻方案剖面圖

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

①?gòu)椥苑?/p>

采用彈性法對(duì)基坑進(jìn)行單元計(jì)算［13-14］，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=3.771＞1.35，滿足規(guī)范要求［20］，內(nèi)力及位移包絡(luò)圖如圖11所示。

圖11 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

②有限元法

采用有限元法對(duì)基坑進(jìn)行位移及內(nèi)力計(jì)算［17-18］，各工況位移及內(nèi)力云圖如圖12-圖15所示。

圖12 開挖至-5.3m工況位移

圖13 開挖至-15.15m工況位移

圖14 控制工況下豎向彎矩

圖15 控制工況下水平向彎矩

3 方案對(duì)比分析

深基坑支護(hù)方案要從安全支護(hù)、施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保三方面進(jìn)行綜合對(duì)比，選擇最優(yōu)方案。

3.1 安全適用

在地下水豐富的地區(qū)，排樁加旋噴止水樁的支護(hù)方式與地下連續(xù)墻相比，施工風(fēng)險(xiǎn)更大［21-22］，如表3所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)影響因素及定性分析

3.2 施工工藝

從場(chǎng)地條件、施工機(jī)械、工序作業(yè)和工期四方面進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果為：（1）排樁法施工作業(yè)面布置靈活，場(chǎng)地適應(yīng)性好；而地連墻布置受周邊限制。（2）排樁法施工機(jī)械主要使用鉆機(jī)（沖孔鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)等）、小型起重機(jī)、鋼筋籠制作設(shè)備、水下砼導(dǎo)管及其他輔助設(shè)施、高壓泵、噴射管；而地連墻施工主要使用抓斗挖槽機(jī)、沖擊鉆機(jī)、大型履帶起重機(jī)、鋼筋籠制作設(shè)備、水下砼導(dǎo)管及其他輔助設(shè)施。（3）施工工序：排樁法采用樁位測(cè)放-樁位對(duì)中-機(jī)械成孔-沉渣測(cè)定及清孔-鋼筋籠制作及吊裝-水下混凝土澆筑；地連墻施工工序?yàn)闇y(cè)量放線-導(dǎo)墻制作-槽段劃分-泥漿制作-開挖成槽-清槽-吊放接頭管-鋼筋網(wǎng)制作及吊裝-水下混凝土澆筑-接拔接頭管。（4）每延米工期：綜合考慮土層等因素，旋噴樁+支護(hù)樁為2.2天；地連墻施工為2.5天。

3.3 周邊環(huán)境影響

在攔擋淤泥和止水方面，排樁方案需設(shè)置一道止水帷幕，而鉆孔壓密注漿法不易保證止水，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)周邊環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)大（周圍建筑物和地面產(chǎn)生不均勻沉降等）［23］。

地下連續(xù)墻具有機(jī)械化程度高、整體性好、質(zhì)量易于控制、兼做止水防滲結(jié)構(gòu)等。因此，在地下水位較高的軟土和砂土等多種地層條件、復(fù)雜環(huán)境下，地下連續(xù)墻方案對(duì)周圍環(huán)境影響更小。

3.4 經(jīng)濟(jì)性

單位體積排樁的直接工程費(fèi)比地下連續(xù)墻更經(jīng)濟(jì)，但排樁方案結(jié)合旋噴止水措施后，兩者造價(jià)基本接近。隨著施工裝備技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械成本降低，同時(shí)人工成本大幅攀升，地下連續(xù)墻因施工機(jī)械化程度較高，且地下連續(xù)墻可作為綜合管廊的外墻，大大節(jié)約直接工程費(fèi)，因此得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)排樁和地下連續(xù)墻兩個(gè)方案進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下。

（1）地下連續(xù)墻具有剛度大，可承重、擋土、截水、抗?jié)B好、可同時(shí)與擬建綜合管廊外墻合二為一等優(yōu)點(diǎn)；對(duì)周圍建筑物、地下設(shè)施影響小，可用于復(fù)雜的地質(zhì)條件。缺點(diǎn)是對(duì)施工設(shè)備和人員要求高，廢泥漿處理量大。

（2）排樁支護(hù)施工較易，造價(jià)較低，適用于土質(zhì)較好的地區(qū)，對(duì)于軟土和地下水量大地區(qū)，排樁需要與止水帷幕結(jié)合施作，需要充分考慮止水效果及失效后的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)價(jià)格優(yōu)勢(shì)不明顯。

（3）隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對(duì)公共安全的關(guān)注度也越來(lái)越高，科技進(jìn)步促使大型機(jī)械設(shè)備的成本逐步下降，因此，地下連續(xù)墻在工程建設(shè)過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯。