谈软土中综合管廊的基坑稳定设计

梁俊玮

（上海市政工程设计研究总院集团佛山斯美设计院有限公司， 上海 528253）

0 引言

城市综合管廊是城市市政基础设施的一个建设热点。综合管廊是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施。综合管廊有以下优点：在城市土地资源日益紧张的今天，节约了城市用地；避免因地下管线维修频繁开挖路面，便于管线的维修及日常管理；减少城市架空电线杆等。综合管廊也有一些缺点，例如由于综合管廊需要一定的覆土厚度（一般不少于2.5m），加上管廊主体结构的高度，基坑深度一般达6m 以上，如有其他条件限制，深度可达10m 左右。且综合管廊为沿线铺设，因此基坑工程费用很高，特别在珠三角地区，软土分布广泛，深基坑往往要进行加固设计，进一步增加了基坑费用。该文着重讨论软土中综合管廊的基坑稳定设计。

1 规范关于稳定性的要求及分析

根据国标规范，基坑整体稳定性K要求如公式（1）所示。

式中：c、φ-第条土条滑弧面处土体黏聚力、内摩擦角，q-第条土条附加荷载分布值，b-第条土条宽度，ΔG-第条土条自重，θ-第条土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角，u-第条土条滑弧面上的水压力，-第条土条滑弧长度。

抗倾覆稳定性K要求如公式（2）所示。

式中：∑M-主动区倾覆作用力矩总和，∑M-主动区倾覆作用力矩总和。

抗隆起稳定性K要求如公式（3）所示。

式中：γ、γ-分别为基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然重度，l-挡土构件的嵌固深度，N、N-承载力系数，-基坑深度，-挡土构件底面以下土的黏聚力，-地面均布荷载。

从以上公式可归纳出，要提高基坑的稳定性，需要提高被动区的土抗力。提高被动区土抗力可采用以下方式：1）扩大被动区的土体范围，可采用加长支护桩的方法，使更多的坑内土体参与抵抗基坑的圆弧滑动。2）提高被动区土体的抗剪强度，即提高以上公式中的（黏聚力）、（内摩擦角）的数值，常采用的方式为对坑底一定范围的土体进行加固。坑内土体加固的常用方式为注浆加固、搅拌桩加固、旋喷桩加固，3 种加固方式旋喷桩加固效果最好，但费用最高，可达搅拌桩加固的3 倍；注浆加固效果一般，适用土层受限多。水泥搅拌桩价格较低，且加固效果能达到工程要求，实际工程中应用最多。搅拌桩加固土体平面布置的形式为满堂式、格栅式、抽条式、裙边式、墩式。为节省工程投资，常用的加固平面布置形式为格栅式及裙边式。此外，要提高抗倾覆稳定性，可在基坑底部设置刚性铰，具体办法为主体结构底板浇筑完成后，在基坑边和主体结构之间浇筑素砼传力带形成刚性铰，可降低倾覆力矩。在浇筑完底板传力带后，如基坑有2 道以上内支撑，需要拆除位于主体结构浇筑范围内的支撑，拆除支撑后支护桩的跨度突然增大，为了支护桩的强度、基坑变形能满足要求，须选择截面强度、刚度较高的桩型，如软土中的支护钢板桩，一般选择Ⅳ型钢板桩。以下结合案例对基坑稳定性设计进行分析。

2 工程案例及分析

案例一：佛山市顺德区伦教某项目综合管廊，标准段基坑支护设计断面如图1 所示。该项目为支线单仓综合管廊，管廊标准段基坑深度为5.0m～7.0m，基坑宽度为9m，采用12m 拉森Ⅳ钢板桩+内撑支护。内支撑有2 道，采用φ508mm×12.5mm 钢管，第一道撑距地面0.25m～1.3m，根据计算调整，一、二道撑的距离为2.5m。围檩采用双拼HM500×300×11×18 型钢，坑底设置一道素砼传力带。地层从上至下依次为素填土、淤泥质土、粉砂、粉质黏土、中粗砂、砂质黏性土、强风化岩等。管廊坐落于淤泥质土或粉砂层，且在支护深度范围内土层基本为软土。为增强基坑的整体稳定性、抗倾覆稳定性，基坑坑底采用格栅式搅拌桩加固处理，搅拌桩规格为700@500mm，置换率为0.8。施工工序如下。道路整平、插入钢板桩→坑底搅拌桩加固→基坑开挖至围檩以下→第一道围檩支撑施工→开挖至第二道围檩以下→第二道围檩支撑施工→基坑开挖至坑底→管廊主体施工→浇筑底板传力带→拆除第二道支撑→管廊主体施工→基坑回填→拆除第一道支撑、拔出钢板桩。

图1 案例一基坑标准断面（标高单位：m，其余mm）

案例二：东莞市滨海湾新区某项目综合管廊，标准段基坑支护设计断面如图2所示。该项目为主线2～4仓综合管廊，管廊标准段深度约为6m，基坑宽度为14m，采用21m 拉森Ⅳ钢板桩+内撑支护。内支撑有1 道，采用609mm×16mm钢管，围檩采用双拼HM500×300×11×18 型钢，坑底设置一道素砼传力带。地层从上至下大致为杂填土或素填土、淤泥、中砂、粉质黏土、砾砂、全风化花岗岩等。标准段管廊底板基本坐落于淤泥层，由于基坑宽度较大，为节省投资，基坑坑底采用裙边搅拌桩加固处理。施工工序与案例一类似，不再赘述。

图2 案例二基坑标准断面（标高单位：m，其余mm）

2个案例均采用理正深基坑支护结构设计7.0软件电算，基坑等级按二级，地面超载均按20kPa 计算，计算结果见表1。

从计算结果可看出，除案例一的抗倾覆稳定性不满足外，其余指标均能满足规范要求。由于基坑计算模型为半无限模型，即基坑底一侧宽度为无穷大，而实际中管廊的基坑宽度为有限且坑底都已做搅拌桩格栅式加固（案例一置换率0.8），因此当坑底主动土压力作用于支护桩使支护钢板桩有绕最下道支撑转动发生倾覆破坏的趋势时，坑底被动区加固土能够发挥出其被动土压力，因此可根据经验判断案例一的抗倾覆稳定性能满足安全要求。目前该项目已经顺利施工完成，基坑未发生安全事故。

反观案例二，虽然计算结果各项指标满足规范要求，但在基坑开始施工时却发生了坑顶和坑底整体位移过大的情况，现场照片（图3）及基坑监测结果（见表2）。

表2 K3+120 右支护桩顶位移记录表

图3 案例二基坑现场倾覆照片

从照片和监测记录可看出，基坑位移在短时间内急剧增大，明显超出了监测规范的每日位移增长限值。设计人员随后联合勘察人员重新踏勘现场及分析设计图纸，认为基坑发生破坏有以下原因：1）虽然案例一、二的淤泥抗剪强度指标相差不大，但是从现场的实际情况来看，案例二的淤泥明显流动性更大，这从案例二项目的排水管道3m 深基坑实际需要用9m、甚至12m 拉森钢板桩支护可得到印证。对一般土质3m 深基坑，采用6m 拉森钢板桩支护即可，但该项目6m 拉森钢板桩支护的基坑，第二天基坑底部就有明显的隆起，钢板桩外侧土有明显裂缝。2）案例二支护断面虽然设计了坑底裙边加固，由于中部仍有一定宽度未加固，即仍有潜在破裂面从中穿过的可能性，加之只有一道支撑，因此基坑仍然发生了绕基底转动和绕最下道支撑的倾覆破坏。

考虑到坑底采用满堂加固费用增加较高，且搅拌桩需要龄期形成强度，还须经过完整性、强度检测合格才能开挖。经过比较后基坑采用以下加强措施：1）支撑钢板桩换成HUW 工法桩，即工字钢+U 型钢板桩支护的形式，桩长不变，增加支护结构的刚度和强度。2）在第一道支撑下方2m再增加一道内支撑，增加结构的抗倾覆能力。增加的HUW工法桩及钢支撑均为成品，对工期影响较小。HUW 工法桩截面如图4 所示。

图4 HUW 工法桩截面（单位：mm）

经计算，各项稳定性计算结果见表1。根据基坑第三方监测报告，支护加强后的管廊基坑始终处于安全可控状态。目前该项目管廊段已施工完毕。

表1 案例各项指标计算结果

总结案例一、二基坑采用的支护有差别的原因：1）案例一为淤泥质土，案例二为淤泥，淤泥的天然孔隙比比淤泥质土的要大，淤泥性质稍差。2）东莞滨海湾新区为东莞大力开发的新区，新建项目非常多，且该地区靠海，很多用地均为填海造陆或者需要填土加高。由于工程项目施工多、面积大、填土层厚度达到几米，造成原来地表的淤泥在大量的填土挤压下一直处于流动的状态。淤泥的自稳能力进一步变差，地质剖面如图5 所示。

从图5 看出，2-3 淤泥质土层由于受到左侧1 层填土的挤压、在填土厚度较小的区域有上涌挤出的趋势，同时在流动过程中性质变差，定义为淤泥（2-2 层）。因此案例二管廊基坑采用的支护比案例一要强一些。

图5 案例2 地质局部剖面

3 结语

结论如下。1）软土地区的管廊基坑设计经常会遇到稳定性指标不满足的情况。如要将稳定性指标提高至规范要求，则支护措施费用须增加较多。因此基坑应结合实际经验及项目特点进行设计，例如案例一的倾覆稳定性计算，支护桩并不需要过分加长，由于基坑宽度不大，坑底采用格栅式加固也能取得较好的效果。2）基坑支护设计不能仅根据几个基坑设计参数，也需要结合场地地质特点和现场踏勘进行。有条件的可以做试验段，或结合邻近项目的经验，为设计提供更多支撑。当然，在该过程中，也需要岩土工程师去甄别信息的有效性及真伪。