上海市某较长顶管的工作井基坑围护工程的设计

冯春莹

(上海林同炎李国豪土建工程咨询有限公司，上海市 200437)

0 引言

随着国民经济和社会的发展，我国城市化和地下空间开发利用的进程越来越快，基坑工程也得到了很多的应用，取得了较快的发展，但由于基坑围护体系多属临时结构，无论设计还是施工，对围护工程重要性的重视程度都普遍不够，易引起基坑工程的安全事故。相关资料表明：源自设计和施工组织管理方面的原因占了绝大部分，也有极少数源自基坑工程复杂性造成的偶然性原因，因此，应该从基坑围护的设计方案开始就对工程的安全性予以足够的重视。本文结合某医院下穿城市道路工程的工作井围护结构设计方案，具体分析了复杂工程条件下基坑围护设计应重视的一些问题，为深基坑围护工程的发展积累经验。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

工程为某医院下穿枫林路地下通道工程，采用顶管法施工，顶管始发井位于枫林路东侧，顶管接收井位于枫林路西侧。始发井基坑深度约11.95 m，接收井基坑深度约11.72 m，工作井围护结构均采用SMW工法桩，其中始发井东侧利用该工程地下室地下连续墙作为围护结构。地下通道顶管段长度约为76.7 m，通道覆土约为5 m。根据通道净空要求及顶管施工定型设备尺寸，过街通道外包尺寸为4 300 mm×6 000 mm（高×宽），管片厚度500 mm。图1为工程平面图。

1.2 工程周边情况

地下通道穿越的枫林路下管线分布有：上水Φ300、上水 Φ150、雨水 Φ300、雨水 Φ1 200、煤气Φ300、煤气Φ250、电话18孔、电力4孔等地下管线。通道穿越的中山医院范围内房屋有：办公室2层（砖混结构）、配电房2层（砖混结构）、垃圾房1层（砖混结构）。

1.3 工程地质条件

根据地质勘察报告，工程所处地层情况自上而下为：①杂填土、②1褐黄色黏土、②2灰黄色淤泥质粉质黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1-1灰色黏土、⑤1-2灰色粉质黏土。

顶管工作井基坑坑底位于④层土，基坑开挖范围内③层土在开挖时易产生坍塌、流砂、管涌及流变等现象。顶管主要位于④层土中，顶部约有1～2 m范围内位于③层土。

拟建场地浅部地下水和土对混凝土无腐蚀性，对钢铁结构材料有弱腐蚀性。通道主要位于④淤泥质黏土层，通道上部1～2 m有③淤泥质粉质黏土层。④层淤泥质黏土属高灵敏度、高压缩性、低强度、弱渗透性的饱和软黏性土，蠕变量大，呈流塑～软塑状态，掘进时应注意④层淤泥质黏土具有中～高的灵敏度，故有较明显的触变、流变特性，在动力的作用下，极易破坏土体结构，使强度降低，而且土体排水固结需要较长的时间，如果施工不当，极易造成土体不均匀沉降。

2 基坑围护设计

2.1 围护方案选择

该工程基坑深度为11.72 m、11.95 m，邻近存在多栋楼房及地下市政管线，因此对基坑变形及周边环境保护要求比较严格。根据上海地区工程地质条件及工程特点，可选择SMW工法桩及钻孔灌注桩两种围护方案。由于该基坑地下水位较高，采用钻孔灌注桩方案需在桩外侧设置止水帷幕，工程投资增加且施工场地布置困难，而SMW工法桩施工占用场地较小，工程场地也比较紧张，应优先选用SMW工法桩方案。

始发井与接收井基坑采用明挖顺作法施工，采用φ850SMW工法桩围护，竖向设4道支撑，首道为500 mm×500 mm混凝土支撑，第二至第四道撑为直径609 mm，壁厚16 mm的钢管。

图1 工程平面图

2.2 基坑围护设计

2.2.1 围护结构形式

基坑采用φ850SMW工法桩围护，内插H700×300×13×24型钢。始发井基坑深度约11.95 m，接收井基坑深度约11.72 m，坑底位于④层灰色淤泥质黏土。SMW工法桩长26.0 m，H型钢长度比相应的SMW工法搅拌桩短0.5 m。始发井西侧距离管线较近，因此西侧工法桩型钢采用密插形式，南北两侧采用隔一插一形式。接收井距离周边建筑物较近，型钢全部采用密插形式。

2.2.2 地基处理

始发井与接收井坑内采用φ850三轴搅拌桩满堂加固，加固深度为坑底至坑底以下5 m。要求加固体28 d无侧限抗压强度满足qu≥1.0 MPa。

顶管进、出洞处坑外采用φ1000@800高压旋喷桩加固，加固体28 d龄期无侧限抗压强度q u不小于1.0 MPa。始发井旋喷加固宽度12.9 m，加固长度3 m，加固深度为地面至地面以下16 m；接收井旋喷加固宽度13.3 m，加固长度3 m，加固深度为地面至地面以下16 m。

3 基坑安全分析

始发井基坑深度约11.95 m，接收井基坑深度约11.72 m，坑底位于④层灰色淤泥质黏土。SMW工法桩长26.0 m，H型钢长度比相应的SMW工法搅拌桩短0.5 m。始发井西侧距离管线较近，因此西侧工法桩型钢采用密插形式，南北两侧采用隔一插一形式。接收井距离周边建筑物较近，型钢全部采用密插形式。

3.1 围护结构计算结果

3.1.1 基坑稳定分析及验算

根据土层的力学指标进行了墙体抗滑动、抗倾覆、整体稳定及基底土体的抗隆起和抗管涌等验算，经验算后均满足基坑开挖的要求。

基坑稳定性验算见表1。

表1 基坑稳定性验算表

基坑抗承压水安全系数满足规范要求，施工期间不需降承压水。

3.1.2 始发井计算结果

始发井基坑开挖深度为11.95 m，采用厚度为0.85 m的搅拌桩围护结构，桩长为26 m，桩顶标高为3.8 m，采用SMW工法，在搅拌桩中加型钢，型钢惯性矩为201 000 cm4，型钢间中心距为600 mm。计算时考虑地面超载30 kPa。

计算结果见图2～图5。

图2 始发井整体稳定验算图

图3 始发井墙底抗隆起验算图

图4 始发井坑底抗隆起验算图

图5 始发井抗倾覆验算图

抗管涌验算:

按砂土，安全系数K=1.825

按黏土，安全系数K=2.569

3.1.3 接收井计算结果

始发井基坑开挖深度为11.725 m，采用厚度为0.85 m的搅拌桩围护结构，桩长为25.995 m，桩顶标高为3.8 m，采用SMW工法，在搅拌桩中加型钢，型钢惯性矩为201 000 cm4，型钢间中心距为600 mm。计算时考虑地面超载30 kPa。

计算结果见图6～图9。

图6 接收井整体稳定验算图

图7 接收井墙底抗隆起验算

图8 接收井坑底抗隆起验算图

图9 接收井抗倾覆验算图

抗管涌验算:

按砂土，安全系数K=1.893

按黏土，安全系数K=2.637

3.2 基坑开挖对周边管线、建筑物影响

不同管线对地层变形的承受能力，根据规范柔性接头管道容许之沉降曲线曲率半径Rf为：

式（1）中：L为管节长度；D为管道外径；Δ为管节接缝容许张开值。

刚性管道容许之沉降曲线半径Rr为：

式（2）中：E为管材的弹性模量；I为管道的纵向抗弯惯性矩；W为管道的截面纵向抗弯抵抗矩；[σ]为管道的纵向受弯容许应力。

基坑开挖后地表沉降曲线如图10、图11所示。

图10 始发井基坑周边地表沉降曲线

图11 接收井基坑周边地表沉降曲线

始发井基坑开挖引起的周边管线（Φ300煤气管）最大变形为15 mm，该管线沉降曲线半径R=20 415 m

表2 接收井基坑影响范围内建筑倾斜值

4 结语

本文结合实际工程设计案例，对复杂环境条件下基坑围护方案进行了比选，并在设计阶段就对基坑的稳定性以及基坑开挖对周边建筑物、管线的影响进行了分析。分析结果表明，围护方案的选择以及基坑开挖型式对周围环境的影响均在要求的范围之内。实际施工情况与计算分析的结论基本相一致，也证实了本文的分析结果的合理性与适用性，为基坑围护工程设计的发展积累了一定经验。