地下取水箱涵施工方案的对比及优化

马晓华

（中冶集团武汉勘察研究院有限公司）

地下管廊工程发展初期，明挖法是当时首选的开挖施工方法。随着社会经济的发展，受地表空间的限制，暗挖法施工得到了推广。工程实践中，根据工程施工条件，合理的选用施工方法和适当的优化施工方案对施工过程控制有着重要的意义。

1 工程概述

1.1 工程概况

某电厂二期项目拟建的地下取水箱涵工程A标段东西向全长678m，采用现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C50，港口某公司拟建铁路南北向跨越地下取水箱涵中间位置上部与本标段取水箱涵交叉施工。拟建取水箱涵大开挖深度约11.60m，采用二级放坡，放坡系数1：1，采用土钉墙支护。箱涵净宽10.40m，开挖深度约5.30m，采用钢筋混凝土地下连续墙支护兼做箱涵永久侧墙结构。

1.2 工程地质及水文地质条件

拟建场地原始地貌属滨海滩涂，后经吹填造地，场地较平坦、开阔，局部地段表层杂草茂密，地面标高为4.50～6.15m。拟建场地在0～60.0m深度范围内的地层主要由第四系全新统海相沉积层和第四系上更新统海陆交互沉积层组成。

拟建场地地下水主要为赋存于第四系地层中的孔隙潜水，主要含水层为砂层，地下水位埋深为0.40～2.30m。场地浅部地层渗透性较好，地下水水力联系强，地下水径向补给主要为大气降水，侧向主要受海水渗流补给，水位受海水潮汐一定的影响。

2 施工方案的对比及特点

2.1 明挖施工方案

以港口公司正在修建的铁路为界，将本标段取水箱涵划分为东、西两个施工区段，西段长约340m，东侧长约338m，按照从中间分界线位置向东、西两个方向递进的方式采用明挖法施工。

明挖法施工工序：先施工全场取水箱涵地下连续墙和降水井，逐个区段分层开挖，单个区段每开挖一层土方，及时土钉挂网支护，至连续墙顶面，施工高压旋喷桩，开挖箱涵内土方至标高-8.00m时安装内支撑，继续开挖至取水箱涵垫层底，先后施工底部支撑梁和底板，搭设5.0～6.5m高满堂支撑架施作拱形顶板及冠梁，待顶板混凝土强度达到度100%时拆除内支撑，最后，分层碾压回填土至地面。

2.2 盖挖施工方案

将本标段取水箱涵划分为东段、铁路段、西段三个施工区段，长度分别约为280m、100m、298m，采用盖挖法施工，且为便于及早恢复铁路段地表空间交付港口公司，优先施工铁路段。铁路段东、西两侧各留设一个进出通道以供出土和材料运输，待盖挖各施工段完成后，采用明挖法施工该两处进出通道。

盖挖法施工工序：先施工全场取水箱涵地下连续墙和降水井，逐个区段分层开挖，单个区段每开挖一层土方，及时土钉挂网支护，至连续墙顶面，施工高压旋喷桩，机械配合人工修复土拱，现浇100mm厚垫层并刷脱模剂或满铺塑料布，施作拱板及冠梁，然后分层碾压回填至地面，再采用盖挖法开挖箱涵内土方，最后施作底部支撑梁及底板。

2.3 明挖法和盖挖法施工方案在本工程的适用特点

明挖法施工适用于周边环境简单，施工空间充足，有条件敞口开挖的工程，其特点如下：

①施工工艺成熟，易于对工程安全及质量的控制，成本控制风险小；②施工作业面开阔，有利于提高工效，必要时可多点平行作业，缩短总工期；③须全程对大开挖基坑及箱涵结构进行监测，并采取措施防止基坑变形及其周围地面沉降，监测周期长；④对周围环境及交叉铁路工程影响时间长，且易受到气象条件的影响。

盖挖法施工一般适用于受周边环境限制或存在交叉施工，不具备明挖法施工的地方，其特点如下：

①可简化施工程序，占用地表空间及时间较明挖法少；②施工期间基坑暴露时间短，可缩短从破坏地表、修筑拱板到恢复地表原状所需的时间，对周边环境及交叉铁路工程影响时间短；③拱板完成后，在盖挖施工期间，由于受箱涵内部空间限制，对工程安全及质量控制难度较明挖法大；④由于只预留两个出口，增加了土方外运及施工材料运输的难度和成本，成本控制风险较明挖法大。

3 基坑支护设计的优化

3.1 基坑概况及支护优化思路

本项目基坑深度约为16.90m，属于深基坑，支护结构安全等级为一级，支护结构重要性系数为1.10。基坑大开挖采用放坡+土钉墙支护方式，坡度系数为1.00，由上至下坡高分别为4.80m和6.90m，平台宽度分别为2.00m和5.00m，基坑坡顶设计超载值20.00kPa，基坑内、外侧降水深度为17.50m。箱涵内开挖深度约为5.30m，采用钢筋混凝土地下连续墙支护并兼做箱涵侧墙，地下连续墙槽宽约6.00m，高度为23.50m，墙厚1.00m，嵌固深度18.20m，连续墙顶设置冠梁，冠梁高1.30m，宽1.20m，混凝土强度均为C50。箱涵内设内支撑，内支撑采用φ508×12mm钢管，材质为Q345B钢材，钢管内支撑每根间距为6.00m。

考虑到地下连续墙嵌固深度较大，基坑支护设计优化在采用明挖法施工方案时不对箱涵内进行内支撑的假设条件下运用理正深基坑计算软件对支护结构的稳定性进行验算，以此来验证该种优化方案的可行性。

3.2 各土层参数

表1

3.3 支护结构参数（见表2）

表2

3.4 整体稳定性验算

计算方法：瑞典条分法；应力状态：有效应力法；条分法中的土条宽度：0.50m。

滑裂面数据：圆弧半径（m）R=31.575；圆心坐标 X（m）X=3.635；圆心坐标 Y（m）Y=13.265。

整体稳定安全系数Ks=1.68＞1.35，满足规范要求。

3.5 嵌固稳定性验算

本工程基坑支护为悬臂式支挡结构，安全等级为一级，其嵌固深度（ld）应符合嵌固稳定性要求，即：Epk·apl/Eak·aal≥1.25。

经理正深基坑计算软件计算，Epk·apl/Eak·aal=1.60＞1.25，满足规范要求。

3.6 嵌固深度计算

依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012），嵌固深度对于悬臂式支护结构ld不宜小于0.8h，即嵌固深度构造长度ld≥13.520m。

本工程地下连续墙嵌固深度为18.20m，满足规范要求。

3.7 嵌固段基坑内侧土反力验算

Ps=4194.272≤Ep=6815.179，土反力满足要求。

式中：Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力（kN）；

Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力（kN）。

3.8 根据以上验算可知，当采用明挖法施工方案，不对箱涵内进行钢管内支撑而仅依靠地下连续墙作为支护结构时，其支护结构稳定性满足规范要求。即，该优化方案可行。

4 施工方案的确定

综上所述，对比分析明挖法施工方案和暗挖法施工方案在本工程的适用特点，并考虑取水箱涵布置特点、施工均衡及便于施工管理的要求，在对基坑支护方案进行优化的基础上，明挖法施工方案在本工程中的适用优势较为明显。但考虑取水箱涵上部有拟建铁路穿过，为避免交叉施工造成的相互影响，综合确定本工程方案如下：

将取水箱涵划分为东段、铁路段、西段三个施工区段，长度分别约为280m、100m、298m。三个施工区段的施工顺序为先施工铁路段，再施工西段，最后施工东段。其中，铁路段采用盖挖法施工方案，西段和东段采用明挖法施工方案，采用明挖法施工时，取消箱涵内的钢管内支撑。各段施工工序按照前面分别按照明挖法、暗挖法的施工工序进行。

5 结语

在施工阶段因时制宜、因地制宜的选择施工方案可以提高工效，节约工期和成本；在设计阶段合理的优化设计方案，可以简化施工工序、提高资源的利用率和节省工程造价。随着科技的进步和施工工艺水平的提高，项目施工管理已经由粗放型管理模转变为精细化管理模式，对施工安全、质量、成本和进度等目标控制的要求也越来越高。对于企业来讲，只有在基于理论研究和实践验证的基础上不断进行创新和优化，才能使预期效益最大化，才能满足精细化管理的要求，才能提高企业在行业内的竞争力。

[1]谢仁德.盖挖法和明挖法施工技术及优缺点比较[J].地铁与轻轨，1992.

[2]萧岩，汪波，王光明.盖挖法和盖挖法施工[J].市政技术，2004.

[3]乔稳庆.深基坑排桩支护结构中钢支撑性能研究[J].建材与装饰，2017.

[4]吴小涛，周文，等.地下连续墙深基坑支护结构中钢支撑性能研究[J].广西大学学报（自然科学版），2015.