新疆地区常见地质条件下深基坑悬臂支护设计探讨

张海银

上海市政工程设计有限公司，上海 200092

基坑工程具有很强的区域性，属于系统工程，且涉及岩土工程的三个基本问题：稳定、变形及渗流，因此综合性极强[1]。对于新疆常见工程的水文地质，地下水一般埋藏较深，在基坑围护设计中通常不需考虑渗流的影响，基坑围护设计主要考虑稳定和变形问题。新疆地区常见基坑围护形式为放坡+土钉墙+桩锚支护，以及排桩+支撑支护，但随着城市地下空间的发展，地下管线、建（构）筑物、场地等更加复杂，常规的围护形式无法使用或经济性较差，悬臂支护技术无疑是一种解决办法。悬臂支护在新疆地区应用较少，通过综合管廊建设加以研究有一定意义。

1 工程概况

拟建综合管廊工程位于乌鲁木齐市，总长度约12.0km，采用两舱（电力舱、综合舱）矩形断面、标准段结构外尺寸为6.1m×4.2m，基坑呈长条形、深度约8.0m。管廊位于现状道路北侧，南侧为现状地面道路且临近现状地下给水及通信管线（管线无法迁改）。根据现场条件，管廊北侧条件较好，可采用放坡开挖或土钉墙实施围护；南侧临近地下管线，除无法采用上述支护形式外，桩锚支护也难以实施，综合考虑采用悬臂支护，支护断面如图1所示。

图1 综合管廊基坑悬臂支护断面图（单位：mm）

2 岩土工程条件

2.1 岩土分布特征

拟建项目勘探深度20.0m范围内场地地层主要由素填土、圆砾层、卵石层构成。

（1）素填土：主要分布在现状道路及两侧的人行道路，层厚1.5～8.2m，灰色、灰黄色，由粉土、圆砾组成，混少量建筑、生活垃圾，呈现松散～稍密，干～稍湿。

（2）圆砾：在拟建场地均有揭露，层厚1.9～7.7m，灰色、浅黄色，一般粒径为5～10mm，最大粒径为200mm，磨圆度较好，呈浑圆状、次圆状，颗粒级配良好，成分以硬质岩碎屑为主，充填物为细砂、粉砂、粉土，呈现稍密～中密，稍湿。

（3）卵石：在拟建场地均有分布，骨架颗粒交错排列，连续接触，一般粒径为20～50mm，最大粒径为300mm，磨圆度一般～较好，呈浑圆状、次圆状，颗粒级配良好，成分以硬质岩碎屑为主，充填物为细砂、粉砂、粉土，呈现中密～密实，稍湿。

2.2 岩土参数指标

（1）素填土：重度γ=16kN/m3，承载力特征值fak=100kPa，黏聚力c=5kPa，内摩擦角φ=15kPa。

（2）圆砾：重度γ=20kN/m3，承载力特征值fak=350kPa，黏聚力c=2kPa，内摩擦角φ=38kPa。

（3）卵石：重度γ=22kN/m3，承载力特征值fak=500kPa，黏聚力c=5kPa，内摩擦角φ=45kPa。

3 基坑围护设计

3.1 支护结构选型

根据场地岩土工程条件及现场边界条件，进行支护结构选型。现场条件可以概况为管廊北侧条件较好，具备放坡开挖条件；南侧临近现状地下管线且无法迁改。鉴于此，可采用不同的支护形式：一是排桩+支撑支护，该围护形式的优点在于稳定性和变形都能得到更好的控制，但是造价相对更高；二是北侧放坡+南侧悬臂支护，经过造价对比，该围护形式相比更加经济，施工速度更快。

悬臂式支护结构的特点是基坑外土体的主动土压力全部依靠支挡构件入土深度范围内抗内外土体的被动土压力来平衡[2]，坑底以上支挡结构完全处于悬臂状态。随着基坑深度开挖的逐渐加大，支挡结构的位移与开挖深度呈三次方增加，相同条件下，与设有支锚的支挡体系相比，悬臂支护结构的顶部位移及构件内力均较大，因此通常情况下，悬臂支护的选用受基坑深度等因素的限制。对于类似该工程的新疆常见地质情况，结合当地丰富的工程经验，该项目基坑南侧综合考虑采用单排悬臂桩支护。基坑深度约为8.0m，悬臂桩布置采用桩径为1.0m、间距为1.5m、插入深度为6.5m。

3.2 稳定性验算

（1）整体稳定性验算。圆弧半径R=13.521m，圆心坐标X=-1.467m，圆心坐标Y=6.794m。整体稳定安全系数Ks=3.712＞1.30，满足要求。

（2）抗倾覆稳定性验算。抗倾覆（对支护底取矩）稳定性验算公式如下：

式中：Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

计算得到Koν=2.531＞1.200，满足要求。

（3）抗隆起稳定性验算。从支护底部开始，逐层验算抗隆起稳定性，经计算得到抗隆起稳定系数Ks=64.787≥1.600，满足要求。从稳定性计算结果来看，各项稳定系数偏安全。

3.3 结构及变形验算

在一定范围内，冠梁侧向刚度对支护结构的水平位移及沉降限制作用影响效果显著[3]。在理正深基坑7.0软件中考虑支护桩顶冠梁侧向刚度K，将冠梁视为两端铰接于基坑两侧拐角的简支梁，其计算公式如下：

式中：L为冠梁长度；a为支护桩位置；EI为冠梁截面刚度。

在计算冠梁侧向刚度K时，一般偏安全地取管廊长度的一半即L/2，此时，可知其刚度与冠梁长度的三次方成反比。在确定冠梁长度前需要确定冠梁是否对支护结构起作用，这要判断冠梁两端是否存在有效约束，保证冠梁两端不向坑内发生位移。对于该工程综合管廊基坑而言，属于长条形基坑，可以认为冠梁长度与基坑长度一致，且两端无有效约束，故不考虑冠梁刚度影响。

为了控制周边建（构）筑物的沉降或变形，按照《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019）的规定，基坑2.0m以外地面沉降（给水管道处）需控制小于30mm，围护结构位移控制按照相关规范要求执行。基坑深度范围内的土压力分布及位移、弯矩、剪力包络图如图2所示。

图2 基坑深度范围内的土压力分布及位移、弯矩、剪力包络图

4 监测数据分析及优化

为了确保基坑施工期间的安全，技术人员对基坑开挖全过程进行了动态监测，并对大量的监测数据进行了整理统计，如表1所示。由表1可知，现场各项变形、沉降值均满足规范要求，施工期间的基坑稳定和变形得到了良好的控制，确保了工程的安全。

表1 悬臂支护试验段监测数据统计表

5 结论

（1）新疆地区常见地层为卵石层、圆砾层，且地下水埋藏较深，在该地层条件下进行悬臂支护设计，主要考虑稳定性和变形问题。

（2）在进行类似综合管廊基坑等长条形基坑的悬臂支护设计时，不应考虑桩顶冠梁侧向刚度的有利影响，计算时按照无冠梁设计。

（3）根据基坑施工过程中的动态变形及沉降观测成果，悬臂桩可以应用在类似地层的基坑项目中，稳定性和变形都得到了很好的控制，支护工程安全可靠，可为后续类似工程提供参考。