管道工程深基坑支护设计与支护能力分析

杨雷

（中铁十六局集团第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

在我国城镇化建设的推进过程中，深基坑开挖施工已成为一项广泛应用的重要施工技术。基坑开挖支护是基坑施工安全的重要保证。深基坑支护设计施工方法有明挖放坡法、钢板桩支护法等，可以为管道工程深基坑施工起到良好的支护作用。

1 工程概况

本工程为泰和县上田大道～白凤大道段，设计长度为4.68 km，设计标准选用城市主干道标准，设计规划双向六车道，红线宽度为100 m，市政道路的中部绿化与河道具有城市绿化景观和水利排洪排涝功能，是泰和县城的门户道路。管道工程有雨水管（管径d600～d800）、信息排管（2根4×3、2根1×1）污水管（管径DN400～d1 000）等共计6种、13根管线。其中雨水及污水管线埋深较深，本标段雨水管道最大埋深2.76 m，采用沟槽放坡开挖法施工；污水管道WZ31-WZ48段最大埋深5.49 m，WY51~WY58段最大埋深6.4 m，采用上部位放坡减载1.4 m，下部钢板桩支护沟槽开挖方法施工。

2 深基坑支护、支撑系统设计分析

2.1 支护、支撑结构选型

（1）管道基坑支护形式

A明挖放坡：全部雨水管道YZ1~YZ143，YY1~YY137，污 水 管 道WZ1~WZ10，WZ11~WZ37，WZ39~WZ47，WZ48~WZ94，WZ95~WZ100,WY1~WY50，WY50~WY55段基坑深度≤4 000 mm，采用明开放坡的形式，考虑土质因素，边坡根据设计情况采用1∶0.4。

B钢板桩支护：污水管道WZ10~WZ11，WZ37~WZ39，WZ47~WZ48，WZ94~WZ95，WY50~WY51,WY55~WY58段基坑深度＞4 000 mm，采用长度为12 m的SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩增加一道内支撑开展基坑支护，钢板桩通过HW350×350×11×11的围檩衔接，内支撑选用钢管的直径Φ300×10。第一道支撑设置于距钢板顶面以下1 000 mm。

2.2 钢板桩支护施工工艺

放线定位→板桩放线定位→挖槽→安装吊机→打设板桩→拆除托架→挖土→第一道支撑安装→挖土→第二道支撑安装→挖土→基底处理→碎石垫层施工→管道敷设→回填→支撑拆除→拔除板桩→回填。

2.3 工程投入的钢板桩的参数

工程投入的拉森钢板桩采用SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩，有效幅度W：400 mm，有效高度h：170 mm，厚度t：15.5 mm，理论重量76.1 kg/m，修边调直后方可使用。

拉森钢板桩之间选用HW350×350×11×11围檩衔接，围檩和每根拉森钢板桩之间的空隙选用打入木楔抵紧。利用专用构件进行转角，内支撑选用Φ300×10钢管，内支撑设计为5.0 m水平间距，管道安装时需要调节对撑间距并及时回顶。

2.4 基坑监测要求

（1）基坑周边沉降及位移监测

监测点与控制点都选用钢筋水泥制作，设置平稳，观测水平位移选用J2光学经纬仪或者全站仪，垂直位移选用精密水准仪观测，基坑开挖阶段每开挖一层观测2次或者每天观测2次，观测时段为上午施工前与下午完工后。

（2）基坑开挖施工过程中，每开挖支护一层观测一次。检测数值指标见表1。

表1 监测数值

3 基坑支护能力分析

根据此工程排水管线纵断面图可知：雨水管线埋深较浅，最大埋深2.76 m，基坑开挖方式采用放坡开挖；污水管线个别地段埋深较深，WZ31～WZ48段最大埋深5.49 m，WY51～WY58段最大埋深6.4 m，采用钢板桩支护沟槽开挖方法施工。故综合考虑本工程将采取两种基坑开挖方式。考虑现场放坡开挖场地限制因素，最大放坡开挖深度取4 m。方案一：基坑深度≤4 m，采用明开放坡的形式，边坡采用1∶0.4。方案二：基坑深度＞4 m时采用Ⅲ型拉森钢板桩支护的形式进行基坑开挖。

3.1 放坡开挖支护分析

此工程综合考虑放坡开挖最大埋深4 m，根据设计图纸纵断面图可知管线埋深主要位于2-1粉质黏土层。查看泰和县祥和大道及水系景观工程《岩土工程勘察报告》得知2-1粉质黏土层土的性能参数为：粘聚力c=29.3 N/m2，重度密度γ=18.4 kN/m3，内摩擦角ψ=13.7 °。

根据设计图纸要求排水管道放坡开挖边坡设计值为1∶0.4求得挖土边坡角度θ=68.2 °，则挖方边坡允许最大高度可式（1）进行计算：式中：γ—土的重度（kN/m3），θ—边坡的坡度角（°），φ—土的内摩擦角（°），c—土的粘聚力（kN/㎡）。

h=2×29.3×sin68.2 °×cos13.7 °/18.4×sin2[（68.2-13.7）/2]=13.7 m＞4 m。

因此边坡按照1∶0.4进行放坡开挖，挖深最大4 m时能够满足边坡稳定性。

3.2 钢板桩支护分析

该市政项目工程施工场区地质条件非常复杂，并且也没有特别明显的变化界限。为保证管道工程深基坑施工现场安全，根据现场情况选取有代表性的地质断面分别进行荷载的计算，对拉森扣板桩支护能力展开验算，选取最差情况的荷载计算所得作为最终施工支护的标准[1]。依据现场地质勘察报告以及现场开挖得到的地质资料提取验算参数。

（1）基坑的参数

钢板桩支护按照最不利因素取最深处基槽6.4 m进行计算，通过混合槽上部减载1.4 m后，基坑深度变为5 m。根据纵断图得知钢板桩支护埋深基本位于3-1粉质黏土层，查设计勘察报告得知土的各项力学性质平均值为：γ=19.45 KN/m3，c=43.5 KPa，φ=16.3 °

（2）钢板桩的参数

本工程基坑支护采用SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩一丁一顺支护。因选用井点降水，坑底以下的土重度不再考虑浮力的影响。经查询得知钢板桩参数如表2所示。

表2 SKSP-Ⅳ（400×170×15.5）拉森钢板桩性能参数

（3）拉森钢板桩最大悬臂长度的计算

被动土压力系数：Kp=tg2(45 °+φ/2)=1.78。

主动土压力系数：Ka=tg2(45 °-φ/2)=0.56。

各层支撑的间距依据等弯距进行布设确定，钢板桩顶部悬臂端的极限允许跨度计算如式（2）所示：

故基坑钢板桩悬臂深度h≤2.97 m。

基坑开挖深度为4～6.5 m通常选用SKSPⅣ型拉森钢板桩，其最大悬臂长度小于计算结果,就需要补充围檩。

（4）拉森钢板桩的入土深度

基坑开挖5 m深度的SKSPⅣ型拉森钢板桩入土深度最小值，为使钢板桩支护稳固，其顶部的力矩为零，按∑MA＝0，1.5F=EaHa-EpHp=1.5F+Ea

计算其入土深度最小值，公式如式（3）所示：

将各参数分别代入弯矩平衡方程式得：t2+6.3t2-40.57t-62.64=0

求解可得t＝4.8 m，拉森钢板桩5 m最小的开挖深度计算：地面保留的长度0.5 m＋开挖深度5 m＋入土深度4.8～10.3 m，根据计算可得，满足基坑开挖深度为5 m的施工要求，需要采用12 m SKSPⅣ型拉森钢板桩进行围护。在钢板桩顶部向下1 m部位设置围檩。

（5）验算拉森钢板桩围檩的支护强度

计算参数：该市政工程选用H350×350围檩，根据查表得到的参数为：Ix＝66 900 cm4，Wx＝3 340 cm3，［σw］＝210 MPa［τ］＝120 MPa，S=219.5 cm2。

q=Ea-Ep=196.1 KN/m。

抗弯验算：最大弯矩Mmax=0.08×ql2=0.08×196.1×52=392.2KN·m。

Wx[σw]=3340×210/1 000=701.4 KN·m＞Mmax。

抗剪验算：最大剪力Qmax=0.6ql=0.6×196.1×5=588.3 KN。

[τ]S=210×219.5/10=4 609.5 KN＞Qmax。

通过支护强度计算分析，围檩满足抗弯要求，满足抗剪要求，本工程所选用SKSP-Ⅳ型拉森钢板桩支护强度满足市政管道工程深基坑支护施工要求。

4 结语

文章通过对泰和县祥和大道及水系景观工程管道开挖深基坑工程地质勘察报告实际地质条件进行分析，对深基坑支护设计分析，并对支护能力进行了验算，结合理论计算和工程实践，该工程支护方案可以有效满足管道基坑施工安全支护要求，支护效果良好，可以为国内同类型施工方法提供经验参考。