管廊基坑转顶管始发井施工技术

高国强，李震锟

（广东省基础工程集团有限公司 广州 510660）

1 工程概况

广州市某公路地下综合管廊与道路快捷化改造配套工程施工（K0+000～K5+900）项目，其中里程K4+580节点G4电力舱为高压电缆单独向道路两侧出舱，原设计图纸G4 出线舱采用明挖法施工，但由于G4 出线舱下穿10 kV 电缆、雨水渠2 000 mm×1 000 mm、24孔通信管线以及从DN 3 056 mm和DN 2 256 mm两条污水管中间横穿。G4 出线舱与各种管线相交区域基坑支护［1］无法实施，现场又不具备放坡条件，因此设计变更为顶管施工工艺，同时需对综合管廊基坑支护体系进行优化［2］，顶管始发井尺寸为10.55 m×8.6 m，井深约3.1 m，顶管始发井开挖底深度为14.5 m（相对地面标高，含始发井底板45 cm厚度）。

⑴ 地质勘查情况：主要为素填土层（约1.9 m厚）、粉质黏土层（约3.1 m 厚）、粗砂层（约6.5 m 厚）、细砂层（约2.5 m 厚）、粉质黏土层（3.9 m 厚）；始发井基坑范围地质主要为粗砂及细砂层。

⑵地下水位埋深介于0.50～4.80 m 之间，水位高程为5.54～12.67 m。

⑶基于现场已施工情况：

①综合管廊基坑东西两侧采用SMW工法桩［3］桩长17.5 m，已施工完成。

②综合管廓基坑开挖深度为11.4 m，已开挖施工完成，东西方向开挖宽度为14.0 m。

③综合管廊基坑采用两层钢管内支撑，内支撑水平面间距为5.0 m。

④综合管廓主线两侧主体结构施工距G4 电力舱出线舱中心线11.0 m，距顶管始发井基坑边线为5.0 m，管廊结构已施工情况如图1所示。

图1 管廊结构施工情况平面Fig.1 Pipe Corridor Structure Construction Plan

2 受力理论复核计算

2.1 SMW工法桩抗倾覆理论复核计算

既有管廊基坑东西两侧采用SMW 工法桩桩长17.5 m，综合管廓基坑已开挖深度为11.4 m，内支撑体系3 层，水平间距为5.0 m，竖向深度分别1.35 m、3.55 m、8.15 m。

管廊基坑转顶管始发井基坑深度为14.5 m，需在既有管廊基坑11.4 m 部位继续往下开挖3.1 m，采用理正基坑软件建模进行SMW 工法桩抗倾覆理论复核计算，工法桩抗倾覆受力如图2所示。

图2 工法桩抗倾覆受力包络图Fig.2 The Method of Rigidity of Pile Stress Envelope

2.1.1 型钢与水泥土之间的错动抗剪验算

2.1.2 水泥土最薄弱截面处的局部抗剪强度验算

从受力上看，既有管廊基坑支护结构［4］的变形、抗倾覆、抗滑移满足设计规范要求。

2.2 顶管工作状态受力复核计算

顶管段采用D2400圆形顶管，顶管段覆土厚度5.5～9.4 m。根据地质勘查报告，顶管范围地质主要为素填土层、中粗砂层、粉质黏土层。依据地质及周边环境情况，采用泥水平衡顶管机，顶管总顶力F=1 926 kN，顶管主顶千斤顶后放置30 cm厚的钢格构板2块（2.2 m×3 m），传递至后靠背钢筋混凝土箱的荷载按均布力［5］计算。

允许顶力计算

式中：F为后靠背允许顶力；Kp为被动土压系数（土体内摩擦角取10°，取1.42）；γ为容重（取18.0 kN/m3）；b为后靠宽度（取8.6 m）；h为工作井底板至地面的高度（取14.05 m）；η为安全系数（通常η≥1.5，取1.8）；h1为后靠背顶至地面高度（取10.55 m）；h2为后座高度（取3.5 m）；h3为工作井桩底至底板顶高度（取4.5 m）。将上述数值代入公式，得

后靠背钢筋混凝土箱体满足顶管顶进过程最大反力1 926 kN，满足顶管施工要求。

3 管廊基坑转顶管始发井施工技术

3.1 内填充粗砂钢筋混凝土箱体反压加固技术

顶管段采用D2400圆形顶管，顶管段覆土厚度5.5～9.4 m。根据地质勘查报告，顶管范围地质主要为素填土层、中粗砂层、粉质黏土层。依据地质及周边环境情况，采用泥水平衡顶管机，顶管总顶力F=1 926 kN。顶管始发井开挖至14.5 m 时，工法桩最大支反力为1 479.05 kN，因此在受到顶管工作反推力时，工法桩存在失稳的安全风险［6］。根据既有综合管廊基坑宽14 m，顶管井工作长度10.55 m，相差3.45 m 空间，项目研究采用内填充粗砂钢筋混凝土箱体反压加固技术，减少混凝土用量，既提高既有基坑支护结构抗倾覆稳定问题，又作为顶管的后背墙［7］，在确保安全的前提下，节约了成本。

内填充粗砂钢筋混凝土箱体：箱体墙净高3.5 m，厚度均为35 cm，长度12 m，宽度3.45 m，采用C30 商品混凝土，水平钢筋HRB40020@200，竖向钢筋HRB40020@200，如图3所示。

图3 内填充粗砂箱体平面示意图Fig.3 Plane Diagram of the Box Filled with Coarse Sand

箱体混凝土拆模后并养护达到设计强度要求后，进行内填充粗砂施工：分层填充分层夯实（采用小型打夯机），每层厚度30 cm，填充过程中紧跟洒水湿润，再进行打夯实，如图4所示。

图4 内填充粗砂箱体施工Fig.4 Filled with Coarse Sand Body Shop

后靠背［8］混凝土箱填充完成后，灌注一定量的水进行密实，待24 h，再进行下一工序。

3.2 坑内坑钢板桩+纵横对撑+新旧支护桩包角止水支护技术

既有综合管廊基坑东西两侧采用SMW 工法桩桩长17.5 m，已施工完成。综合管廓基坑已完成开挖11.4 m 深度，东西方向开挖宽度为14 m。综合管廓主线两侧主体结构施工距G4电力舱出线舱中心线11 m，距顶管始发井基坑边线为5 m。

综合管廊基坑转顶管始发井基坑深度为14.5 m，需在既有管廊基坑11.4 m 部位继续往下开挖3.1 m，始发井基坑范围地质主要为粗砂及细砂层，且地下水丰富。

因既有综合管廊基坑已完成开挖及内支撑施工工作，坑下可操作空间有限，假设选用钻孔灌注排桩、SMW工法桩、连续墙等支护形式都无法实施。

设计一种坑内坑支护［9］体系如图5所示，能快速有效地防止因砂土流失引起基坑南北侧已建成管廊结构底板出现脱空，确保坑内坑支护体系稳定安全。

图5 坑内坑支护体系平面示意图Fig.5 Pit Pit Supporting System Plan Sketch

①坑内坑钢板桩：钢板桩采用Ⅳ型拉森钢板桩长为9 m，垂直于既有综合管廊支护SMW 工法桩，宽度为12 m，分别距两侧已完成管廊主体结构断面5 m。

②纵横对撑：纵撑采用ϕ609×16钢管支撑+双工50C工字钢腰梁，为既有综合管廊支护SMW 工法桩增设的第四道钢支撑；横撑采用ϕ609×16 钢管直支撑+4个角撑+双工50C工字钢腰梁为坑内坑钢板支护支撑。纵撑与横撑上、下错位，纵撑在横撑的下方（见图6）。

图6 纵横对撑Fig.6 Vertical and Horizontal

③新旧支护桩包角止水［10］支护形式：应用了类似一种新型三轴搅拌桩装置的注浆工艺，此装置通过在中间的钻杆内形成注浆管道，且设计为可伸缩的注浆管道，可有效增加浆液的扩散面积，使得浆液与土体搅拌充分，从而水泥桩的成桩质量，减少渗漏发生的可能性。

坑内坑钢板桩支护桩与既有综合管廊支护SMW工法桩无法百分百咬合或密贴，存在一定宽度的角缝，为防止新旧支护桩交接处涌水、涌砂，进而扩大压塌钢板桩支护桩，采用ϕ500@800 双液高压旋喷桩：钢板桩与工法桩交接的4 个角部3.0 m×3.5 m 范围内进行加密布控注浆，孔位呈梅花形布置，孔距800 mm，孔深12 m 全段注浆；除角部加密注浆外，考虑钢板桩底溶洞承压水反涌，对钢板桩中间段单排布孔注浆，注浆节段为6 m，孔距800 mm。

3.3 既有基坑支护工法桩开洞割桩吊脚双撑反压技术

在开顶管进洞口割桩时造成既有管廊基坑支护工法桩形成吊脚桩，通过设置应用双撑反压技术，如图7 所示，防止既有管廊基坑吊脚的支护工法桩翻脚坍塌，同时与后背箱连成整体防止顶管顶进过程后背箱翻脚，也作为钢板桩压脚墙防止钢板桩失稳及底板沿钢板桩边反渗水功效，确保了既有管廊基坑支护结构的安全稳定，也确保了顶管施工的安全。

⑴双撑反压技术作用一：本项目为既有管廊基坑转顶管始发井技术，原明挖设计方案未考虑对既有管廊基坑支护工法桩开洞割桩的加固措施，现因既有管廊基坑下可操作空间有限，在开顶管进洞口割桩时造成既有管廊基坑支护工法桩形成吊脚桩，为防止既有管廊基坑吊脚的支护工法桩翻脚坍塌，采用在平行且沿着钢板桩方向两道钢筋混凝土梁反压双撑（钢筋混凝土撑），断面尺寸为150 cm（高）×35 cm（宽），对撑梁一端支顶在洞口加固混凝土板上、另一端连接在后背墙内填充粗砂钢筋混凝土箱体上。

⑵双撑反压技术作用二：双撑的另一个作用是与后背箱连成整体在顶管顶进过程加强防止后背箱翻脚及钢板桩压脚和防底板沿钢板桩边返渗水功效。

开洞口割桩吊脚钢筋混凝土梁反压双撑（钢筋混凝土撑），断面尺寸为150 cm（高）×35 cm（宽）。在最后分层开挖第三段（洞口段），土方开挖至坑底，及时施作封底底板、洞口加固墙和开洞口割桩吊脚钢筋混凝土梁反压双撑。

4 结语

广州市某公路地下综合管廊与道路快捷化改造配套工程，通过对管廊基坑转顶管始发井施工技术进行研究，采取内填充粗砂钢筋混凝土箱体反压加固技术，既作为顶管后靠背，也作为基坑支护压脚墙，一箱两用；在已建成管廊结构侧端采用坑内坑钢板桩+纵横对撑+新旧支护桩包角止水支护措施，防止管廊结构底板因砂土流失出现脱空提高了坑内坑支护体系安全性；采用双撑反压技术，防止管廊吊脚支护桩翻脚坍塌，提高了原基坑支护结构的安全性，为类似工程的建设提供了可借鉴的工程经验，具有广阔的应用前景。