李永東,王浩然,趙曉峰

(1.北京市勘察設計研究院有限公司,北京市 100038；2. 北京振邦承基開發(fā)建設有限公司,北京市 102200)

市政管道溝槽支護技術研究

李永東1,王浩然1,趙曉峰2

(1.北京市勘察設計研究院有限公司,北京市 100038；2. 北京振邦承基開發(fā)建設有限公司,北京市 102200)

結合市政管道的工程特點,對近年來常用的市政管道溝槽支護技術進行了總結分析,闡明了市政管道溝槽支護技術的關鍵因素,并結合工程實例介紹了鋼板樁支護技術措施的應用實踐,對城市管道溝槽支護技術的研究具有一定的借鑒意義。

市政管道；溝槽；基坑支護；放坡開挖；土釘墻；排樁；內支撐；鋼板樁支護

0 引言

近年來,隨著我國城市建設的不斷發(fā)展和提升,市政基礎設施規(guī)模不斷增大,城市管道(溝)工程作為市政基礎設施的重要組成部分,其工程規(guī)模也在不斷加大。市政管線工程主要包括有：電力、熱力、上水、排水、燃氣、通信等各類管線,根據國家有關規(guī)范的要求,新建、改建各類管線過程中,應合理利用城市用地,統(tǒng)籌安排工程管線在城市的地上和地下空間位置［1］。目前,我國大型城市基礎設施建設過程中為了高效利用地下空間,各類市政管線的建設規(guī)模不斷增大,如：上海世博園區(qū)綜合管溝［2］,采用矩形箱涵的形式,集中布設各類管線,管溝總長約2.0 km,開挖深度達6.1 m；廣州亞運城綜合管溝,總長約0.6 km,開挖深度達9.3 m［3］；北京市中關村西區(qū)地下綜合管廊,集地下交通、公共空間和市政管廊為一體,管廊總長1.9 km,開挖深度達12.1 m［4］。

管道(溝)工程一般多集中于城市中心區(qū),溝槽的開挖對周邊道路、管線等地面和地下設施影響較大,溝槽邊坡土體穩(wěn)定性至關重要。據統(tǒng)計,近年來,鄭州、濟南、哈爾濱等地多次發(fā)生因管道(溝)溝槽施工引發(fā)的工程事故,造成溝槽邊坡坍塌、管線破損、道路塌方失穩(wěn)等破壞。各類管道(溝)工程平面距離長,開挖深度大,帶來了一系列的巖土工程問題。選擇安全經濟的溝槽邊坡的支護體系,處理好開挖和支護過程中的工程問題,是降低施工風險的重要需求。

1 市政管道溝槽主要工程特點

1.1 平面距離長、開挖深度大

城市建設規(guī)模的擴大,對市政管線建設提出了更高的要求,平面距離長、開挖深度大是目前各類市政管道建設的主要特點。為了高效利用地下空間,便于后期維護管理,將各類功能條件類似、埋深接近的管線合并在一起,形成綜合管廊(溝),是未來城市管線設計的趨勢。

表1列出了近年來我國各地常見管道(溝)工程規(guī)模情況。目前,國內平面距離長、深、大溝槽越來越多,對城市管道溝槽工程的基坑支護帶來了不小的挑戰(zhàn)。

表1 近年來國內常見管道(溝)工程規(guī)模［1-9］

1.2 周邊環(huán)境復雜

市政管線往往集中于城市中心地帶,由于城區(qū)多年來的開發(fā)建設,地下往往分布有大量現狀管線、廢棄管線及地下設施。另外,由于長期以來各類管線產權單位無序的施工建設,多數地下管線檔案資料無法查明,地下管線情況非常復雜。近年來,地鐵工程、地下通道、快速路等工程的興起加劇了地下空間的開發(fā),地下設施情況非常復雜。管線上方一般為城市主干道路,密集的地面建筑等,環(huán)境風險因素多。管線敷設的周期長,周邊環(huán)境非常復雜,溝槽的開挖與支護工程同時受到周邊建筑和地下設施的影響。

1.3 地質條件的復雜性

地質條件的復雜性主要體現在填土厚度大,地層變異性突出。根據表1所示,目前市政管道溝槽涉及的地層深度已達3～12 m,綜合管溝深度更深；由于多年來的城市建設,淺層土體往往受到多次擾動,淺部人工回填土層厚度較大,填筑年代不一,填筑質量參差不齊,局部還可能存在地下空洞,地層變化性大,工程地質條件差。另外,地下水情況也比較復雜,濱海、濱河地區(qū)的地下水位較淺,對管線溝槽開挖和支護十分不利。有些地區(qū)原有管道多年滲漏形成上層滯水集中區(qū),比如：北京的王府井地區(qū),由于多年的老舊管道滲漏,形成上層滯水區(qū)域內集中分布,水量較大。因此,城區(qū)市政管道工程往往工程地質條件、水文地質條件較復雜,對溝槽的開挖與支護影響較大。

1.4 設計條件的復雜性

目前,各類管線在設計的過程中往往需要追求穩(wěn)定、大流量的運輸,高度的安全性、多種功能性及便捷的運營維護等要求,這勢必造成管線設計條件復雜,主要表現在平面布局復雜、轉角支線多,為了躲避或下穿障礙物,設計標高變化大,局部可能造成區(qū)域匯水或地層應力集中。另外,城區(qū)施工往往存在多種工法銜接,施工工期緊迫等特點。上述管線設計條件的復雜性,也給管道溝槽的支護設計和施工帶來了很大的難度。

2 市政管道溝槽支護

2.1 勘察與周邊環(huán)境調查

2.1.1 工程勘察

巖土工程勘察工作是管道地基設計及溝槽支護體系選型的重要依據。目前,市政管線(道)的巖土工程勘察工作主要依據《市政工程勘察規(guī)范》(CJJ56)、《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021)及地方標準等規(guī)范。表2列出了上述規(guī)范對于管線工程勘察的一般規(guī)定。根據規(guī)范的要求,市政管線勘察勘探點間距普遍較大,勘察過程中往往重視管線基底地質情況,而對于管線溝槽邊坡范圍的土層性質關注度不夠。管線溝槽支護結構重要性高,根據建筑基坑支護規(guī)程［10］的溝槽支護結構的安全等級可達一級或二級,其勘察要求較高。

表2 管線(道)工程勘察的規(guī)范要求［11,12］

管線工程勘察應重點關注管線基底及溝槽邊坡范圍的土層,詳細查明管線工程涉及的土層性狀、地下水情況、提供巖土參數和相關建議。城區(qū)厚層分布的人工回填土層也是勘察的重點,必要時應該采取勘探、物探、測試和室內試驗的多種手段查明回填土的工程特征和分布情況。

2.1.2 管線周邊環(huán)境調查

管線(道)周邊的環(huán)境條件是確定支護方案的重要參考因素,市政管線(道)設計過程中或施工前應針對擬建管線沿線開展詳細的周邊環(huán)境調查工作,主要調查項目應包括周邊既有建(構)筑物的特征、既有管線的設計參數、使用和滲漏狀況、既有道路的情況、其它重要的地面及地下設施,等等。必要時對周邊環(huán)境因素進行風險分級,明確溝槽開挖支護重點保護對象,制定相應措施降低施工風險。

2.2 支護體系選型

2.2.1 放坡開挖、簡易支擋

放坡開挖適用于施工現場有足夠的放坡場地、周邊環(huán)境風險小、地下水位埋深較深等情況,適合地下水位以上的黏性土、砂土、碎石土及回填質量較好的人工填土等地層。通常放坡比率可采用1∶0.5～1∶1.25,放坡開挖深度一般不超過3 m。放坡開挖施工簡單、費用低,但土方開挖量及回填土方量大,同時施工過程中應注意做好坡面防水、防凍等工作。對于局部重點區(qū)域可以配合采用木樁、土袋、塊石等簡易支護形式,增加邊坡的穩(wěn)定性。放坡開挖形式如圖1所示。

圖1 放坡開挖示意圖

2.2.2 土釘墻支護體系

土釘墻支護體系是由被加固的原位土體、土釘錨固體和于坡面上的噴射混凝土面板組成。土釘墻支護結構的施工適用于周邊一定范圍內沒有地下障礙物、周邊環(huán)境風險相對較小、地下水位埋深較深等情況,對于地下水位以上的黏性土、砂土和碎石土等地層較適合,但不適合于軟土地層,溝槽開挖深度可達5～8 m。由于土釘墻支護體系屬于柔性支護體系,當溝槽開挖深度較大時,其坡頂往往會產生一定地面變形,對于周邊環(huán)境風險較高的溝槽,其施工風險較大。同時,土釘錨固體易受淺部填土、地下水等因素影響,造成摩阻力下降,因此施工過程中應注意避開地下設施,設置坡頂散水,引導坡面排水等技術措施。土釘墻支護體系簡圖參見圖2。

圖2 土釘墻支護體系示意圖

2.2.3 排樁支護體系

排樁支護結構可采用灌注樁、型鋼攪拌樁、預制鋼筋混凝土板樁和鋼板樁等。樁的排列方式通常有柱列式、連續(xù)式和組合式。排樁支護結構除了受力樁外,有時還包括冠梁、腰梁和樁間護壁構造等構件,一般適用于開挖深度在6～12 m的管線(道)溝槽,當基坑深度大時,可以增設預應力錨桿,提高圍護結構的安全性。排樁支護體系尤其適用于施工場地狹窄、地層條件較差或周邊環(huán)境風險高,支護結構和地面變形要求較高的情況。排樁支護體系安全性高,結合帷幕樁或施工降水,可有效處理地下水,保證施工安全,但由于需要進行圍護樁施工,其施工進度較慢,工程造價高。排樁支護體系簡圖參見圖3。

圖3 排樁支護體系示意圖

2.2.4 內支撐支護體系

內支撐支護結構由支護樁或墻和內支撐構件組成。常用的支護樁或墻結構為鋼筋混凝土樁、鋼板樁及地下連續(xù)墻。內支撐構件常采用鋼筋混凝土梁或鋼管(或型鋼)制作而成,可根據溝槽深度設置一道或多道支撐。內支撐結構體系安全性高,適用于各類較差地層、施工場地狹窄或周邊環(huán)境風險極高的情況。由樁或墻+支撐所組成的的支護體系,整體穩(wěn)定性好,能有效控制邊坡變形,溝槽周邊地面變形很小,從而大大降低施工風險,其開挖深度可達15 m以上,適用于綜合管溝(廊)等特大型市政管線工程。內支撐支護體系安全性高,同時可有效控制和處理地下水,確保施工安全,但由于溝槽內設置了內支撐,對土方開挖影響較大,其施工進度緩慢,工程造價高。內支撐支護體系簡圖參見圖4。

圖4 內支撐支護體系示意圖

2.3 地下水控制措施

地下水控制措施是管線溝槽支護工作中的重要內容,地下水處理不當是基坑失穩(wěn)的重要風險因素之一。當管線埋深不大或填土厚度較大時,由于現狀給排水管線的損壞、滲漏,可能造成局部上層滯水富集,對溝槽開挖影響較大,對于上層滯水可采用集水明排的措施妥善處理。當管線埋深較大,管線施工涉及具有穩(wěn)定水位分布的潛水或承壓水時,應采取井點降水的處理措施,常用的方法有管井降水、輕型井點降水等；在地下水資源緊缺的區(qū)域還可采用止水帷幕的堵水節(jié)水措施,保證溝槽開挖支護結構的安全。

2.4 開挖與監(jiān)測

管線溝槽開挖應結合現場施工條件、支護結構、地下水等情況綜合進行,一般要求分步、分層開挖,嚴禁超挖。如采用土釘墻支護體系時,溝槽開挖應結合土釘墻的布置標高分步進行,一般每步開挖至相應土釘位置以下50 cm。

安全等級為一級、二級的支護結構,在基坑開挖過程與支護結構使用期內,必須進行支護結構的水平位移監(jiān)測和基坑開挖影響范圍內建(構)筑物、地面的沉降監(jiān)測［12］。監(jiān)測內容、類型、頻率、報警值應結合周邊的現狀管線、道路及建(構)筑物綜合考慮確定；對于地下水情況復雜的地段,還應進行地下水的監(jiān)測,如設置水位觀測井等。監(jiān)測點的埋設應與支護結構施工相互配合,施工過程中應注意監(jiān)測點的保護,并與溝槽開挖工作相互配合,信息化施工。

2.5 輔助措施

市政管線溝槽一般集中分布于中心城區(qū),周邊環(huán)境條件復雜；對于重點保護路段,為防止地面沉降過大,或現狀管線滲漏嚴重危及溝槽邊坡安全時,可采用注漿封堵加固、回填反壓等措施妥善處理；對于管線轉角段基槽寬度較大,并出現基坑凸角地段,可采用強支護、緩開挖、勤監(jiān)測的信息化施工輔助措施；對于特殊路段多種工法銜接的情況,應統(tǒng)籌安排施工方案；另外,施工過程中應加強土質鑒別工作,及時調整施工方案,動態(tài)化施工,應對各類特殊情況,采取有針對性的輔助措施。

3 工程案例

3.1 工程概況與周邊環(huán)境

北京市通州運河核心區(qū)新華大街排水管道工程,全長1.8 km,包括有雨水方溝,斷面尺寸W× H=4 000 mm×2 000 mm,采用鋼筋混凝土方溝；污水管線采用DN1 350 mm鋼筋混凝土管道鋪設。管道溝槽開挖深度為5.0～10.0 m,開挖寬度3.5～8.0 m。

工程所在的新華大街是通州區(qū)市政主干路,人流、車流量大,道路等級高,道路兩側分布有大量現狀高層、低層建筑；地下分布有燃氣、熱力、給排水、電力隧道、通信等大量現狀管線,工程周邊環(huán)境情況復雜。

3.2 工程地質與水文條件

該工程場地地質水位情況復雜,管線溝槽開挖主要涉及的土層為人工堆積層及新近沉積層,其中人工堆積厚度較大,普遍厚度3.0～5.0 m,最大厚度可達8.5 m,其巖性主要為房渣土、碎石填土及素填土,含大量建筑垃圾、成分雜亂,工程性質極差。新近沉積層主要為第②大層的黏性土、粉土層,管線基底及溝槽邊坡主要涉及：粉質黏土、重粉質黏土②層,可塑～軟塑狀態(tài)；砂質粉土、黏質粉土②1層,飽和、稍密～中密。第四紀沉積的第③、④層細砂、中砂層,飽和、密實～中密,工程性質相對較好。上述地層主要巖土力學參數參見表3。

表3 主要地層巖性及其主要巖土力學參數表

該工程地下水位埋深較淺,水文地質條件復雜,場區(qū)穩(wěn)定分布有潛水,埋深約11.0～13.0 m,年變化幅度2 m左右,賦存于第③、④砂土層中。該工程管線埋深達5～13 m,局部位置管線位于潛水含水層以下；另外,受周邊現狀給排水管道滲漏的影響,該工程填土內普遍賦存有上層滯水,水位埋深2.5～8.0 m,水量較大。

3.3 支護方案的比選

根據規(guī)范［13］要求,按照基坑(槽)深度和鄰近建筑物或管線與坑邊相對距離比、水文條件、對周邊環(huán)境的破壞后果等全面綜合確定該工程基坑等級為二級。

擬建管線溝槽開挖支護具有以下特點：(1)開挖深度及寬度較大；(2)周邊環(huán)境條件復雜,溝槽邊緊鄰現狀主干路,兩側有密集的地面建筑物和現狀管線；(3)填土厚度變化大,有多層地下水,水文地質條件復雜。該項目明顯不具備采取放坡開挖的條件,需直槽加支護方式對溝槽進行施工。結合地區(qū)工程經驗,可考慮采用土釘墻+噴射混凝土、鋼筋混凝土排樁支護和鋼板樁+鋼管支撐等支護體系。

表4對上述三種支護方案進行了比選,土釘墻+噴射混凝土方案地面變形不易控制,同時土釘施工易受到填土及地下水的影響,支護結構安全性差。鋼筋混凝土排樁支護結構安全性好,但需要進行鋼筋混凝土支護樁施工,施工周期長,造價高。如果采用鋼板樁進行支護,可節(jié)省成樁養(yǎng)護時間,同時材料可以循環(huán)利用,節(jié)約了工程造價,同時輔以鋼管進行支撐,能有效提高支護結構的安全性,控制周邊地面變形,因此,綜合分析考慮采用鋼板樁+鋼管支撐支護體系。

表4 支護體系方案分析對比表

3.4 支護方案與效果

3.4.1 支護方案

根據溝槽開挖深度,劃分為3個支護剖面,支護樁采用工字鋼I36b,樁間距0.5 m(一順一丁),支撐結構采用Φ325@3 m鋼管,腰梁采用I36b工字鋼,支護方案參數詳見表5,典型支護剖面參見圖5。

表5 支護方案參數表

圖5 支護結構圖(槽深10 m,3道支撐)

3.4.2 其它措施與支護效果

結合地下水位埋深和類型,采取了集水明排+管井降水的控制措施,局部水位埋深較淺地段與槽底布置了疏干井,保證地下水位位于基底以下。結合規(guī)范要求［13］布置了監(jiān)測方案,該工程監(jiān)測項目及預警值參見表6。

表6 監(jiān)測方案一覽表

該工程結合實際情況采用了鋼板樁+內支撐的支護體系,有效控制了支護結構的變形,確保了周邊道路、現狀建筑及地下管線的安全,取得了很好的支護效果。工程實踐證明,鋼板樁+內支撐支護體系對于周邊環(huán)境復雜,工程地質、水文地質條件較差的地區(qū),具有很好的適用性。

4 結語

市政管道應重視地質勘察和周邊環(huán)境調查工作。常用的溝槽主要有放坡開挖、臨時支擋、土釘墻、排樁、內支撐等支護體系。支護結構的選型應結合周邊環(huán)境條件、地質及地下水情況、工程造價和工期要求綜合分析確定。根據地下水類型,采取有效手段降低地下水水位或封堵疏排措施,注重周邊環(huán)境風險的監(jiān)測,做到開挖與支護相結合,信息化施工,積極探索新工藝、新方法、新材料,因地制宜采取經濟安全的支護體系。

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TU990.3

B

1009-7716(2015)09-0229-05

2015-04-20

李永東(1982-),男,江西九江人,注冊土木工程師(巖土),主要從事巖土工程勘察設計工作。