武 恒，潘家明，李圃林

(天津市地質(zhì)工程勘察院，天津 300191)

1 引言

市政管道工程中，流量計井、檢查井等結(jié)構(gòu)設(shè)施往往與管道埋設(shè)施工一同完成，或先于管道建成，預留接口等待管道聯(lián)通，稱為“管找井”。但有時也存在管道先行施工完成后，再進行井體結(jié)構(gòu)的施工，即要實現(xiàn)“井找管”。因為既有管線的存在，常規(guī)支護結(jié)構(gòu)無法閉合，基坑開挖存在一定的安全隱患。

豎井支護工藝是一種基于新奧隧道法原理，在原位土體中開挖豎井，打設(shè)注漿錨桿加固豎井周邊土體，鋪設(shè)鋼格柵架并噴射混凝土作為圍護結(jié)構(gòu)，由上向下隨挖隨支護，逐步形成豎向通道。這種工藝對開挖穿越各種復雜地層適應(yīng)性強，豎井斷面形式根據(jù)需要靈活可變，可以很好地解決“井找管”的技術(shù)難題。

目前工程中的豎井大多根據(jù)經(jīng)驗設(shè)計和施工，尚無完整準確的計算方法。本文詳細介紹了豎井支護工藝在天津濱海軟土地區(qū)某市政工程基坑中的成功應(yīng)用案例，以及豎井支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算方法施工工藝流程和管道加固保護措施。

2 工程概況

2.1 項目概況

項目位于天津市濱海新區(qū)，擬建物為已有污水管線的流量計井，需穿過已有管道建造。主體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，建筑平面尺寸5 m×5 m。已有污水管線為該區(qū)域重要排污管道，直徑1.5 m，埋深8.7 m，混凝土材質(zhì), 采用頂管法施工完成，每節(jié)管線長度3.0 m。污水管線已投入使用，施工期間必須確保其安全。

工程場地現(xiàn)地坪標高約為大沽標高+4.45 m，流量計井底板底標高大沽-6.20 m，墊層厚度100 mm，坑底標高-6.30 m，基坑實際開挖深度為10.75 m(圖1)。

圖1 擬建流量計井結(jié)構(gòu)剖面

2.2 周邊環(huán)境

基坑西側(cè)距離既有公路21.3 m，距路邊高壓輸電線(220 kV)最近約3.0 m?；訓|側(cè)距離已有燃氣管線最近約4.2 m。其中燃氣管線為鋼質(zhì)圓管，埋深3.58 m，已投入使用。

圖2 項目總平面

2.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

項目所在地淺部為典型的濱海軟土地層，存在深厚的淤泥質(zhì)土。根據(jù)巖土工程勘察報告，將場地地層情況以及物理力學參數(shù)統(tǒng)計如表1所示。其中土層c、φ指標為直剪快剪指標標準值，素填土指標為經(jīng)驗值。

表1 地層分布及物理力學參數(shù)統(tǒng)計

場地淺層地下水以潛水為主，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化。水位變化幅值0.50～1.00 m。地下水位穩(wěn)定水位埋深1.1～1.2 m。

3 基坑支護方案比選

3.1 常規(guī)支護方案分析

基坑西側(cè)臨近高壓輸電線，其中距離最近的高壓線僅3.0 m，高壓電線凈高8.5 m。可供圍護結(jié)構(gòu)施工的空間十分有限，根據(jù)有關(guān)安全要求以及工藝限制，常規(guī)的鉆孔樁、鋼板樁以及水泥土攪拌樁等均無法施工。

此外，擬建物需在已有管道的位置上建造，必須做好保護措施，確保管道不被擾動和破壞。因此，在管道通過的范圍內(nèi)，常規(guī)樁墻式支護結(jié)構(gòu)和沉井工藝無法實現(xiàn)閉合。

3.2 豎井支護方案說明

隧道及地下工程中豎井開挖常采用錨噴支護形式，其本質(zhì)為逆做工藝，即分步開挖，隨開挖隨支護，挖完支完。該工藝利用鋼格柵+錨桿承受巖土壓力，鋼格柵之間掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片并噴射混凝土封閉開挖面，用以防止土方塌落。該工藝不需要大型施工設(shè)備，可以不受基坑周邊道路和管線影響。同時該工藝機動靈活，可操作性高，便于及時對工程中重點保護對象污水管線采取加固保護措施(圖3、4)。

圖3 豎井支護平面

圖4 豎井支護剖面

據(jù)初步計算，基坑平面尺寸較小，空間效應(yīng)使得豎井側(cè)壁之間互相約束，可以不設(shè)置錨桿，單獨利用鋼格柵側(cè)壁承受土壓力，從而簡化施工工藝，降低支護結(jié)構(gòu)造價。

為保證豎井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在井口處設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土鎖口圈梁一道，鎖口圈梁底面設(shè)混凝土墊層。鎖口圈梁向下預留鋼筋接頭作為豎向連接筋。基坑側(cè)壁按照分層開挖、初噴混凝土、掛設(shè)內(nèi)層鋼筋網(wǎng)、焊接內(nèi)側(cè)豎向連接筋、加設(shè)鋼格柵、焊接外側(cè)豎向連接筋、掛外側(cè)鋼筋網(wǎng)、錨噴混凝土的工序由上而下逐步施工。

3.3 管道加固措施

為保證污水管線安全，管線以上設(shè)兩榀密排格柵，并沿管道外沿設(shè)置雙排小導管注漿加固。沿管線周邊設(shè)置環(huán)形封閉鋼格柵作為加強環(huán)，并與水平向鋼格柵焊接。加強環(huán)范圍內(nèi)水平向鋼格柵設(shè)工字鋼作為臨時支撐。此外，管道以下土方應(yīng)分段挖除，必要時管道懸空部分應(yīng)采取懸吊保護措施(圖5)。

圖5 管道加固示意圖

4 支護結(jié)構(gòu)計算

豎井支護工藝多應(yīng)用于礦井和地鐵隧道的輔助措施，設(shè)計施工以經(jīng)驗為主，目前尚無成熟的計算理論和模型可供參考。分別將該項目中側(cè)向土壓力、鎖口圈梁、鋼格柵、混凝土護壁的設(shè)計計算方法介紹如下。

4.1 側(cè)向土壓力計算

不同于常規(guī)支護工藝，豎井支護工藝的工序是先開挖、后支護，即允許側(cè)壁土體發(fā)生一定的變形后，再施工支護結(jié)構(gòu)，承受后續(xù)的側(cè)壁土壓力。經(jīng)典土力學中主動土壓力的描述是墻后填土使得墻體發(fā)生一定位移，當位移達到某一界限值時，土體將出現(xiàn)滑動面，形成的土楔體將沿滑動面下滑，滑動瞬間作用在墻背的土壓力為主動土壓力。經(jīng)對比，兩者之間的描述比較吻合，因此決定采用郎肯主動土壓力理論計算支護結(jié)構(gòu)所承受的側(cè)向土壓力，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 側(cè)向土壓力計算結(jié)果

4.2 鎖口圈梁承載力計算

為防止豎井側(cè)壁下沉，在井口設(shè)置鎖口圈梁，截面尺寸1.5 m×0.6 m，圈梁下設(shè)置混凝土墊層，厚度100 mm，寬度要求超出圈梁范圍100 mm以上。圈梁墊層底地層承載力fak建議值為85 kPa。鎖口圈梁以及側(cè)壁重度取為25 kN/m3。豎井側(cè)壁的摩阻力以及端部承載力作為安全儲備，不在計算中體現(xiàn)。取單位長度對象進行驗算。

Gf=1.5 m×0.6 m×1 m×25 kN/m3=22.5 kN(1)

Gp=0.4 m×7.5 m×1 m×25 kN/m3=75.0 kN(2)

G=Gf+Gp=97.5 kN

(3)

F=fak×A=102 kN

(4)

F>G，承載力滿足要求。

式(1)～式(4)中，Gf為鎖口圈梁自重；Gp為豎井側(cè)壁自重；A為圈梁墊層底與所在地基實際接觸面積；fak為地基承載力。

4.3 鋼格柵受力計算

格柵的受力隨基坑深度而增加，因此格柵的豎向間距也隨基坑深度增加而加密，即污水管道以上格柵豎向間距為0.5 m，污水管道以下直至坑底格柵豎向間距為0.4 m。選取最深處h=10.35～10.75 m區(qū)間的鋼格柵作為計算對象，鋼格柵將承擔該豎向間距內(nèi)的土壓力。運用啟明星BSC4.0程序，進行鋼格柵平面的整體計算(圖7)。

圖7 鋼格柵平面整體計算結(jié)果

4.4 護壁受力計算

將每側(cè)兩榀鋼格柵之間的護壁簡化為5 m×0.3 m且四邊固定的樓板，并按照單向板進行結(jié)構(gòu)計算。根據(jù)側(cè)向土壓力計算結(jié)果，護壁所承受的最大水平荷載為101.814 kPa。計算護壁承受的最大彎矩：

護壁承受的最大剪力：

格柵層間最大錯動應(yīng)力：

F=(qi-qi-1)A=16.25 kN。

5 基坑支護效果評價

第三方監(jiān)測單位對于基坑周邊地面沉降進行了監(jiān)測，測點布置圖及東西兩側(cè)的監(jiān)測結(jié)果見圖8～10。

圖8 基坑周邊沉降監(jiān)測點布置示意

圖9 基坑東側(cè)沉降變化曲線

圖10 基坑西側(cè)沉降變化曲線

基坑施工期間，圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全穩(wěn)定，未出現(xiàn)圍護開裂、側(cè)壁漏水、地面沉降等異常情況，污水管線與燃氣管線正常運行，支護效果良好。

6 結(jié)語

(1)豎井支護工藝施工過程機動靈活，易于控制，便于采取多種措施隨時保護既有管線，可以很好地解決類似“井找管”問題。

(2)文中關(guān)于側(cè)向土壓力、鎖口圈梁、鋼格柵、混凝土護壁的設(shè)計計算方法安全合理，可以作為類似工程的參考。

(3)快速施工是保證豎井支護成功的關(guān)鍵，及時封閉開挖面，架設(shè)鋼格柵，才能有效地防止側(cè)壁土體坍塌。

(4)豎井施工時必須做好降水井、集水坑等降排水措施，防止地下水長時間浸泡井壁，造成土體垮塌。

(5)可結(jié)合內(nèi)支撐與錨桿措施，進一步擴大豎井支護工藝的應(yīng)用范圍，解決較大尺寸的類似深基坑的支護問題。