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紧邻大直径浅埋原水管深基坑工程设计与实践

2024-07-19 29 上传者：管理员

摘要：以福州江阴电力管廊隧道项目为例，针对长距离紧邻的大直径原水管的保护，介绍深基坑工程的实施方案，重点说明所采取的拉森钢板桩和外侧增加H型钢的围护体结构，竖向设置两道钢管水平支撑和坑底进行旋喷桩被动区加固等关键技术方案。监测结果表明，在基坑开挖和换撑过程中引起的管线位移限值均在可控范围内，采用的设计方案是合理有效的。

关键词：
基坑监测
大直径管线
深基坑
被动区加固
钢板桩
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城市电力隧道工程在实施过程中，地下管线迁改及管线保护与工程施工存在重要的制约和依存关系[1]。电力管廊隧道埋置于地下多采用明挖或暗挖施工方式，施工中必然与其他既有市政设施存在交互影响[2,3,4]。为了电力管廊工程的顺利实施，一方面需要将电力管廊结构范围内的管线进行迁移；另一方面对不在结构范围内或临近的管线，采取有效措施进行保护[5]。由于城市施工空间狭窄，深基坑在开挖过程中，土体的开挖卸荷扰动破坏了土体的初始应力状态，导致基坑周围土体位移实时变化，围护结构和土方开挖时容易对既有设施管线造成破坏[6,7,8]。

深基坑软土地质和正在营运中的大管径带压原水管、污水管、燃气管，具有管径大、易破损、维修困难等特点，一旦施工中发生破坏，不但危及基坑施工人员生命安全，还会给工业园区企业的正常生产造成严重影响，严重者造成企业停产，经济损失不可估量[9]。如何在保护好既有地下管线的前提下，确保新建地下电力管廊工程安全顺利地实施，对建设管理者提出新的挑战[10]。

本文以福州江阴港城经济区电力管廊深基坑工程为背景，介绍了软土地区处于复杂环境条件下深基坑工程围护体和支撑体系的设计方案，通过对深层土体和原水管线的位移监测分析，研究基坑在施工过程中对长距离紧邻浅埋大直径原水管的保护方案和对策措施的有效性。

1、工程案例

1.1环境概况

该项目电力管廊隧道位于福州江阴工业区，线路从已建220 kV顺宝变出线后，沿顺宝河北岸绿化带，左拐往南穿越顺宝河、顺宝路后，沿厂区边界往南敷设至华兴路，再沿华兴路北侧机动车道走线后接入新建220 kV盛华变。新建电缆土建路径长度1.7 km,全线采用双舱电缆隧道敷设，共规划布置10回电缆断面(6回220 kV和4回110 kV),两侧六层布置，主体结构宽4.3 m×高4.5 m。基坑开挖宽度6.3 m,开挖平均深度7.5 m。由于基坑处于软土地质，地基采用旋喷桩加固，支护根据周边环境特点，采用拉森钢板桩或灌注桩+旋喷桩止水支护形式(见图1)。

图1基地环境总平面图

1.2环境条件

该项目建设环境复杂，沿线分布多家企业，施工区域内管线众多，存在燃气、热力、给水、雨污、工业污水、电力等管道，管线类型有玻璃钢管、铸铁管、塑胶管、混凝土管、PVC管等。主要影响管线：DN1 400玻璃钢带压原水管(长距离并行、前后交叉3次)、1个DN400燃气管、2个DN500玻璃钢带压污水管、DN600和DN800铸铁带压水管、10 kV的6孔MPP材质电力排管等。对基坑范围内的上穿管线主要采用凿除保护层、悬吊、支撑等方式进行管线保护。

其中在鑫源肥业和华光仪表厂区存在一根直径为DN1 400的大直径原水管，玻璃钢材质，并行长度约300 m,原水管顶埋深约为2.5 m,与支护结构净距约为1.0 m～3.0 m,采用明挖法施工，大直径原水管压力1.6 MPa,壁厚25 mm,每节长度12 m,采用承插式接头。该原水管供应园区多家企业，铺设年代久远，整体性、稳定性差，抗变形能力弱，一旦土体变形极易造成承插接头脱节，导致管体漏水，是本基坑施工过程中重点关注对象。

1.3工程地质和水文地质情况

项目场地地势整体较为平坦，场地现状主要为现状道路、荒地、工业园区、施工工地、河道等。工程场地地貌类型属滨海相冲淤积平原地貌。

根据现场钻探及所收集的岩土工程资料，路径沿线按各岩土层的成因、结构及岩性特征分述如下：①杂填土，松散为主、承载力较低，厚度为0.8 m～1.6 m;①1填(含泥)中粗砂、人工吹填，厚度为0 m～2.4 m,局部段缺失。②淤泥质土，海积成因，局部表现为淤泥，饱和、流塑状态，含腐殖质，土层表现为高压缩性，承载力特征值65 kPa,工程力学性质很差，厚度为7.9 m～13.2 m。③粉质黏土，可塑为主，局部硬塑，为中压缩性土层，厚度为3.0 m～4.4 m。场地水位埋深一般在0.50 m～2.30 m间不等。地基均匀性评价属不均匀地基。场地浅层分布厚度较大的淤泥质土，为基坑开挖主要影响土层。土层的物理力学指标见表1。

表1土层的物理力学指标

2、基坑总体设计方案

2.1支护结构

项目基坑开挖深度6 m～11 m,平均开挖深度约7.5 m,为防止基坑左侧紧邻的大直径原水管在施工过程中发生渗漏，设计中采取了综合技术保障措施。基坑在与原水管并行段采用拉森钢板桩的围护体系方案。项目采用PU400×170的Ⅳ型拉森钢板桩作为围护体，钢板桩长度12 m。为了降低基坑开挖对原水管的影响，在靠原水管的拉森钢板桩外侧增加H型钢，以增加围护体结构刚度。基坑内采用对撑体系，竖向设置两道钢管水平支撑，水平支撑采用ϕ 377×10,间距4.5 m。采用双道支撑体系有利于控制基坑变形，防止“踢脚”现象。

2.2基底加固

为提高电力隧道底部地基承载力和被动区土体抗力，减小基坑变形，防止坑底踢脚隆起造成周边管线变形，尤其是减小对紧邻大直径原水管的影响，对电力隧道底部采用高压旋喷桩进行地基加固，旋喷桩直径为ϕ 600 mm,桩间距横向1.2 m,纵向1.0 m,采用单管法施工。旋喷桩中的水泥掺合量由成桩桩径所需水泥浆液量换算得到，水灰质量比为1.0;水泥掺量不小于580 kg/m3。水泥土加固体龄期28 d的无侧限抗压强度qu应不低于1.8 MPa;经地基加固后其复合地基承载力特征值应大于85 kPa。原水管围护布置图见图2,图3。

图2基坑原水管围护示意图

图3原水管围护平面布置图

2.3土方开挖

合理的土方开挖能有效控制基坑变形，本项目采用长臂挖机配合坑底小型挖机清底的方式，对基坑土体进行开挖。基坑开挖采用先撑后挖、分段和分区的原则进行开挖。为减少软土触变的影响，坑底清底后应及时进行中粗砂褥垫层的铺设和素混凝土垫层的浇筑，减小坑底暴露时间，控制周边管线的变形。

2.4施工步骤

本项目工程实施步骤划分见表2。

表2基坑施工步骤划分

3、基坑开挖对原水管线实测监测结果

该项目对基坑和周边环境尤其是原水管进行实时监测，监测项目有围护桩的深层土体位移、支撑轴力、邻近建(构)筑物和周边市政管线的变形等。图4为主要施工工况下的土体侧向位移情况，其中深层测斜管埋设在钢板桩背面。从图4中可看出，当土方开挖至基底时，发生较大的土体侧向位移，开挖面的最大侧向位移达到35 mm,此时应及时进行褥垫层和素混凝土垫层施工，从而达到控制基坑变形目的。土体的最大侧向变形发生在拆除第二道支撑阶段，基坑土体最大侧向位移达到40 mm,此时隧道底部的换撑带对围护桩形成了有效的支撑，限制土体的侧向变形。

图4土体的侧向位移情况

图5为电力管廊隧道施工过程中基坑西侧原水管线的沉降监测结果，监测点布设间距为30 m。以土方开挖为计时零点。从图5中可以看出，在基坑开挖的初始阶段原水管线各点沉降较大，管线的变形随着基坑的开挖不断加大，表明浅层土体开挖相较于深层土体开挖对原水管线的影响更大。当基坑垫层和混凝土底板浇筑完成后，原水管线的沉降得到限制；当拆除第二道支撑后，各点沉降基本保持稳定。从图5中可以看出，工程实施期间原水管线累计最大沉降量为32 mm,虽然超过GB 50497建筑基坑工程监测技术标准对刚性压力管道的变形20 mm的预警值要求，但未发生明显水管漏水状态，原水管的沉降处于可控状态，表明设计采用的支护方式是合适的。

图5临近原水管的沉降测量值

4基坑开挖对原水管线影响的数值模拟

为了研究基坑开挖对原水管线的影响，采用岩土有限元软件Plaxis2D模拟基坑开挖过程的管线位移变化趋势。计算基本假定为：

1)土体采用小应变刚度硬化模型，模拟基坑开挖土体应力状态；2)钢板桩、原水管道和横向支撑采用线弹性模型，其中钢板桩和原水管采用板单元，横向支撑采用锚杆单元；3)土体与结构物的接触面，设置无厚度的界面单元，界面强度采用强度折减因子Rinter来模拟[11,12,13]。

图6为有限元计算的变形情况。结果表明，本工程采用“拉森钢板桩+两道钢管支撑”的支护形式，基坑开挖引起邻近大直径原水管线的最大位移值达到28 mm,与监测结果基本吻合。通过建立模拟基坑分步开挖对地下原水管线影响的有限元模型，分析基坑土体和管道的变形，可以得出以下结论：1)原水管道越靠近支护桩，管道的变形越大；而墙背土体位移越小；2)软土地质情况下，基坑在坑底位置的水平变形量较大，因为钢板桩的刚度较小，土压力作用导致“踢脚”现象，在钢板桩外侧增加工字钢可降低基坑变形；3)由于软土的触变性，软土土体和管道的变形是渐进式发展的，受基坑支护结构的影响，原水管道的变形以水平位移为主。

图6基坑开挖的有限元模拟的变形云图

5、结语

从电缆隧道基坑的整体工程实践来看，基坑开挖引起的紧邻原水管线位移值均在安全可控范围内，未发生脱节渗漏现象，说明该项目设计和施工方案是成功的。通过工程实践，得到以下结论：

1)设计采用了拉森钢板桩和外侧增加H型钢的围护体结构，增加围护体的整体结构刚度，基坑采用两道钢管水平支撑和坑底进行旋喷桩被动区加固，限制基坑变形，保护基坑周边管线安全。

2)浅层土体相较于深层土体开挖对原水管线的影响更大。土体的最大侧向变形发生在拆除第二道支撑阶段，为防止侧向土体过大变形，应重视隧道底部的换撑带施工。

参考文献:

[1]刘颖.软土地层复杂环境条件下深基坑施工变形及力学性能研究[D].南昌:南昌大学,2017.

[2]刘若彪.紧邻大直径管线的深基坑工程设计实践[J].岩土工程学报,2021,34(增刊):598-602.

[3]朱琴君,庞志辉,何伟,等.基坑工程对邻近天然气管道的影响及管道防护[J].煤气与热力,2020,40(6):38-42.

[4]张敏华.超大基坑施工近距离平行地下供能管沟的变形控制[J].城市道桥与防洪,2019(4):162-165.

[5]陶露萍.紧邻原水管及工作井的深基坑工程设计实践[J].建筑科学,2020,36(增刊):198-203.

[6]李进军,王卫东,邸国恩,等.基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析[J].岩土力学,2007,28(增刊):623-629.