地下综合管廊明挖基坑支护措施分析及设计优化
（四川华通建设工程造价管理有限责任公司，四川 成都 610000）
摘 要：城市地下综合管廊体量大，埋深较深，明挖施工过程中深基坑支护措施费用较高，部分综合管廊基坑支护费用甚至高于管廊主体结构费用。基坑支护作为管廊明挖施工临时措施，在管廊主体结构规模确定的情况下，深基坑支护方案的选择往往决定了项目整体造价的投入。本文在对地下综合管廊常用的各明挖基坑支护措施的适用条件、造价指标、优点和缺点进行分析的基础上，提出明挖基坑支护设计时如何选择支护方案，以及如何进行设计优化的建议，并以某管廊项目明挖基坑支护优化为例，详细介绍了具体的优化内容，供大家参考。
关键词:综合管廊;明挖基坑;支护措施;设计优化
0 引言
地下综合管廊是我国城市现代化发展规划中的一项重要的基础设施。建造地下综合管廊可以有效解决城市地下市政管线维护、道路因管线施工频繁开挖等问题。近年来，随着城市快速发展，越来越多的城市道路建设项目中包含了建造地下综合管廊。在施工方法上，成都市地下综合管廊工程多采用明挖基坑支护施工。
1 基坑支护的作用
基坑支护是指为保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边环境采用的支挡、加固与保护措施。其主要有以下两方面的作用。
（1）保证基坑四周的土体的稳定性，同时满足基坑结构施工有足够空间的要求，这是土方开挖和基坑内结构施工的必要条件。
（2）保证基坑四周相邻建筑物和地下管线等设施在基坑支护和基坑结构施工期间不受损害，即基坑四周土体不变形，包括地面和地下土体的垂直和水平位移要控制在允许范围内。
2 常用基坑支护措施分析
2.1 坡率法
坡率法基坑开挖方式如图1所示。
图1 坡率法基坑开挖断面图
（1）适用条件
管廊基坑周边场地开阔，具备放坡开挖条件，基坑土质稳定。通常适用场地开阔且基坑开挖较浅的综合管廊基坑支护。
（2）造价指标
按图1所示采用坡率法开挖，并在边坡面喷射混凝土时的造价指标约2300元/每延米（基坑深度6m）。
（3）优点
相比于其他支护措施放坡开挖最经济，同时施工便捷，基坑施工时间较短，节约工期。
（4）缺点
土石方开挖及回填工程量大，要求基坑土质稳定。
2.2 土钉（或锚杆）支护
土钉支护基坑开挖方式如图2所示。
图2 土钉支护基坑开挖断面图
（1）适用条件
管廊基坑周边场地开阔，具备一定放坡开挖条件，基坑土质稳定。目前广泛应用于场地开阔地段基坑开挖较浅的综合管廊支护。
（2）造价指标
按图2所示采用土钉支护基坑开挖，造价指标约6800元/每延米（基坑深度7.15m）。
（3）优点
支护结构稳定、经济，施工便捷，目前广泛应用于场地开阔综合管廊基坑支护。
（4）缺点
土石方开挖及回填工程量大。锚杆不能在有机质含量较高的土中使用。土钉不能在地质条件差含水量较高的土中使用。
2.3 混凝土灌注排桩+内支撑
混凝土排桩+内支撑下基坑开挖方式如图3所示。
图3 混凝土排桩+内支撑基坑开挖断面图
（1）适用条件
管廊基坑无放坡开挖条件，基坑较深时，适用于各种土质基坑。
（2）造价指标
按图3所示采用混凝土排桩+内支撑基坑开挖，造价指标约32000元/每延米（基坑深度8m）。
（3）优点
支护强度高、刚度大、稳定性好、土石方开挖回填工程量小，是目前城区基坑施工无放坡条件时最常用的支护措施。
（4）缺点
造价较高，支护桩施工周期长，因设置内支撑而不便于土石方施工。
2.4 悬臂桩支护
悬臂桩支护下基坑开挖方式如图4所示。
图4 悬臂桩支护下基坑开挖断面图
（1）适用条件
管廊基坑无放坡开挖条件，基坑较深，基坑单侧存在建筑物或基坑宽度较大不便于设置内支撑时。
（2）造价指标
按图4所示采用悬臂桩支护下基坑开挖，造价指标约35000元/每延米（基坑深度6.36m）。
优点：支护强度高、刚度大、稳定性好、土石方开挖回填工程量小。
缺点：造价高，支护桩施工周期长。相比于设置内支撑的双排桩，悬臂桩嵌固深度更深，桩径通常更大。
2.5 咬合桩支护
咬合桩支护下基坑开挖方式如图5所示。
图5 咬合桩支护下基坑开挖平面示意图
（1）适用条件
管廊基坑无放坡开挖条件，地下水丰富或靠近既有水系，为确保基坑侧壁止水及支护效果时采用。
（2）造价指标
按图5所示采用咬合桩支护下基坑开挖，造价指标约59000元/每延米（基坑深度17m））。
（3）优点
支护强度高、刚度大、稳定性好、止水效果好。土石方开挖回填工程量小。
（4）缺点
造价高，支护桩施工周期长。
2.6 钢板桩（型钢桩）+内支撑
钢板桩（型钢桩）+内支撑下基坑开挖方式如图6所示。
图6 钢板桩支+内支撑下基坑开挖断面图
（1）适用条件
管廊基坑无放坡开挖条件，基坑土层中无卵石、孤石等障碍物。
（2）造价指标
7900元/每延米（基坑深度7m）。
（3）优点
施工便捷，工期短，支护强度高、稳定性好、土石方开挖回填工程量小，同时钢板桩可重复循环利用，造价低。
（4）缺点
土层中卵石、孤石含量较高以及基坑为岩层时难以施工，通常市面钢板桩最长约15m，在设置内支撑的情况下土质较好时基底需嵌固桩长约1/3,不设内支撑时基底需锚固桩长约2/3。因此，采用钢板桩支护基坑深度不宜超过10m（通常7m内），基坑深度较深时不宜采用。
3 基坑支护措施选择
不同基坑支护措施造价差异较大，因此基坑支护措施方案往往决定了地下综合管廊基坑支护费用的投入。结合不同基坑支护措施造价情况，基坑支护措施方案选择建议如下。
（1）场地开阔具备放坡开挖条件时，优先采用坡率法放坡开挖。当基坑较浅且地质情况较好边坡稳定时，可优先采用放坡+喷射混凝土的支护形式(视土质情况采用素喷或挂钢筋网喷，如泥岩层基坑，其本身地质情况很稳定，仅需做基坑表面素喷封水等处理即可）。边坡坡率可根据地质情况计算确定。如基坑较深，且地质情况复杂，可考虑采用土钉（或者锚杆）的支护形式。
（2）当基坑位于城市道路下，受构筑物影响，不具备放坡条件时，可优先考虑钢板桩+内支撑的支护形式。如基坑较深，或基坑土层中卵石、孤石含量较高不具备钢板桩施工条件时可采用排桩+内支撑的支护形式。通常情况下采用排桩支护，当现场条件具备双侧桩+内支撑时，尽可能采用双侧桩+内支撑的结构形式。采用单侧悬臂桩，另一侧放坡开挖的基坑支护形式不一定比双侧桩+内支撑更经济。因单侧悬臂桩需要桩身强度、刚度均大于双侧桩+内支撑，导致悬臂桩单桩截面更大、埋入基坑底部的嵌固深度更深，桩身含钢量更高。结合另一侧放坡开挖增加的土石方工程量，综合指标并不经济。当受现场条件限制如基坑宽度较宽不便于设置内支撑或现场原地面起伏较大只能设置悬臂桩时，可考虑设置腰梁增设锚索的形式优化桩身受力，减少悬臂桩嵌固深度及桩身截面尺寸。
（3）当基坑紧邻河道或其他水系时，为确保基坑止水效果可采用咬合桩支护或钢板桩支护。
4 基坑支护措施优化
4.1 施工工序优化
（1）当管廊基坑位于道路挖方段时，优先进行道路土石方开挖。道路土石方开挖至道路结构下（有加强层时施工至加强层以下）土路床时，再进行管廊基坑土石方施工。基坑直接由原地面开挖相比先进行道路土石方开挖的优点有：①可减小管廊基坑深度，降低基坑施工风险，同时也便于管廊结构施工；②基坑深度减小，可减少管廊基坑支护工程量；③基坑深度减小，管廊基坑涉及的降水井等工程量相应减少。
（2）当管廊基坑位于道路填方段时，同理优先进行管廊基坑及结构物施工，在减小基坑深度的同时相应减少基坑支护、降水井等措施工程量。填方段管廊基坑开挖断面如图7所示。
图7 填方段管廊基坑开挖断面图
4.2 支护结构优化
（1）喷射混凝土厚度优化
基坑喷射混凝土厚度方案在设计时建议结合基坑土质情况、基坑坡比、经济指标进行合理考虑。参考四川省地方标准DB51/T5072-2011《成都地区基坑工程安全技术规范》：“通常情况下混凝土面层厚度不小于 100mm，设计强度等级不小于 C20”，建议在此范围内合理计算确定喷射砼厚度。
（2）土钉、锚杆规格及长度优化
建议土钉、锚杆长度结合基坑土质情况、沟槽坡比合理计算，可参考四川省地方标准DB51/T5072-2011《成都地区基坑工程安全技术规范》：“①土钉的间距不应大于 2.0m；②土钉筋体材料采用直径为不小于 16mm 的Ⅱ级、Ⅲ级钢筋，可用等强度钢管替代；③混凝土面层中配置钢筋网，钢筋直径不应小于 6mm，间距和筋网搭接长度大于 250mm，加强螺纹钢筋直径不应小于φ14”。
4.3 排桩桩径、间距、内支撑间距优化
目前成都区域排桩支护桩径通常采用1.2米，部分地质条件复杂、埋深较深的综合管廊基坑采用1米桩径也能满足支护要求。多数项目桩径选用相对保守，因为截面大容易导致支护结构造价增加。当排桩间距通常净间距不低于80cm，内支撑间距不大于6m时，建议在此范围内结合基坑周边条件、深度及地质情况尽可能对其优化。
4.4 支护结构与主体施工统筹考虑
采用排桩支护时可优先考虑图8所示的管廊贴壁支护桩施工。若如图9所示在支护结构与管廊结构间留有肥槽，由于该区域空间较小不便压实回填，通常需采用水稳或低标号砼回填，施工不便且造价较高。采用排桩支护时桩身间均需网喷混凝土，支护结构可考虑紧贴管廊外壁，管廊结构施工时可利用支护结构作为管廊外壁模板，以减少外侧管廊模板及肥槽回填工程量。
图8 管廊贴壁支护桩基坑开挖断面图
图9 支护与管廊结构间留肥槽基坑开挖断面图
5 基坑支护优化实例
成渝高速入城段（三环路—绕城高速）改造工程项目位于成都市中心城区东部，呈东西走向，横跨成都市成华区、龙泉驿区，西起三环路成渝立交，东至成渝高速路收费站，长约4.18Km。项目包括成渝高速北侧管廊（主廊）、成渝高速南侧管廊（主廊）和支廊，管廊总长度为5951m，标准段面为三仓综合管廊。由于地处城区段改造项目，无放坡开挖条件。
5.1 原基坑支护方案
项目设计单位按照常规做法进行施工图设计的综合管廊基坑支护方案如图10所示。
图10 优化前基坑支护典型断面图
设计支护说明：
1）本图尺寸以cm计，该段基坑开挖深度为8.28m，基坑底宽为12.3m；
2）采用排桩+单排钢管内支撑支护：桩径1.0m，桩中心距1.50m，桩长15m，C30混凝土浇筑，桩顶设置1.0m×1.0m冠梁；一道钢管内支撑φ609@4000,长度12.3m；
3）桩间采用挂网喷射混凝土支护，钢筋网采用HPB300φ8钢筋，间距20*20cm，加强筋采用φ16钢筋，间距150*150cm，加强筋深入硬化地表长度不小于100cm，钢筋挂网下方深入坑底不少于10cm，上方深入硬化地表不少于30cm，喷射混凝土C20。
经测算优化前基坑支护造价指标：约43000元/每延米。
5.2 优化基坑支护方案
根据设计单位基坑支护图测算，本项目基坑支护费用指标较高，涉及金额较大。经业主单位组织设计、专家多方论证，最终确定本项目综合管廊基坑支护优化方案如图11所示。
图11 优化后基坑支护典型断面
设计支护说明：
1）该基坑工程施工的前提条件是已完成施工场平，场平标高为设计路面面层标高以下1.5m，本次施工图设计只针对于场平工作已完成后的工况，本图尺寸以cm计；
2）采用排桩+钢管内支撑支护：桩径1.0m，桩中心距1.80m，桩长11.5m，C30混凝土浇筑，桩顶设置1.0m×0.8m冠梁；一道钢管内支撑φ609@6000；
3）桩间采用挂网喷射混凝土支护，钢筋网采用HPB300φ8钢筋，间距20*20cm，加强筋采用φ16钢筋，间距100*100cm，加强筋深入硬化地表长度不小于100cm，钢筋挂网下方深入坑底不少于10cm，上方深入硬化地表不少于8.0cm，喷射混凝土C20。
经测算优化后基坑支护造价指标：约29000元/每延米。
5.3 主要优化内容
（1）基坑开挖标高调整
支护桩冠梁顶高程由场平高程调整至道路结构层以下，以减少基坑深度，同时减少基坑支护桩长度及基底支护桩嵌固深度，单根支护桩长减少3.5m。同时避免按原支护方案后期道路结构施工时需破除侵入道路结构层的冠梁及支护桩结构，优化后支护方案更便于道路结构层施工。
（2）支护桩间距调整
支护桩中心间距由原支护方案1.5m调整为1.8m（桩间净间距由0.5m调整为0.8m）。因支护桩净间距增加，桩间喷锚φ16加强筋由150mm×150mm调整为100mm×100mm。
（3）内支撑间距调整
支护桩内支撑间距由4m调整为6m，减少内支撑相应工程量，同时便于现场支撑下土方施工。
（4）基坑开挖宽度调整
本项目标准段管廊外壁为11.9m宽，原设计基坑支护桩基坑距离为12.3m。管廊外壁每侧均留有20cm肥槽，该部位需采用特殊材料进行回填，且不便于现场管廊外壁模板安拆施工。调整后排桩基坑支护宽度由12.3m调整为11.9m，管廊外侧壁可直接利用支护结构作为外壁模板，既减少管廊模板安拆工程量，也便于现场施工，同时减少原方案肥槽回填工程量。
（5） 支护桩钢筋调整
由于基坑深度减小，支护桩长变短，支护桩主筋由原设计20根φ25mm钢筋调整为16根φ25mm钢筋，螺旋筋间距由100mm调整为150mm。
（6） 冠梁尺寸及钢筋调整
冠梁由原设计1m×1m调整为1m×0.8m，冠梁配筋也作相应减少。
5.4 基坑支护优化效益
本项目经优化后的支护方案较原方案经综合测算，基坑每延米减少造价约10000-14000元（基坑深度不同），全线综合管廊接近6km，仅支护结构本身节约投资约7000万元。同时，还减少了原支护方案后期道路结构施工时对侵入道路结构部分支护结构的破除、管廊侧壁肥槽回填等工程量，经济效益显著。
6 结语
在城市地下综合管廊施工过程中，基坑临时支护措施费用占比较高。尤其城区施工，基坑支护措施甚至可能高于管廊主体结构费用。目前多数综合管廊基坑支护设计阶段更多侧重于安全方面考虑，通常计算的参数取值较保守，导致基坑支护方案较保守。因此，在进行基坑支护设计时应结合项目岩土及基坑周边条件，对能保证保基坑施工安全、质量、工期等要求的多个的支护措施方案进行设计优化和多方案经济评价，能在源头节约大量的建设资金，从而大幅度提高项目的经济效益。
