综合管廊基坑支护方法分析和选择

王睿珺 1 桂德森 2 毋存粮 2 王涛 1

1.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001

2.中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450001

摘要：近几年在国家政策推动和城市管理升级的双重驱动下，国内的综合管廊建设发展迅速。相关企业争相发展地下管廊工程，一大批典型的管廊工程相继建成。作为浅埋地下工程，在施工过程中不可避免的涉及到土方开挖及支护问题。如何安全、高效、经济的施工，成为施工过程中首要考虑的问题。本文旨在统计几种常见的土方开挖的方式，分析其特有的优劣势，为后期施工提供便利。

关键词：综合管廊；土方开挖；支护；施工

引言：

综合管廊的主体一般为浅埋在道路下方的钢筋混凝土结构(也有砌体结构)，一般采用浅埋设计和建造。综合管廊的覆土深度应遵循“满足需要，经济适用”原则确定，覆土深度一般为2～5m，主要由地下空间竖向规划、车辆荷载、绿化种植及设计冻深等因素综合确定。作为飞速发展的基建产品之一，飞速发展的过程中安全问题不容忽视。

管廊基坑不同于房建基坑或者地铁基坑，管廊基坑开挖深度一般在6-8米，宽度在5-10米。从形状上看，与地铁隧道类似，同属于线性结构，开挖范围比较长，途径区域包括河流，山坡和岩石等坚硬土质区。管廊施工多位于新老城区中，位于人行路或绿化带的下面，属于典型的浅埋结构。在新老城区进行开挖过程中，需清楚知道待开挖区域的地下管道，电缆等地下设备，避免在土方过程中发生燃气管，供水管爆裂，电缆损坏的现象。

2016年11月4日，甘肃兰州在建综合管廊基坑坍塌,事故发生原因为施工工人在进行土方回填作业前的清理边坡支护喷锚层工序中，施工作业人员违章作业，未按土方回填方案及安全技术交底要求进行施工，导致边坡发生坍塌，造成两人被掩埋土方中。长江三角洲入海口1#综合管廊基坑失稳前一阶段时值数日雨天，地下水位持续升高，土体含水饱和，基坑四周明排水失效，基坑周边地表面出现约15 cm的裂缝，基坑端部土体坍塌，河道护坡面混凝土开裂，靠近河道侧土体下陷，围护桩倾斜，坑底混凝土开裂、起拱开裂，基底隆起，无法进行下道工序施工。在土方开挖和支护中选择合适的支护方法来保证施工安全就显得十分重要。

综合管廊基坑开挖支护方法

综合管廊的施工方法一般分为明挖法、盾构法。虽然明挖法会影响地面交通，但由于其成本较低而应用最广，尤其是在新城区建设过程中。明挖法一般遵循围护结构施工→土方开挖→钢筋混凝土结构支模、浇筑、养护(或预制件拼装)→回填土等流程，其间还需进行结构外侧的防水施工。预制件拼装工艺与现浇混凝土工艺相比，具有可显著缩短工期、节约投资的优势。基坑开挖深度一般为5-7m，若不能放坡，基坑围护结构应尽可能采用可循环利用的钢板桩+内支撑的方式，减少地下废墟的产生并可节约成本。当坑底土的地基承载力不能满足综合管廊的要求时，还需进行地基处理。盾构法和顶管法属于非开挖工艺，造价高，一般仅在穿越河流、重要道路时才会考虑。

受施工周边环境及地理因素的影响，明挖施工法又分为放坡开挖和垂直开挖。放坡开挖适宜于工作环境平面大，周边空旷无建筑，地下水位较低的场地。垂直开挖适宜于周边建筑对位移要求高，工作平面狭窄，地下水位较高的场地。下文将详细介绍管廊施工中常用的土方开挖支护方法。

放坡开挖

放坡开挖分为自然放坡开挖，土钉墙支护，土层锚杆支护三种。

自然放坡开挖顾名思义是在需要开挖的场地不设围护,仅在基坑四周放坡的坑内土体开挖方法，依靠土的自身稳定性保持基坑边坡的稳定。基坑应自上而下分层、分段依次开挖，随挖随刷边坡，必要时采用水泥粘土护坡。其特点是，开挖施工便利，无内支撑影响，造价低廉不需要额外的支付费用，工期短节省施工时间，技术含量低，但不能承受较大的坡顶荷载，工作场地大，土方开挖量大。

土钉墙是一种边坡稳定式的支护方式。天然土体通过钻孔、插筋、注浆来设置土钉(亦称砂浆锚杆)并与喷射砼面板相结合，形成类似重力挡墙的土钉墙，以抵抗墙后的土压力，起主动嵌固和增加边坡的稳定性的作用,使基坑开挖后坡面保持稳定，也被称为喷锚网加固边坡或喷锚网挡墙。土钉墙墙顶应采用砂浆或混凝土护面，坡顶和坡脚应设排水措施，坡面上可根据具体情况设置泄水孔。开挖特点当场地受限且开挖深度在10m以内时，可采用土钉墙围护，通过加大开挖坡率，打设土钉来减小放坡平面占地面积，节约施工用地空间。但由于管廊基坑通常为条形结构，开挖宽度普遍在10m左右，土方开挖时间占总工期比例较小，采用土钉墙围护时，分层打设土钉费时费力，对土方开挖工期影响较大。

土层锚杆支护在立壁土层上钻（掏）孔至要求深度，孔内放入钢筋，灌入水泥砂浆或化学浆液，使之与土层结合成抗拉锚杆，将立壁土体侧压力传至稳定土层。水作业钻进法工艺流程土方开挖→测量、放线定位→钻机就位→接钻杆→校正孔位→调整角度→打开水源→钻孔→提出内钻杆→冲洗→钻至设计深度→反复提内钻杆→插钢筋(或钢绞线)→压力灌浆→养护→裸露主筋防锈→上横梁(或

预应力锚件)→焊锚具→张拉(仅用于预应力锚杆)→锚头(锚具)锁定。该方法适于较硬土层或破碎岩石中开挖较大较深基坑，邻近有建筑物须保证边坡稳定时采用。

垂直开挖：

垂直开挖包括挡土灌注桩支护，挡土灌注桩与土层锚杆结合支护，钢板桩支撑和SMW工法。

挡土灌注桩支护一般有人工挖孔或机械钻孔两种方式。在开挖基坑周围用钻机钻孔，下钢筋笼，现场灌注混凝土桩，桩间距1—1.5m，成排设置，上部设联系梁，在基坑中间用机械或人工挖土，下挖1m左右装上横撑，在桩背面装上拉杆与已设锚桩拉紧，然后继续挖土至要求深度。具有施工设备简单，所需作业场地不大，噪声低，振动小，成本低，桩刚度较大，抗弯强度高，安全感好等特点，但止水性差，为防止水土流失可在灌注桩之间加粉喷桩，同时存在造价高，工期长的缺点。

挡土灌注桩与土层锚杆结合支护，桩顶不设锚桩、拉杆,按照挡土灌注桩支护方法施工，土方开挖至一定深度,每隔一定距离向桩背面斜向打入锚杆,达到强度后,安上横撑,拉紧固定,在桩中间挖土,直至设计深度。邻近有建筑物不允许支护切地基不允许有下沉位移时使用。

钢板桩支护既可挡土、防水，还可防止流砂的发生。板桩支撑可分为无锚板桩(悬臂式板桩)和有锚板桩两大类。无锚板桩,从一角开始逐块插打，每块钢板桩自起打到结束中途不停顿，打法简便、快速，但单块打入易向一边倾斜，累计误差不易纠正,壁面平直度也较难控制，仅在桩长小于10m、工程要求不高时采用，又称单独打入法。有锚板桩的双层围檩插桩法是先沿板桩边线搭设双层围檩支架,然后将板桩依次在双层围檩中全部插好,形成一个高大的板桩墙，待四角封闭合拢后,再按阶梯形逐渐将板桩一块块打至设计标高。该打法可保证平面尺寸准确和板桩垂直度,但施工速度慢。拉森钢板桩作为目前应用最普遍的钢板桩支撑方式，是由正反扣搭接或并排组成的，抗弯能力较强，通常所见到的拉森钢板桩长有12米、15米、18米。钢板桩间互相咬合，可以兼做止水。根据管廊主体结构施工要求，在管廊顶板上方可做一道钢支撑或锚杆，减小拆换撑工作，加快施工速度。具有以下条件：⑴质量轻、强度高、耐久性能好、施工方便。⑵锁口紧密、水密性好，对周围环境影响较小等特点，在软土地基施工中占有很大优势。⑶占地小、绿色环保性能显著。⑷支护深度与地下管廊基坑深度匹配度高。⑸可重复利用，成本费用低，节能环保。但同时拉森钢板桩的成本比普通的钢板桩偏高一些，而且在拔出拉森钢板桩的时候，容易由于机械震动而产生土体下沉等缺点。

SMW工法是Soil Mixing Wall的缩写，于1976年在日本问世，广泛应用于沿海地区地下连续墙和深基坑止水帷幕。适用于挖深15m内的基坑工程，H型钢刚度大，SMW工法控制变形效果优于钢板桩，同时具有挡水性强、H型钢可回收，性价比较高，在综合管廊建设中应用范围也较广。

该工法是以多轴型钻掘搅拌机在现场向一定深度进行钻掘，同时在钻头处喷出水泥系强化剂而与地基土反复混合搅拌，在各施工单元之间则采取重叠搭接施工，然后在水泥土混合体未结硬前插入H型钢或钢板作为其应力补强材，至水泥结硬，便形成一道具有一定强度和刚度的、连续完整的、无接缝的地下墙体。 SMW工法最常用的是三轴型钻掘搅拌机，其中钻杆有用于粘性土及用于砂砾土和基岩之分，此外还研制了其他一些机型。具有挡水性强、对周围地基影响面小、多用途（能适应各种地层）、工期短、造价低的优点。

暗挖施工法

暗挖施工法主要分为浅埋暗挖法，顶管法，盾构法、盖挖法。

浅埋暗挖法是在距离地表较近的地下进行洞室暗挖施工的一种方法，其施工基本原理是在洞室土体开挖中采用辅助措施加固洞室周围土体，以充分发挥其自承能力，开挖后或开挖过程中及时支护并封闭成环，是支护与洞室周围土体共同作用形成联合支撑体系，从而有效的控制洞室周围的土体过大的变形的一种综合施工技术。该法施工的优点是地下洞室暗挖成型，初期支护和衬砌均在地下洞室内进行，不必中断城市交通，施工机械化程度低，对地下管线影响较小，管廊断面结构可做成圆形，马蹄形，矩形，多跨联拱等形状，而且易于进行不同断面的转化衔接，对于工程的适应性较强，可根据不同的地质条件及时调整施工工艺和设计参数，施工噪声低，对环境的干扰小。

盾构法是在不开槽施工时用于地下掘进和拼装衬砌的施工设备，使用盾构开挖隧道的方法就是盾构法。其基本施工原理是在需施工地段的两端，各修建一个工作坑（又称竖井），然后将盾构从地面下放到地点工作坑中，首先借助外部千斤顶将盾构顶入土中，然后在借助盾构壳体内设置的千斤顶的推力，在地层中使盾构沿着管道的设计中心线，向管道另一端的接收坑中推进，同时，将盾构切下的土方外运，边出土边将砌块运进盾构内，当盾构每向前推进1—2环砌块的距离后，就可在盾尾衬砌环的掩护下将砌块拼成管道，在千斤顶的推进过程中，其后座力传至盾构尾部已拼装好的砌块上，继而在传至起点井的后背上，当管廊拼砌一定长度后就可作为千斤顶的后背，如此反复循环进行。广泛应用于城市建筑密集、交通繁忙、地下管线集中地段的地下管廊施工。

顶管施工法是继盾构施工之后而发展起来的一种地下管道施工方法，它不需要开挖面层，并且能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。顶管施工借助于主顶油缸及管道间中继间等的推力，把工具管或掘进机从工作井内穿过土层一直推到接收井内吊起。与此同时，也就把紧随工具管或掘进机后的管道埋设在两井之间，以期实现非开挖敷设地下管廊的施工方法。顶管施工特别适用于大中型管径的非开挖铺设，具有经济、高效，保护环境的综合功能。这种技术的优点是：不开挖地面，不拆迁，不破坏地面建筑物，不破坏环境，不影响管道的段差变形，省时、高效、安全，综合造价低。适用于中型管道施工，但管线变向能力差，纠偏困难。

盖挖法是由地面向下开挖土方至一定深度后修筑管廊顶板，在顶板的保护作用下进行管廊下部结构施工的作业方法。一般有盖挖顺作法和盖挖逆作法两种作业方式。盖挖顺作法是由地表向下开挖一定神的的土方后浇筑管廊顶板，在顶板的保护下在自上而下的进行土方的开挖和管廊主体结构施工，达到坑底设计高程后再由下而上的进行管廊主体结构的方法。盖挖逆作法是由第地表向下开挖一定深度的土方后浇筑顶板，在顶板的保护下在自上而下的进行土方的开挖和管廊主体结构施工直至底板的作业方法。

上文已统计现有的所有管廊开挖施工工艺，如何在诸多的施工工艺中选择安全经济的施工办法，成为需要考虑的问题。下文就管廊开挖的施工工艺选择进行简要介绍。

基坑开挖方法选择

根据基坑开挖深度进行选择

随着地形以及地下水位的改变，管廊施工过程中开挖深度有所不同。位于地势高的区域开挖深度相对较深，软弱土层区的开挖深度也会有所增大，因此管廊施工过程中需考虑开挖深度的影响。

放坡开挖适用于软土小于4m，硬性土小于8m的开挖深度，放坡率一般为1：0.5-1：1.5之间。当开挖深度大于5m时一般采用分级放坡，同时各级坡间设置中间平台，坡面做好护坡措施防止降水对边坡稳定性造成影响。郑东新区的龙湖区规划CBD、兰州S185#道路综合管廊、南京浦口新城综合管廊工程等都采用放坡开挖的施工方法。

土钉墙围护：适用于基坑侧壁安全等级宜为二、三级的非软土场地，基坑开挖深度在10米以内，软土基坑开挖深度小于4m。墙面坡度不宜大于1:0.2，坡面采用砂浆或混凝土护面。如兰州S185#道路综合管廊等采用该施工工艺。

排桩支护结构：排桩支护结构适用各类地层，各种开挖深度。在进行开挖过程中，多采用钢支撑作为多道内支撑，加强支护的整体水平刚度和稳定性。苏州古城区综合管廊、横琴新区地下综合管廊、六盘水地下综合管廊等项目采用该工艺施工。

拉森钢板桩基坑开挖深度在8m以内，通常所见到的拉森钢板桩长有12米、15米、18米。钢板桩间互相咬合，可以兼做止水，设内支撑。广州亚运城综合管廊、青岛髙新区综合管廊等均采用该种施工工艺。

SMW工法桩型钢水泥土搅拌墙在软土地区适用，可以有效止水，通过选择不同的搅拌桩直径及型钢止水，基坑开挖深度可达 12~13m。如南京浦口新城综合管廊工程、山西省临汾市河西新城综合管廊等采用该工法。

根据土质情况进行选择

管廊作为线性结构，长则几十公里，短则几公里，管廊主体途径各种土层。不同的土质条件因为其形态特征各不相同，这就造成需要根据不同的土质情况选择合适的支护方法。

放坡开挖适宜于土质较好地区，施工现场具有足够的放坡场所的工程。不适用与淤泥和流塑土层，当地下水位较高或者未进行降水出力不适宜采用。当地下水位较高时，采用明沟排水或者井点降水后进行放坡开挖。

土钉墙稳定可靠，在土质较好地区应积极推广。当地下水位高于基坑底面时，需采取降排水措施。在松散砂土、软塑、流塑粘性土以及有丰富地下水源的情况下不能单独使用土钉支护，必须与其它支护方式结合使用。

钻孔灌注桩多适用于软粘土质和砂土地区。但桩间缝隙易造成水土流失,特别是在高水位软粘土质地区,需根据工程条件采取注浆、水泥搅拌桩、旋喷桩等施工措施以解决挡水问题。在砂砾层和卵石中施工困难应该慎用。

地下连续墙适用于地质条件差和复杂，包括砂性土层、粒径50mm以下的砂砾层中施工等，自身具有止水防水功能。

拉森钢板桩是由正反扣搭接或并排组成的，抗弯能力较强，适用于钢板桩适用于埋深较浅的粘性土、砂土、淤泥等软弱地层基坑的支护。

SMW法挡水性强能适应各种地层，可在粘性土、粉土、砂土、砂砾土等土层中施工，也可进行软弱地基层施工或下穿河道施工。

根据周边环境进行选择

管廊作为城市生命线工程，不可或缺的成为城市主体的重要组合部分，因此管廊施工多在新老城区铺设。新老城区作为城市居民居住的场所，不可避免的存在天桥，地下人行道，高层建筑等。因此在管廊施工过程中，管廊基坑开挖的施工工艺需要考虑这些因素。

放坡开挖适应于周边环境开阔且无重要建筑物的场所，基坑周边土体允许有较大位移，对周边环境要求高的场地不适宜。

土钉墙对场地土层的适应性强。对于基坑邻近有重要建筑物、构筑物、重要交通干线或重要管线的地段不宜采用土钉墙支护。

地下连续墙适宜于邻近存在保护要求较高的建、构筑物，对基坑本身的变形和防水要求较高的工程。

钻孔灌注桩施工过程中无振动、无噪声等环境公害,无挤土现象,对周围环境影响小。当附近有高层建筑，附近地基不允许下降时可以采用。但当周边存在重要地区,特殊工程时应谨慎使用。

拉森钢板桩支护对周边环境要求低，锁口紧密、水密性好，对周围环境影响较小，在软土地基施工中占有很大优势，无需排水即可施工。

SMW法施工不扰动邻近土体，不会产生邻近地面下沉、房屋倾斜、道路裂损及地下设施移位等危害，对周边环境的要求低。

根据成本造价进行选择

一个工程的诞生不仅包括其所能产生的社会经济价值以及社会影响力，还包括其成本的预算。作为一个城市的生命线，设计标准为100年，其成本必定不低，如何在有限的预算范围内完成施工，是个值得考虑的问题。基坑开挖作为一项不小的支出项目，如何在有限经费内作出更大的贡献值得研究。常见的基坑成本造价总结如下表，其中各类基坑的造价均按基坑周长的单位长度计，基坑支护有着很强的地域性、经验性，部分支护材料采用租赁计费，暂定租赁期为200天计算。

表一：基坑支护造价表

结论

在地下管廊施工过程中，基坑开挖与支护直接关系到工程施工和管廊周边建构筑物的安全与稳定。本文在分析各种支护方法优缺点的基础上，提出综合管廊基坑支护方法的选择原则，

原则1：根据地质情况，水文条件，周边环境进行支护选择。

原则2：根据管廊实际施工工况，开挖深度进行支护选择。

原则3：选择经济实用的支护方式的同时，也应本着安全原则，选泽安全系数高的支护方法。

这些原则对基坑施工安全有一定参考价值。这些原则在工程中得到引用，得到充分证明

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