竖井支护工艺在市政工程基坑中的应用

2022-03-21潘家明李圃林

绿色科技 2022年4期

武恒，潘家明，李圃林

(天津市地质工程勘察院，天津 300191)

1 引言

市政管道工程中，流量计井、检查井等结构设施往往与管道埋设施工一同完成，或先于管道建成，预留接口等待管道联通，称为“管找井”。但有时也存在管道先行施工完成后，再进行井体结构的施工，即要实现“井找管”。因为既有管线的存在，常规支护结构无法闭合，基坑开挖存在一定的安全隐患。

竖井支护工艺是一种基于新奥隧道法原理，在原位土体中开挖竖井，打设注浆锚杆加固竖井周边土体，铺设钢格栅架并喷射混凝土作为围护结构，由上向下随挖随支护，逐步形成竖向通道。这种工艺对开挖穿越各种复杂地层适应性强，竖井断面形式根据需要灵活可变，可以很好地解决“井找管”的技术难题。

目前工程中的竖井大多根据经验设计和施工，尚无完整准确的计算方法。本文详细介绍了竖井支护工艺在天津滨海软土地区某市政工程基坑中的成功应用案例，以及竖井支护结构的设计计算方法施工工艺流程和管道加固保护措施。

2 工程概况

2.1 项目概况

项目位于天津市滨海新区，拟建物为已有污水管线的流量计井，需穿过已有管道建造。主体为钢筋混凝土结构，建筑平面尺寸5 m×5 m。已有污水管线为该区域重要排污管道，直径1.5 m，埋深8.7 m，混凝土材质, 采用顶管法施工完成，每节管线长度3.0 m。污水管线已投入使用，施工期间必须确保其安全。

工程场地现地坪标高约为大沽标高+4.45 m，流量计井底板底标高大沽-6.20 m，垫层厚度100 mm，坑底标高-6.30 m，基坑实际开挖深度为10.75 m(图1)。

图1 拟建流量计井结构剖面

2.2 周边环境

基坑西侧距离既有公路21.3 m，距路边高压输电线(220 kV)最近约3.0 m。基坑东侧距离已有燃气管线最近约4.2 m。其中燃气管线为钢质圆管，埋深3.58 m，已投入使用。

图2 项目总平面

2.3 工程地质及水文地质条件

项目所在地浅部为典型的滨海软土地层，存在深厚的淤泥质土。根据岩土工程勘察报告，将场地地层情况以及物理力学参数统计如表1所示。其中土层c、φ指标为直剪快剪指标标准值，素填土指标为经验值。

表1 地层分布及物理力学参数统计

场地浅层地下水以潜水为主，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。水位变化幅值0.50～1.00 m。地下水位稳定水位埋深1.1～1.2 m。

3 基坑支护方案比选

3.1 常规支护方案分析

基坑西侧临近高压输电线，其中距离最近的高压线仅3.0 m，高压电线净高8.5 m。可供围护结构施工的空间十分有限，根据有关安全要求以及工艺限制，常规的钻孔桩、钢板桩以及水泥土搅拌桩等均无法施工。

此外，拟建物需在已有管道的位置上建造，必须做好保护措施，确保管道不被扰动和破坏。因此，在管道通过的范围内，常规桩墙式支护结构和沉井工艺无法实现闭合。

3.2 竖井支护方案说明

隧道及地下工程中竖井开挖常采用锚喷支护形式，其本质为逆做工艺，即分步开挖，随开挖随支护，挖完支完。该工艺利用钢格栅+锚杆承受岩土压力，钢格栅之间挂设钢筋网片并喷射混凝土封闭开挖面，用以防止土方塌落。该工艺不需要大型施工设备，可以不受基坑周边道路和管线影响。同时该工艺机动灵活，可操作性高，便于及时对工程中重点保护对象污水管线采取加固保护措施(图3、4)。

图3 竖井支护平面

图4 竖井支护剖面

据初步计算，基坑平面尺寸较小，空间效应使得竖井侧壁之间互相约束，可以不设置锚杆，单独利用钢格栅侧壁承受土压力，从而简化施工工艺，降低支护结构造价。

为保证竖井结构稳定，在井口处设现浇钢筋混凝土锁口圈梁一道，锁口圈梁底面设混凝土垫层。锁口圈梁向下预留钢筋接头作为竖向连接筋。基坑侧壁按照分层开挖、初喷混凝土、挂设内层钢筋网、焊接内侧竖向连接筋、加设钢格栅、焊接外侧竖向连接筋、挂外侧钢筋网、锚喷混凝土的工序由上而下逐步施工。

3.3 管道加固措施

为保证污水管线安全，管线以上设两榀密排格栅，并沿管道外沿设置双排小导管注浆加固。沿管线周边设置环形封闭钢格栅作为加强环，并与水平向钢格栅焊接。加强环范围内水平向钢格栅设工字钢作为临时支撑。此外，管道以下土方应分段挖除，必要时管道悬空部分应采取悬吊保护措施(图5)。

图5 管道加固示意图

4 支护结构计算

竖井支护工艺多应用于矿井和地铁隧道的辅助措施，设计施工以经验为主，目前尚无成熟的计算理论和模型可供参考。分别将该项目中侧向土压力、锁口圈梁、钢格栅、混凝土护壁的设计计算方法介绍如下。

4.1 侧向土压力计算

不同于常规支护工艺，竖井支护工艺的工序是先开挖、后支护，即允许侧壁土体发生一定的变形后，再施工支护结构，承受后续的侧壁土压力。经典土力学中主动土压力的描述是墙后填土使得墙体发生一定位移，当位移达到某一界限值时，土体将出现滑动面，形成的土楔体将沿滑动面下滑，滑动瞬间作用在墙背的土压力为主动土压力。经对比，两者之间的描述比较吻合，因此决定采用郎肯主动土压力理论计算支护结构所承受的侧向土压力，计算结果如图6所示。

图6 侧向土压力计算结果

4.2 锁口圈梁承载力计算

为防止竖井侧壁下沉，在井口设置锁口圈梁，截面尺寸1.5 m×0.6 m，圈梁下设置混凝土垫层，厚度100 mm，宽度要求超出圈梁范围100 mm以上。圈梁垫层底地层承载力fak建议值为85 kPa。锁口圈梁以及侧壁重度取为25 kN/m3。竖井侧壁的摩阻力以及端部承载力作为安全储备，不在计算中体现。取单位长度对象进行验算。

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，承载力满足要求。

式(1)～式(4)中，Gf为锁口圈梁自重；Gp为竖井侧壁自重；A为圈梁垫层底与所在地基实际接触面积；fak为地基承载力。

4.3 钢格栅受力计算

格栅的受力随基坑深度而增加，因此格栅的竖向间距也随基坑深度增加而加密，即污水管道以上格栅竖向间距为0.5 m，污水管道以下直至坑底格栅竖向间距为0.4 m。选取最深处h=10.35～10.75 m区间的钢格栅作为计算对象，钢格栅将承担该竖向间距内的土压力。运用启明星BSC4.0程序，进行钢格栅平面的整体计算(图7)。