顶管工法用基坑的设计探讨

长输管道穿越铁路、等级公路等常采用顶管穿越施工工法。而穿越点具有地质条件变换频繁，管线周围环境复杂等特点，因此顶管基坑具有多种支护形式，不同的支护形式的基坑安全性、可实施性、经济性千差万别。

顶管工法基坑往往是面积小而深，是一种特殊的工程构筑物，具有复杂性、可变性和临时性的特点。无论采用何种支护结构，对支护结构的强度、整体稳定、抗隆起、抗管涌、承压水、嵌入深度验算、支护受力及构造都需进行详细设计和计算，满足结构可靠、经济合理、确保安全的需求。本文基于某天然气长输管道工程，总结了目前国内常用的基坑支护形式，进行经济、技术对比分析，选择出适用于本项目工程地质条件的基坑形式。接下来，深耕非开挖行业十余载的唐兴装备将通过该工程实际应用，对基坑的设计内容进行探讨。

1顶管用基坑的发展趋势

随着中国城镇化建设的发展，经济的腾飞，依托科学技术的进步以及计算机的广泛应用，基坑的理论计算及设计水平逐步提高，施工工艺日趋成熟。基坑工程逐步向以下几个方面发展：

1.1强度控制到强度与变形共同控制的设计转变

基坑设计初期，强度设计是基坑设计的核心内容，但对于一些特殊地质结构，例如软土地貌，虽然基坑的强度达到了设计要求，但是还是会因为软土层的位移引发基坑支护结构位移的情况，如图1所示。

由此可见，基坑支护结构的设计不仅要满足强度的要求，还要满足变形的要求。在周围环境要求较高和一些软土地区的基坑工程中，其变形控制往往占主导地位，也就是说在这种情况下，基坑工程的设计该由变形控制，基坑工程在施工过程中既要保证安全性，也要考虑对周围环境的破坏。

1.2更多的考虑主动区土压力的变化，更贴近实际情况

目前实施的标准规范中，基坑设计一般都是假定某一工况或者某一开挖深度下土压力保持不变，但在实际工程监测中发现，土压力是随着开挖深度及沉降时间变化的，在结构设计过程中要充分考虑土压力的变化影响。

1.3基坑设计与施工工法结合越来越紧密

早期的工程项目总承包方式不多，基坑设计单位与施工单位的施工工法结合不够紧密，两者之间缺乏有效的沟通，设计单位的结构设计计算理想工况假设过多，导致计算结果与工程实际有偏差，而施工单位更倾向于依靠施工经验，两方面的原因导致理论与实际偏差过大。目前的趋势是工程项目总承包商起到了总体协调、总体控制的作用，令基坑的设计与施工过程结合的更紧密。

2常用基坑形式分类及适用范围

2.1基坑的支护结构形式

基坑工程中具有多种支护形式，各种支护方式适用条件各不相同，本文将常用的支护形式总结4个分类，并简要概述其适用范围，根据实际工程的工程地质情况、水文条件、周围建构筑物情况及地下障碍物情况，结合基坑开挖深度要求等选择合理的基坑支护形式。具体详见表1~4。

2.2基坑的选用依据及原则

在进行基坑支护设计方案选择时，需要考虑多种相关因素，例如工程地质条件、水文条件、荷载、周围环境因素、周围障碍物情况等。主要选择依据有以下几点：

（1）基坑的基本情况，如尺寸、深度、形状等；

（2）工程地质条件：工程实际勘察资料，如土层的物理、化学、力学性能等；

（3）水文地质条件：地下水位及分布情况，包括：地表水位、地下水位、承压水位；

（4）环境条件：基坑周围的地区性质，所处地区的环境状况及基坑设施的特殊要求、交通状况、建筑物状况、公用设施分布及地下构筑物情况、地下障碍物状况等；

（5）基坑支护结构的荷载情况：竖向荷载、横向荷载、地面荷载、地震荷载等；

（6）周围建筑物的基础结构及上部结构对基坑支护结构的要求；

（7）工程经济指标的情况：如造价、工期、施工工法、设备材料需求等。

基坑方案选用的根本原则是安全、经济和便于施工。安全不仅指保证支护结构本身的安全，也要保证基坑周围建构筑物、市政设施的安全。经济性要综合考虑支护结构的成本、工期、材料等因素。施工的便利性，如土石方开挖堆放场地、外运，施工降水的便利性、可行性等因素。

3某天然气长输管道工程顶管用基坑设计

3.1基坑设计条件

本文以设计的某天然气长输管道的基坑为例，探讨长输管道顶管用基坑的设计方法，该工程的设计条件如下：

（1）穿越高速公路地点，位于广东省广州市黄浦区境内。

（2）工程地质条件

3.1.1地形地貌

拟建场地原始地貌为冲击平原，地形开阔，地势起伏不大，地表植被主要为杂草、果树。

3.1.2地层结构

土层为素填土、粉质黏土、粗砂、砾砂、砂质粘性士；地下水，场地内水深0.5~2.6m。

3.1.3岩土工程评价

（1）场地土及场地类型别划分场地土类型为中软土，建筑场地类别属Ⅱ类。

（2）场地抗震地段类别划分拟建工程场地位于冲积平原，地形平坦，综合判定拟建场地为抗震一般地段。

3.1.4周围环境评价

工程拟建场地空旷，地下无地下管线通过，场地周边无其他过荷载存在。

3.2基坑结构设计方案

本处基坑深度为4.98m，结合工程地质条件、地下水位分部情况以及周围环境状况，确定该基坑的安全等级为三级。

针对该处基坑的设计条件，拟选定两种设计方案，并对两种设计方案进行综合对比，比选出适合本工程条件的基坑设计方案。

3.2.1方案一

考虑到该处地下水位较低，土质条件较软等特点，首先选用了沉井设计方案，

3.2.1.1沉井方案的优点：

（1）具有整体性强、稳定性好，有较大的承载面积，能承受较大的垂直荷载和水平荷载。

（2）既可以作为基础，又可以在施工时作为挡土和挡水结构物，且在下沉过程中无需设置坑壁支撑，简化了施工程序。

（3）沉井施工时对邻近建筑物影响较小。

沉井方案的缺点：

（1）施工期较长。

（2）施工技术要求高。

（3）施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。

3.2.1.2沉井设计方案

本次设计方案，将沉井结构分为两段制作下沉，下沉过程拟采用排水法。沉井设计平面图见图2、图3。

3.2.2方案二

根据该处基坑的地质条件，方案二拟采用9m拉森钢板桩+内支撑围护的支护方案。

拉森钢板桩支护方案优缺点：

优点：耐久性良好，二次利用率高；施工方便，工期短；最主要是经济好，在实际工程此种方案应用最为广泛。

劣点：不能挡水和土中的细小颗粒，在地下水位高的地区需采取隔水或降水。

方案二基坑设计详图见表5。

本设计方案，采用拉森V型钢板桩作竖向支护结构（桩长9m），桩顶设置一道④229×10钢管支撑（HW300×300钢腰梁）；顶管开孔范围设置6排搅拌桩加固（④550×400×400）；主体结构拉森钢板桩，中间采取钢围檩内支撑的基坑结构设计方式，可加强悬臂钢板桩的强度，防止钢板桩因应力发生弯曲形变。针对地下水位水面稍高的问题，采取在基坑顶，沿基坑外周边，设置高出地面0.5m的挡土板，另外在距离坡顶边线1m左右设置排水沟，防止地面水注入基坑内。基坑开挖到设计标高后，在基坑底部设置一个0.65×0.65m，深1.2m的集水坑，并用水泵将坑底积水排至基坑外。此设计方案也能很好的满足工程施工安全性的需求。

3.2.3两种基坑设计方案综合对比

3.2.3.1经济性对比

对两种拟定的基坑设计方案进行了经济性对比分析，结果如表 6:

根据表6的两种基坑设计方案可知，采用沉井支护设计方案的预算成本是拉森钢板桩支护设计方案的6倍。由此可知，对于本处顶管基坑，拉森钢板桩的设计方案经济性更好。

3.2.3.2基坑安全稳定性对比

根据两种基坑设计方案的设计情况进行对比，见表7。

通过对比发现，两种基坑设计方案均能满足基坑安全稳定性的要求。综合对比两种基坑设计方案，沉井设计方案安全性更好一些，但是经济性不如拉森钢板桩的设计方案。拉森钢板桩+内支撑结构的基坑设计方案，在能满足基坑安全稳定的前提下，更为经济。因此，拉森钢板桩+内支撑结构的基坑设计方案是本次工程项目比较合理的选择。

4结束语

综上所述，基坑支护结构的选型，涉及技术因素和经济因素，要从满足施工要求，减少对周围的不利影响，施工方便，工期短，经济效益好等方面考虑，应根据地质条件，周边环境的要求及不同支护型式的特点、造价等综合确定。目前国内比较成熟的基坑支护结构较多，可以根据工程项目的实际情况选择多种支护相结合的设计理念。充分发挥每种支护结构的有点，努力实现基坑支护结构设计的安全、经济的目标。

 

本文由唐兴装备整理自《石油化工建设》中的《顶管工法用基坑的设计探讨》谭开亮，转载请注明出处，如有侵权请联系删除。