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杭州地区明挖电力隧道基坑围护结构选型研究

韩春龙

摘要

摘要:由于杭州城区周边建构筑物、管线较多且环境复杂，这对杭州城区明挖电力隧道基坑挡墙结构、内支撑结构选型的影响就显得尤为重要。今结合杭州地区地层与电力隧道结构特点，分析几种适合杭州地区的基坑挡墙结构与内支撑结构，并总结其各自的优缺点与造价情况，以供类似工程设计施工借鉴。

关键词:电力隧道;明挖;基坑围护;内支撑

前言

近几年杭州地区的用电负荷增长很快，原有输电系统供电已不能满足日益增长的电力需求，又由于城市规划要求，城区内新建电力通道一般不得采用架空线路，均须按地下电缆考虑，由此需新建大量电力隧道。

电力隧道可以采用明挖法、顶管法、盾构法、浅埋暗挖法等方式修建，考虑到大部分电力隧道均位于杭州主城区，周边建(构)筑物、管线较多且环境复杂，若采用明挖法施工，一般不考虑采用大开挖方式修建，均须采用相应的基坑围护结构型式，因此本文对杭州地区明挖法电力隧道的基坑挡墙结构与内支撑系统选型进行了研究。

地质条件

杭州城区位于钱塘江两岸广阔的堆积平原，地面海拔3～6m，所处为亚热带季风气候区，东边是杭州湾，历年降雨量较多，年均降雨量约1400mm;杭州市区的东侧有钱塘江，其水位受潮汐影响较大，最高水位为8～9m，最低水位为3.59～5.35m(杭州市城区海拔一般为3～6m)，杭州城区的工程建设一般均按地下水位位于地面以下0.5～1.5m考虑。

由于受海侵、海退的影响，以及地质沉积物受侵蚀、堆积作用的交替影响，杭州地区分布有较为广泛的软弱土层。大量的勘测资料证实，以六和塔附近的将台山沿紫阳山—吴山—中山中路—过众安桥渐向北东向—市体育馆—艮山门—杭氧厂东—省农科院—笕桥机场为界，将整个杭州分成两块，形成两种截然不同的地貌:城东区域基本是以粉土、粉砂土为主的软土层，性质良好，透水性强，压缩性低。城西区域则是以黏土、淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土为主的软土层，其透水性差，属于高压缩性、低强度的软土。

总之，杭州城区地层特点为:高水位、软土。

电力隧道结构型式

电力隧道一般分为现浇钢筋混凝土和预制拼装钢筋混凝土两种型式，结构安全等级为一级，设计使用年限100年。目前杭州市明挖电力隧道主要采用现场整体浇筑混凝土结构，一般有单舱或双舱结构，未见三舱结构，结构断面为矩形，根据电缆工艺、敷设、运维要求，其中单孔断面内净宽一般不宜大于3.5m，内净高不宜大于4.0m。

电力隧道线位一般位于非机动车道、人行道或绿化带下方，考虑道路下方各种其他市政管线以及绿化带内林木种植要求，电力隧道顶板覆土一般不宜小于3.0m。

考虑到电力隧道主体结构厚度、施工空间，单舱结构电力隧道基坑开挖宽度一般不大于6.0m，开挖深度一般不大于8.5m;双舱结构电力隧道基坑开挖宽度一般不大于10.5m，开挖深度一般不大于8.5m。加之考虑到电网规划要求，常需在电力隧道主线路径上预留其他主线或支线通道，如此会出现平面交叉结构或上下错层结构，对于上下错层交叉结构，基坑开挖深度一般不大于12.5m。

因此，一般情况下，明挖电力隧道基坑单舱结构开挖宽度不大于6.0m，双舱结构开挖宽度不大于10.5m，单层结构开挖深度不大于8.5m，双层结构开挖深度不大于12.5m。

基坑挡墙结构选型

3．1 选型原则

围护结构的选型应结合周边环境的控制条件与场地的可行性等，并综合考虑工程的安全、工期、经济、环保等重要因素。在保证基坑工程安全的前提下，应优先选用较为经济、环保的围护类型。一般可从场地条件、基坑开挖深度及范围、地质条件三方面进行综合考虑。

1)从周边环境控制条件考虑:

对于基坑四周有较为宽敞的地方，一般可选用上部放坡结合下部重力式挡墙的支护型式，或采用锚索结合排桩，或采用悬臂式支护结构;对于基坑四周场地比较狭小或有重要需要保护的建构筑物时，一般应采用刚度较大的支护结构，且应做好基坑止水措施。

2)从基坑挖深、宽度角度考虑:

挖深较小时一般可采用悬臂式支护结构，较大时一般可采用钻孔灌注桩、地下连续墙等支护结构型式;开挖宽度较大时，可采用地下连续墙结合钢筋混凝土桁架内支撑的方案，或单、多层锚杆支护结构;开挖宽度较小时，可采用锚撑结构。

3)从土质条件考虑:

土质条件较差时，可考虑选用钢板桩、工法桩、重力坝、地墙、钻孔灌注桩等支护结构方案;土质较好的情况下，则考虑选用锚杆或排桩支护结构方案。

在类似杭州城区的软土地层开挖基坑，需采用挡墙结构进行挡土、挡水。对于明挖电力隧道基坑工程，一般可考虑采用板桩、SMW工法桩、钻孔灌注桩或其他新型基坑围护型式。

3．2 板桩

板桩是利用打桩机械按照设计位置打设，并根据实际情况设置内支撑(混凝土或钢支撑)，开挖土体并及时支撑，施工完成后可以回收再次利用。工程中常用的板桩有钢板桩和混凝土板桩，其中，常用的钢板桩主要分为拉森钢板桩、槽钢钢板桩两种。槽钢桩刚度相对较小、变形较大且容易渗水，采用此种支护型式往往需要另外增设止水帷幕;拉森钢板桩彼此之间通过锁口环环相扣，刚度较槽钢桩大且抗渗能力强，可直接适用于水位较高的土层中。钢筋混凝土板桩具有较大的刚度及抗渗能力，但由于回收利用率不高，施工不方便，目前已较少使用。

由于钢板桩打入时会对周围的土体产生挤压，拔出时又会带出大量的泥土，容易导致周围的地层变形。因此，在周围建筑物比较密集的软土地区不适宜采用钢板桩支护。

钢板桩相对于其他的围护形式，刚度较低，变形较大。在杭州等高水位软土地区，一般适用于对环境要求不高的7～8m深的小型浅基坑。在地下水位较低、地层较好、环境要求不高的地区，可适用于12m以内较深的基坑。

图1 常用钢板桩型号

3．3 SMW工法桩

SMW工法桩一般是利用多轴搅拌机，将水泥与地基土进行强制搅拌，待水泥与地基土固化后形成具有一定强度的桩墙，以达到挡土、止水的效果。这种围护结构施工速度较快，单台工法桩机平均每天可施工15～20 m围护结构体，可大幅缩短工期。施工相对简易，废土外运量远比其他工法少，环境污染小。占用场地小，需利用的围护宽度小，并可在建筑红线近距离施工。所用型钢可以回收，可减少材料浪费，在租赁工期较短的情况下，有明显的经济优势。挡水性强，有利于采用坑内降水坑外不降水的情况。SMW工法桩围护结构，隧道结构、围护结构往往采用的是分离式，隧道结构边墙可以施作外防水，相较于地下连续墙围护结构型式而言，结构整体性、防水性能较好，还能降低后期运维成本。见图2。

SMW工法围护结构刚度相对略小，在软土地区适用于开挖深度12 m以内的基坑。同时，其适用深度还受限于搅拌桩施工的最大深度及地质条件，SMW工法桩一般施工速度快，造价相对不高，但此工法在饱和粉土、粉砂层中的成桩效果较差，且从目前国内现有的施工设备能力来看，能施工的有效桩长为30m，因此，其使用范围受到一定限制。与灌注桩相比，其综合造价一般更便宜，但却受基坑施工工期的影响较大。如果基坑施工工期不能得到有效控制，则随着型钢租赁期的增长，SMW工法的围护费用将显著上升。

3．4 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是指在地基土中通过机械钻孔，并在孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。钻孔灌注桩挡土结构是一种非连续的排桩结构。因此，在地下水位较高的地层中，各桩间一般应采用止水帷幕来进行防渗处理，见图3;同时，需使用圈梁或和围檩将每一个桩连接成一体以提高基坑围护结构的整体刚度，从而形成支护结构。钻孔灌注桩施工时振动和噪音比较小，无挤土现象，对周围环境影响小;钻孔灌注桩桩身刚度较大，强度高，稳定性好，桩体变形小;如果工程桩也采用灌注桩，围护桩可以与主体结构工程桩同步施工，利于施工组织安排，缩短工程工期。在进行钻孔灌注桩成孔施工时，需注意成孔的质量、钢筋笼安装质量以及水下混凝土灌注等问题。

钻孔灌注桩造价经济、施工速度快。其适用深度取决于桩间止水的有效性和桩间土的稳定性。在软土地区，适用于深度15m以内，环境要求不高的一般性基坑工程。在地下水位较高的地方，需要单图3钻孔灌注桩止水措施独设置止水帷幕，所以钻孔灌注桩较地下连续墙、SMW工法的围护墙厚度要大，适用的场地条件受限。在砂砾层和卵石中，钻孔灌注桩施工困难，应该慎用;在重要地区，特殊工程及开挖深度很大的基坑中使用时还应进行专项设计。

3．5 WSP工法钢管桩

WSP工法钢管桩是近几年采用的一种新型的围护结构型式，此种围护型式一般主要使用型钢、拉森钢板桩、钢管等材料，并进行任意组合，形成围护结构，实际工程中可以根据场地情况及基坑开挖深度、宽度选择相应的组合形式。组合形式分为钢管+拉森钢板桩、型钢+拉森钢板桩等。此种围护结构型式的优点:施工速度快，现场无泥浆作业，止水效果较好，围护结构刚度大，围护结构体可全部回收等。

WSP工法钢管桩作为一种可全部回收的新型深基坑围护结构，关键的核心技术在于:“以水堵漏”来解决桩间接缝止水问题;用“土塞补偿”来实现钢管桩连续墙微扰动全回收。

WSP工法是利用大直径钢管桩承担水土压力，钢管桩之间相互套接进行阻挡桩间土体，桩体接缝处设置止水腔壁，通过在止水腔壁内安装弹性袋并充水密封接缝，实现“以水堵漏”目的，形成连续的围护结构体。