土方分层开挖与管沟水平支撑技术

在城市基础设施建设、地下管线更新改造及综合管廊工程等领域，土石方施工是保障项目结构安全与功能实现的核心工序。其中，土方分层开挖技术与管沟水平支撑体系作为控制施工风险、保障工程质量的关键技术手段，其应用规范性直接关联工程安全稳定性、施工效率及投资效益。近年来，部分工程因未严格执行分层开挖工艺或水平支撑体系设计施工不当，引发基坑坍塌、周边建（构）筑物沉降、地下管线破损等安全质量事故，造成重大经济损失与社会影响。本文基于现行国家标准与行业规范，从技术原理、施工流程、质量安全管控及工程应用案例等维度，系统阐述土方分层开挖与管沟水平支撑技术的核心要点，为工程实践提供专业参考。?

一、土方分层开挖技术的核心原理与实施要点?

（1）技术原理：基于土体力学特性的应力平衡控制?

根据《建筑地基基础工程施工质量验收标准》（GB 50202-2018）及《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012），土壤在开挖过程中，其内部应力状态随开挖深度增加而变化。当开挖深度超过土体天然休止角对应的临界深度（粘性土通常为 1.2m，砂性土通常为 0.8m）时，土体抗剪强度不足以平衡侧向土压力，易发生边坡失稳、滑坡或坍塌。?

土方分层开挖技术通过将总开挖深度分解为若干合理分层，控制单次开挖深度，使每层土体在开挖后短期内保持应力平衡与结构稳定，同时为水平支撑体系的安装施工创造作业条件，从根源上规避因一次性超深开挖导致的土体应力突变风险。?

（2）关键技术参数与实施规范?

? 分层厚度确定?

分层厚度需结合地质勘察报告中的土壤类别、物理力学指标（天然重度、内摩擦角、粘聚力）及开挖深度综合确定，具体应符合以下要求：?

? 粘性土（粘聚力 c≥15kPa）： 每层开挖厚度≤2.0m；?

? 砂卵石土（内摩擦角 φ≥30°）： 每层开挖厚度≤1.5m；?

? 软土（天然孔隙比 e≥1.0，压缩系数 a?-?≥0.5MPa?1）： 每层开挖厚度≤1.0m；?

? 杂填土及素填土： 需结合填料成分分析确定，每层厚度宜控制在 0.8-1.2m，且需分层压实检测。?

? 开挖顺序与排水措施?

开挖顺序应遵循  “先支后挖、分层开挖、限时完成”  原则，优先施工基坑周边排水沟与集水井，确保地下水位降至开挖面以下 0.5-1.0m 后，再进行土方开挖作业；?

对于不规则管沟，应采用  “先开挖周边轮廓、后开挖核心区域”  的顺序，避免局部应力集中；?

雨天施工时，需增设临时排水设施，严禁雨水直接冲刷边坡或浸泡开挖面。?

（3） 边坡坡度控制?

未设置水平支撑的情况下，边坡坡度需满足《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）要求：?

? 粘性土边坡：坡度 1:0.5-1:1.0（高宽比）；?

? 砂性土边坡：坡度 1:1.0-1:1.5；?

? 软土边坡：坡度 1:1.5-1:2.0，且需结合坡顶荷载（如施工机械、堆载）动态调整。?

二、管沟水平支撑体系的设计选型与施工工艺?

（1）支撑体系的功能定位与设计依据?

当管沟开挖深度≥3m，或周边存在既有建（构）筑物、地下管线（距离≤2 倍开挖深度），或土壤物理力学指标较差（如软土、松散砂土）时，需设置水平支撑体系。其核心功能是抵御侧向土压力、水压力及周边荷载，控制坑壁位移，保障管沟结构施工空间及周边环境安全。?

支撑体系设计需依据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）、《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）及地质勘察报告，通过土体稳定性计算、支撑结构强度与刚度验算，确定支撑类型、布置间距及受力参数。?

（2） 常见水平支撑类型及适用范围?

（3） 水平支撑施工工艺流程与质量控制?

  ? 施工工艺流程?

? 前期准备： 复核支撑轴线位置与标高，检查支撑材料质量（型钢需提供力学性能检测报告，钢筋混凝土需验证配合比与钢筋规格）；对钢板桩进行平直度校正，确保锁口咬合紧密。?

? 分层开挖与支撑安装： 严格执行  “开挖一层、支护一层”  工序，每层开挖至支撑设计标高后，立即安装钢腰梁或混凝土腰梁，随后吊装支撑构件并固定，严禁超挖（超挖深度≤100mm）。?

? 预加轴力施工： 支撑安装完成后，采用液压千斤顶施加预轴力，预加值为设计轴力的 70%-80%，分 2-3 级加载，每级加载后稳定 30min，确保支撑与坑壁紧密接触，消除初始间隙。?

? 变形监测与调整： 布设位移监测点（间距 5-10m）与轴力监测传感器，采用全站仪或测斜仪进行 24h 连续监测，当坑壁位移单日增量＞5mm 或累计增量＞15mm 时，立即补加轴力或增设临时支撑。?

  ? 关键质量控制点?

? 支撑构件安装偏差： 轴线位置偏差≤50mm，标高偏差≤30mm，垂直度偏差≤1‰；?

? 预加轴力控制： 加载速率≤10kN/min，避免冲击荷载导致支撑结构损伤；?

? 混凝土支撑施工： 模板垂直度偏差≤3‰，混凝土浇筑需连续进行，振捣密实，养护时间≥7d（同条件试块强度达到设计强度 75% 后方可承受荷载）。?

三、土方分层开挖与水平支撑工程的质量安全管控要点?

（1） 前期管控：地质勘察与方案评审?

地质勘察需明确土壤分层、地下水位埋深、土层物理力学指标（天然重度、内摩擦角、粘聚力）及周边环境条件（建构筑物基础类型、地下管线走向），勘察点位间距≤20m，确保数据精准性；?

施工方案需包含分层开挖参数、支撑体系设计、监测方案及应急预案，经监理单位审核、建设单位批准后实施，涉及深基坑（开挖深度＞5m）的方案需组织专家论证。?

（2）过程管控：施工操作与动态监测?

? 土方开挖管控： 采用反铲挖掘机分层开挖，挖掘机作业半径内禁止人员停留；开挖过程中避免机械碰撞支撑构件，若发生碰撞需立即检查支撑变形情况并采取加固措施；?

? 排水降水管控： 采用井点降水或集水井排水，确保开挖面无积水；对降水引起的周边地面沉降进行监测，沉降速率≤2mm/d；?

? 变形监测管控： 监测频率为开挖期间 1 次 / 2h，开挖完成后 1 次 / 12h，监测数据需及时整理分析，形成监测报告，若出现异常（如位移突增、支撑轴力超限），立即启动应急预案。?

（3） 应急管控：风险预防与处置?

针对基坑坍塌、管涌、支撑失稳等风险，制定专项应急预案，配备沙袋（≥500 袋）、应急千斤顶（≥10 台）、抽水设备（流量≥100m3/h）及临时支护材料；?

成立应急小组，定期组织应急演练（每季度不少于 1 次），确保突发情况发生时，能在 30min 内启动处置程序，控制风险扩大。?

四、工程应用案例：某地下综合管廊管沟施工实践?

（1）工程概况?

某城市地下综合管廊工程，管沟设计长度 800m，开挖深度 8m，宽度 6m；地质条件为上部 2m 素填土、中部 3m 软土（天然孔隙比 e=1.2，压缩系数 a?-?=0.6MPa?1）、下部 3m 粘性土；周边 5m 处为既有地铁线路（运营中），对管沟施工期间的位移控制要求为：地铁轨道沉降≤2mm，管沟坑壁位移≤3mm。?

（2） 技术方案?

? 土方分层开挖： 结合地质条件，分 6 层开挖，每层厚度 1.2-1.5m，开挖顺序为  “先施工周边排水沟→分层开挖周边土体→开挖核心区域土体” ，同步采用井点降水将地下水位降至开挖面以下 1m；?

? 水平支撑体系： 采用  “钢板桩 + 型钢支撑”  组合方案，钢板桩选用 U 型拉森桩（长度 12m），型钢支撑选用 I40 工字钢，支撑间距 2m，预加轴力设计值为 250kN，预加值为 200kN。?

（3）实施效果 ?

通过严格执行分层开挖与水平支撑工艺，结合 24h 动态监测，工程施工期间：?

管沟坑壁最大位移 2.8mm，满足设计要求；?

地铁轨道沉降量 0.5mm，未对地铁运营造成影响；?

无安全质量事故发生，施工效率较计划提前 10d，实现了安全与效率的双重目标。?

土方分层开挖与管沟水平支撑技术是土石方工程安全管控的核心环节，其应用需基于地质条件精准设计、遵循规范严格施工、依托监测动态调整。工程技术人员应充分认识两项技术的重要性，将 “安全第一、质量优先” 理念贯穿施工全过程，通过科学管控与精细化操作，保障工程安全稳定实施，为城市基础设施建设提供坚实技术支撑。