結(jié)合擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的多級基坑圍護(hù)應(yīng)用研究

任永青 鄭建建 盧辰

1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司 200092

2.上海水業(yè)設(shè)計工程有限公司 200092

引言

城市供水系統(tǒng)是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，隨著社會的進(jìn)步，居民對飲用水水質(zhì)的要求不斷提高，很多現(xiàn)狀常規(guī)處理給水廠需進(jìn)行升級改造［1］。根據(jù)工藝流程需求，新建生產(chǎn)類構(gòu)筑物往往埋深較深，施工過程中涉及較多的深基坑工程。而由于升級改造期間不能影響水廠現(xiàn)狀構(gòu)筑物的正常生產(chǎn)運(yùn)行，新建單體的基坑圍護(hù)施工條

件往往會受到很大的限制。目前，支護(hù)結(jié)構(gòu)與新建主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑工程較為常見［2］，而結(jié)合擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)的基坑圍護(hù)案例不多。上海泰和水廠新建提升泵房及臭氧接觸池結(jié)合擬拆除現(xiàn)狀清水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑圍護(hù)設(shè)計及施工，形成“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-放坡”和“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-灌注樁”兩種三級基坑圍護(hù)形式，為基坑設(shè)計提供了新的思路。

1 工程背景及地質(zhì)概況

上海泰和水廠新建提升泵房及臭氧接觸池（共兩座）位于擬拆除現(xiàn)狀清水池范圍內(nèi)，相對位置關(guān)系如圖1所示。新建單體工程由提升泵房和臭氧接觸池兩部分組成，臭氧接觸池底板底埋深5.20m，提升泵房底板底埋深6.95m，現(xiàn)狀擬拆除清水池底板底埋深5.77m，即提升泵房底板標(biāo)高低于現(xiàn)狀清水池底板，需拆除現(xiàn)狀清水池底板后方可進(jìn)行提升泵房底板結(jié)構(gòu)施工。

圖1 新老構(gòu)筑物相對位置關(guān)系示意Fig.1 Diagrammatic drawing of relative position of new structures and current structures

清水池周邊為施工道路，無法采用放坡開挖的方式將其拆除；若在清水池壁板外側(cè)施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)，完全拆除清水池后再施工提升泵房及臭氧接觸池，則造價較高，且工程進(jìn)度將受較大影響。故考慮保留部分清水池壁板進(jìn)行擋土，并采取適當(dāng)措施保證拆除提升泵房所在位置處清水池底板時，保留的清水池壁板及底板的抗滑移、抗傾覆穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

根據(jù)地勘報告，建設(shè)場地的土層力學(xué)參數(shù)如表1所示，地下水位埋深為地坪標(biāo)高以下0.5m。

表1 土層力學(xué)參數(shù)Tab.1 Parameters of soil layers

2 基坑圍護(hù)設(shè)計

2.1 擬拆除現(xiàn)狀清水池壁板強(qiáng)度計算

現(xiàn)狀清水池建于1996年，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級C25，鋼筋采用熱軋Ⅱ級鋼（抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為300N／mm2），配筋如圖2所示。

圖2 現(xiàn)狀清水池配筋圖Fig.2 Section view of reinforcement of current clean water tank

清水池壁板承受的荷載為外部水壓力、土壓力和地面附加荷載作用下附加壓力。現(xiàn)狀清水池壁板支座約束條件為頂端簡支，底部固定。在此約束條件下，壁板強(qiáng)度、裂縫可滿足規(guī)范要求。為新建提升泵房及臭氧接觸池，清水池頂板需完全拆除，此時壁板變?yōu)閼冶蹣?gòu)件，支座條件變?yōu)轫敹俗杂?，底部固定，在不考慮裂縫控制的條件下，壁板強(qiáng)度仍不足以承受外部荷載。經(jīng)計算，外部按1∶1放坡開挖2.60m，如圖3所示，減少水土壓力后，壁板強(qiáng)度可滿足要求。

圖3 保留結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Diagrammatic drawing of retaining structures

2.2 基坑圍護(hù)整體性定性計算

1.A-A剖面穩(wěn)定性計算

清水池壁板外側(cè)土體放坡開挖、頂板拆除后，為繼續(xù)向下施工提升泵房主體結(jié)構(gòu)，需鑿除一部分清水池底板，A-A剖面形成的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，其中保留底板長度為8.0m～9.6m。保留的清水池壁板和底板形成L形擋土結(jié)構(gòu)，按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）［3］計算其抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性。

根據(jù)上海市規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG／TJ 08-61—2018）［4］（以下簡稱《基坑標(biāo)準(zhǔn)》），按照水土分算原則計算水土壓力，坑外地面超載取值20kPa。作用在清水池壁板上的不利作用為外部土壓力、水壓力，以及地面超載導(dǎo)致的附加壓力；抗滑力為結(jié)構(gòu)與基底土的摩擦力，規(guī)范要求抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為1.3。根據(jù)計算，抗滑移穩(wěn)定系數(shù)僅為0.47，不滿足規(guī)范要求。為增加自重，加大抗滑力，在底板上覆土壓重，如圖4所示?？紤]壓重后結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)為1.33，滿足規(guī)范要求。

圖4 A-A剖面覆土壓重示意Fig.4 Diagrammatic drawing of earth filling of A-A profile

類似地，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性計算，抗傾覆穩(wěn)定計算點(diǎn)見圖4。作用在清水池壁板上的不利作用為外部土壓力、水壓力，以及地面超載導(dǎo)致的附加壓力；有利作用為壁板、底板的自重，以及底板外挑部分的土重，規(guī)范要求抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.6。根據(jù)計算，從壁板邊算起，在不考慮內(nèi)部覆土壓重的條件下，保留底板長度在1.67m以上即可滿足抗傾覆穩(wěn)定要求。A-A剖面中，保留底板長度在8.0m～9.6m，且底板進(jìn)行了覆土壓重，抗傾覆穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求。

沿坡頂施工水泥土攪拌樁止水帷幕，開挖1.18m至新建提升泵房底板底標(biāo)高，最終形成“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-放坡”三級基坑圍護(hù)形式，如圖5所示。

圖5 A-A剖面“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-放坡”三級圍護(hù)示意Fig.5 Diagrammatic drawing of“sloped excavation-current structures-sloped excavation”of A-A profile

采用瑞典條分法驗算基坑A-A剖面開挖至1.40m、-1.77m、-2.95m標(biāo)高時最危險圓弧滑動面的整體穩(wěn)定性，穩(wěn)定系數(shù)分別為1.60、1.35、1.32，滿足《基坑標(biāo)準(zhǔn)》中三級安全等級規(guī)定的限值1.30的要求。

2.B-B剖面穩(wěn)定性計算

外側(cè)土體放坡開挖，拆除清水池頂板后，為繼續(xù)向下施工提升泵房主體結(jié)構(gòu)，需鑿除一部分清水池底板，B-B剖面形成的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示，其中保留底板長度為約2.0m～2.6m。

根據(jù)“A-A剖面穩(wěn)定性計算”分析，B-B剖面抗傾覆穩(wěn)定性可滿足規(guī)范要求。由于保留底板長度太短，采用覆土壓重的方式無法滿足抗滑移穩(wěn)定性的要求。為保證保留清水池壁板及底板結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定，同時滿足繼續(xù)向下開挖的需求，在清水池底板內(nèi)側(cè)施工鉆孔灌注樁和壓頂板，外側(cè)施工止水帷幕，如圖6所示，形成“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-灌注樁”三級基坑圍護(hù)形式。

圖6 B-B剖面三級圍護(hù)示意Fig.6 Diagrammatic drawing of B-B profile

采用啟明星軟件對基坑B-B剖面進(jìn)行計算，清水池壁板與灌注樁同時考慮，各穩(wěn)定系數(shù)與《基坑標(biāo)準(zhǔn)》中三級安全等級的限值進(jìn)行比較，如表2所示?？梢夿-B剖面各穩(wěn)定系數(shù)均滿足要求。

表2 B-B剖面穩(wěn)定系數(shù)匯總Tab.2 Summary sheet of stability coefficients of B-B profile

2.3 周邊環(huán)境影響分析

1.A-A剖面周邊環(huán)境影響分析

為了進(jìn)一步分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形及基坑開挖對周邊環(huán)境影響，采用Midas-GTS有限元軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計算。根據(jù)《基坑標(biāo)準(zhǔn)》中基坑開挖對周邊環(huán)境影響范圍的規(guī)定，計算域水平范圍取到基坑以外3.0H（H為基坑開挖深度），豎向取2.5倍基坑開挖深度。土體采用HSS本構(gòu)模型［5，6］模擬，混凝土采用彈性本構(gòu)模型模擬，基坑外超載20kPa，最終形成的數(shù)值計算模型如圖7所示。

圖7 A-A剖面有限元計算模型Fig.7 Calculation model of A-A profile

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的坑外地表沉降如圖8所示，最大沉降值為11.9mm，滿足《基坑標(biāo)準(zhǔn)》中二級環(huán)境保護(hù)等級變形控制要求（17.4mm）。最大沉降位置出現(xiàn)在距離壁板5m處，處于一倍開挖深度范圍內(nèi)；距離壁板三倍基坑開挖深度處地表沉降接近于0。由于基坑開挖過程中，清水池壁板、底板也隨土體發(fā)生了沉降，導(dǎo)致緊貼壁板處土體沉降量較大，沉降值為10.7mm。

圖8 A-A剖面坑外地表沉降曲線Fig.8 Graph of ground subsidence outside wallboard of A-A profile

清水池壁板底板形成的L形擋墻結(jié)構(gòu)變形如圖9所示，壁板最大側(cè)向變形為19.9mm，滿足《基坑標(biāo)準(zhǔn)》中二級環(huán)境保護(hù)等級側(cè)向變形控制要求（20.9mm）。最小側(cè)向變形為10.5mm，這是由于在基坑開挖過程中該L形結(jié)構(gòu)隨著土體發(fā)生了向坑內(nèi)整體移動。

圖9 A-A剖面壁板側(cè)向變形云圖（單位：mm）Fig.9 Contour map of lateral deformation of wallboard of A-A profile（unit：mm）

2.B-B剖面周邊環(huán)境影響分析

與A-A剖面一致，采用Midas-GTS有限元分析軟件建立數(shù)值模型進(jìn)行計算，如圖10所示。

圖10 B-B剖面有限元計算模型Fig.10 Calculation model of B-B profile

圍護(hù)結(jié)構(gòu)的坑外地表沉降如圖11所示，最大沉降12.9mm，出現(xiàn)在距離壁板7m左右的位置，滿足環(huán)境保護(hù)變形控制要求。距離壁板5m范圍內(nèi)，土體沉降值均較小，在約2m～4m處出現(xiàn)了與向下變形趨勢相反的變形。這是由于壁板受坑底隆起的影響，發(fā)生了向外的轉(zhuǎn)動，擠壓了外側(cè)放坡處的土體。距離壁板4m～25m范圍的變形狀態(tài)與典型的板式圍護(hù)體系坑外地表沉降分布規(guī)律較為一致，在基坑開挖深度三倍范圍外沉降接近0。

圖11 B-B剖面坑外地表沉降曲線Fig.11 Graph of ground subsidence outside wallboard of B-B profile

B-B剖面壁板及灌注樁側(cè)向變形如圖12、圖13所示。壁板發(fā)生了向外的變形，一是受坑底隆起影響，壁板和底板發(fā)生了向外的轉(zhuǎn)動；二是灌注樁下端嵌固于土中，頂部受壓頂板和清水池底板約束，在受到側(cè)向水、土壓力作用時，灌注樁發(fā)生了彎曲變形，引起清水池壁板和底板向外轉(zhuǎn)動。B-B剖面向基坑內(nèi)的側(cè)向變形最大為6.5mm，較A-A剖面的19.9mm小很多。

圖12 B-B剖面壁板、灌注樁側(cè)向變形云圖（單位：mm）Fig.12 Contour map of lateral deformation of wallboard and pile wall of B-B profile（unit：mm）

圖13 B-B剖面壁板、灌注樁側(cè)向變形曲線Fig.13 Graph of lateral deformation of wallboard and pile wall of B-B profile

3 施工及現(xiàn)場實(shí)測

基坑施工工序如圖14所示，其中：①清水池外側(cè)土體放坡開挖；②清水池頂板及內(nèi)部導(dǎo)流墻拆除；③A-A剖面在保留底板上進(jìn)行覆土壓重；③B-B剖面清水池底板上鉆孔施工灌注樁及壓頂板；④鑿除提升泵房所在位置處清水池底板；⑤繼續(xù)開挖至提升泵房底板底；⑥施工提升泵房及臭氧接觸池。需要特別注意的是，B-B剖面施工時，為了保證在灌注樁施工過程中的清水池保留結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性，需在清水池底板上間隔成孔施工灌注樁，灌注樁施工完成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后才能開始鑿除中間的清水池底板，繼續(xù)開挖。

圖14 施工工序Fig.14 Drawing of construction procedure

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，A-A剖面坑外地表沉降最大值10.8mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形14.5mm；B-B剖面坑外地表沉降最大值11.3mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形5.9mm；均與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近?？傮w來看，施工過程中基坑安全可靠，對周邊環(huán)境影響較小。

4 結(jié)論

1.基坑設(shè)計時應(yīng)全面分析施工過程中可能出現(xiàn)的最不利工況，并采取相應(yīng)的控制措施。“放坡-擬拆除現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)-灌注樁”三級基坑圍護(hù)形式最不利工況出現(xiàn)在灌注樁施工時，此時需在底板上間隔成孔施工灌注樁，確保灌注樁施工過程中清水池保留結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性。

2.對基坑圍護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測，兩者結(jié)果較為接近，最終A-A剖面和B-B剖面坑外地表沉降最大值分別為10.8mm和11.3mm，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形分別為14.5mm和5.9mm，滿足規(guī)范變形控制要求。

3.結(jié)合擬拆除現(xiàn)狀清水池結(jié)構(gòu)進(jìn)行基坑圍護(hù)設(shè)計及施工，與在清水池外側(cè)施工圍護(hù)、拆除清水池后再施工提升泵房及臭氧接觸池相比較，可節(jié)約造價，加快工程進(jìn)度，為傳統(tǒng)基坑設(shè)計提供了新的思路。