走馬塘江邊泵站工程基坑圍護設計

蘭宇

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335）

在我國“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要中提到，要強化大中小微水利設施協(xié)調(diào)配套，提升水資源優(yōu)化配置和水旱災害防御能力。在加強水利基礎設施建設過程中，為進行水工結構地下部分的施工，會由地面向下開挖出一定空間。進行基坑開挖時，除了受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的限制外，還會受到基坑開挖影響范圍內(nèi)已有建筑物、道路、地下設施、地下管線等周邊環(huán)境的制約。當工程周邊環(huán)境復雜，基坑開挖深度大、范圍廣，施工工序多時，如何保證基坑內(nèi)的安全穩(wěn)定，控制基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，是基坑圍護設計的重點。

1 工程概況

張家港走馬塘江邊泵站工程位于蘇州張家港走馬塘出江口，泵站布置在現(xiàn)有江邊樞紐東南側（節(jié)制閘側）。工程北岸為現(xiàn)有節(jié)制閘及交通橋，北岸基坑不具備大放坡開挖條件，泵房、交通橋及北岸清污機橋基坑需采取基坑圍護措施后再進行開挖，南岸清污機橋可考慮采用大放坡開挖。交通橋及泵房段順河向長45.00 m，垂直河流方向長36.00 m。

在施工過程中，為保證不破壞副廠房基礎，安裝間基坑開挖時需采取基坑圍護措施后再進行開挖；為減少大放坡開挖對內(nèi)、外河翼墻1及副廠房基礎的影響，在內(nèi)、外河翼墻兩基坑開挖時，局部銜接段需采取基坑圍護措施。工程泵站機組采用貫流泵型式，葉輪處集水井底板高程較低，與泵房段基坑底板之間存在較深高差，為保證施工時基坑內(nèi)的安全穩(wěn)定，考慮沿開挖邊坡兩側坡頂采用加固土進行加固。此外，根據(jù)水工結構布置，進、出水池段及導流墻結構考慮永臨結合，采用雙排樁直立擋墻結構，施工期可兼做圍護結構進行基坑開挖。

泵房及交通橋段泵房基坑開挖底高程-4.45 m，交通橋最深齒檻段基坑開挖底高程-4.35 m，北岸現(xiàn)狀地面高程6.40 m，南岸現(xiàn)狀地面高程約4.50 m，北岸基坑深度10.85 m，南岸基坑深度8.95 m。北岸清污機橋段基坑開挖底高程-1.90 m，現(xiàn)狀地面高程6.40 m，基坑深度8.30 m。南岸泵房安裝間底板高程0.70 m，副廠房開挖底板高程3.80 m，基坑深度3.10 m。內(nèi)、外河翼墻兩段基坑開挖底高程-2.90 m，現(xiàn)狀地面高程3.80 m，基坑深度6.70 m。工程泵站機組采用貫流泵型式，葉輪處集水井底板高程-8.20 m，泵房段基坑底板高程-4.45/-4.20 m，高程相差3.75/4.00 m。該工程基坑開挖底高程-4.45～0.70 m，基坑開挖頂高程6.40～3.80 m，基坑深度10.85～3.10 m。

根據(jù)基坑的開挖深度及周邊環(huán)境，北岸交通橋及泵房段、南岸交通橋及泵房段、北岸清污機橋段、內(nèi)/外河翼墻兩段基坑安全等級為二級，南岸泵房安裝間段基坑安全等級為三級。周邊環(huán)境保護等級按二級考慮。

2 水文地質(zhì)條件

工程位于長江下游南岸沖積平原區(qū)，地貌類型為新三角洲平原，區(qū)內(nèi)地形平坦，河網(wǎng)密集，地面高程1.80～8.00 m，工程范圍內(nèi)地表下根據(jù)其成因、時代、結構特征及物理力學性質(zhì)指標等因素，從上至下將其劃分為A層堤身填土、①1層素填土與①2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②層砂質(zhì)粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層粉砂、⑤層粉砂、⑥1層粉質(zhì)粘土與⑥2層粘質(zhì)粉土、⑦層粉砂，共8層。地下水主要為第四系覆蓋層孔隙水，受大氣降水補給，向河網(wǎng)排泄。場地內(nèi)含水層為②層砂質(zhì)粉土、④層粉砂和⑤層粉砂，隔水層為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、⑥1層粉質(zhì)粘土，但⑥1層分布不連續(xù)。②層中地下水屬潛水，④、⑤、⑦層砂土中地下水具有微承壓水性質(zhì)。

3 基坑圍護方案設計

3.1 方案比選

工程北岸泵房及交通橋段基坑最大開挖深度約10.85 m，基坑不具備大放坡開挖條件，需采取基坑圍護措施，以減少對現(xiàn)有節(jié)制閘及交通橋的影響。根據(jù)基坑開挖深度、周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件影響，基坑圍護形式按以下2種方案進行分析比選：1）鉆孔灌注樁+4道錨索圍護?；?∶2放坡開挖至4.50 m，在4.50 m高程設置鉆孔灌注樁+4道錨索圍護，鉆孔灌注樁直徑0.80 m，間距1.00 m，樁長27.00 m，錨索水平間距2.00 m，豎向間距2.20 m，角度為15°，灌注樁樁后設置三軸水泥攪拌樁截滲。2）鉆孔灌注樁+2道水平支撐圍護。基坑1∶2放坡開挖至4.50 m高程，在4.50 m高程設置鉆孔灌注樁+2道水平支撐的圍護結構型式，鉆孔灌注樁直徑0.80 m，間距1.00 m，樁后設置三軸水泥攪拌樁截滲。

工程北側為現(xiàn)有節(jié)制閘、交通橋，北岸基坑距離交通橋距離較近，錨索施工容易對交通橋基礎造成破壞，且根據(jù)地勘資料分析，工程場地內(nèi)含水層為②層砂質(zhì)粉土、④層粉砂和⑤層粉砂，④層粉砂滲透系數(shù)為1.0×10-3cm/s，滲透系數(shù)較大，且緊鄰長江補給豐富，錨索施工易形成滲透通道，不利于基坑安全，為滿足基坑的施工安全，錨索長度達到40.00 m，施工難度很大。

鉆孔灌注樁對撐圍護方案有著大量成熟的工程經(jīng)驗，鉆孔灌注樁剛度大，對撐結構控制樁頂變形能力強，樁外側采用截水帷幕截滲，能夠滿足該工程基坑安全等級要求。綜合上述因素考慮，該工程泵房及交通橋段基坑圍護結構型式采用鉆孔灌注樁加對撐圍護形式。

3.2 方案概述

3.2.1 泵房及交通橋段圍護方案

基坑圍護采用?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁結合2道水平支撐的圍護結構型式。由于南、北岸現(xiàn)狀地面高程不一致，北岸基坑1∶1.5放坡開挖至4.50 m高程設置鉆孔灌注樁，灌注樁樁長20.00 m，南岸鉆孔灌注樁樁長19.00 m，南北岸灌注樁后均設置?850 mm@600 mm的三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁長17.50 m。第1道支撐采用鋼筋混凝土支撐，截面尺寸為1 000 mm×600 mm，支撐中心標高為4.10 m，第2道支撐采用雙拼?609 mm（壁厚16 mm）鋼管支撐，支撐中心標高為0.10 m高程。

考慮到支撐的長度較長，為充分保證支撐結構的穩(wěn)定性，在支撐下設置垂直角鋼格構柱，并給以水平連接。格構柱下設立柱樁，立柱樁采用直徑800 mm鋼筋混凝土灌注樁，格構柱伸入灌注樁3.00 m。南北向共設置2排立柱樁，由北向南的間距分別為10.80，14.40，10.80 m。

3.2.2 北岸清污機橋段圍護方案

北岸清污機橋段圍護采用雙排鉆孔灌注樁樁圍護結構，圍護范圍10.00 m，前、后排樁直徑?1 200 mm，間距1 400 mm，樁長22.00 m?，F(xiàn)狀地面1∶1.5放坡開挖至4.50 m高程設置雙排鉆孔灌注樁，雙排樁樁長22.00 m，前排鉆孔灌注樁樁后設置?850 mm@600 mm的三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁長17.50 m，坑內(nèi)底板高程-2.10 m以下采用?650 mm@450 mm的三軸水泥攪拌樁加固土，加固區(qū)深4.00 m、寬4.25 m。

3.2.3 安裝間段圍護方案

工程副廠房開挖底板為3.80 m，安裝間底板為0.70 m，為降低安裝間基坑開挖對副廠房基礎的影響，安裝間基坑采取基坑圍護后再進行開挖?；訃o采用水泥土重力式圍護墻進行施工，為減少工程樁基設備，水泥土重力式圍護墻采用?650 mm@450 mm三軸水泥攪拌樁，樁長9.00 m，成墻厚度約2.45 m。

3.2.4 內(nèi)、外河翼墻兩段圍護方案

工程內(nèi)、外河翼墻兩基坑采用大放坡開挖，為減少大放坡開挖對內(nèi)、外河翼墻1及副廠房基礎的影響，基坑開挖局部銜接段考慮設置?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁圍護，灌注樁樁長16.00 m，樁后設置?850 mm@600 mm的三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁長17.00 m，圍護范圍共20.00 m。

3.2.5 葉輪底板坑內(nèi)加固方案

工程泵站機組采用貫流泵型式，葉輪處集水井底板高程-8.20 m，泵房段基坑底板高程-4.45/-4.20 m，考慮沿兩側開挖，邊坡坡頂采用?650 mm@450 mm三軸水泥攪拌樁加固土進行加固，樁長9.00/9.25 m，加固土深5.00 m、寬2.45 m，水泥摻量20%。

3.3 方案分析

經(jīng)計算，泵房及交通橋段、北岸清污機橋段、安裝間段和內(nèi)/外河翼墻兩段的基坑圍護結構，以及葉輪底板的坑內(nèi)加固方案，均滿足基坑安全等級規(guī)范要求的整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定性及抗?jié)B流穩(wěn)定性允許值，并將樁頂變位及地面沉降控制在合理范圍內(nèi)。下面以泵房及交通橋段圍護結構為例，分析圍護結構工況，并對計算結果進行分析。

3.3.1 泵房及交通橋段圍護結構工況

1）北岸交通橋及泵房段圍護結構工況

根據(jù)工程實際情況，對基坑側施加施工荷載20 kPa。由于北岸現(xiàn)狀地面高程6.40 m，南岸現(xiàn)狀地面高程4.50 m，為滿足圍護結構安全穩(wěn)定且方便施工，北岸以1∶1.5坡比開挖至4.50 m高程，平臺寬2.50 m，?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁支護，樁長20.00 m。灌注樁后設置?650 mm@450 mm的三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁長16.00 m。第1道撐為鋼筋混凝土撐，第2道撐為?609 mm壁厚16 mm鋼管支撐。基坑開挖分3次開挖，超挖深度為0.50 m，第一次開挖至高程3.60 m（深度2.80 m），在高程4.10 m（深度2.30 m）處進行第1道鋼筋混凝土支撐的加撐施工；第二次開挖至高程-0.40 m（深度6.80 m），在高程0.10 m（深度6.30 m）處進行第2道?609 mm壁厚16 mm鋼管雙拼支撐的加撐施工；最后一次開挖至坑底高程-4.45 m（深度10.85 m）。待底板澆筑完，具備一定強度后，由下至上拆除2道對撐結構。

2）南岸交通橋及泵房段圍護結構工況

根據(jù)工程實際情況，對基坑側施加施工荷載20 kPa。南岸現(xiàn)狀地面高程4.50 m，無放坡，?800 mm@1 000 mm鉆孔灌注樁支護，樁長19.00 m。灌注樁后設置?650 mm@450 mm的三軸水泥攪拌樁止水帷幕，樁長15.00 m。第1道撐為鋼筋混凝土撐，第2道撐為?609 mm壁厚16 mm鋼管支撐。基坑開挖分3次開挖，超挖深度為0.50 m，第一次開挖至高程3.60 m（深度0.90 m），在高程4.10 m（深度0.40 m）處進行第1道鋼筋混凝土支撐的加撐施工；第二次開挖至高程-0.40 m（深度4.90 m），在高程0.10 m（深度4.40 m）處進行第2道?609 mm壁厚16 mm鋼管雙拼支撐的加撐施工；最后一次開挖至坑底高程-4.45 m（深度8.95 m）。待底板澆筑完，具有一定強度后，由下至上拆除2道對撐結構。

3.3.2 泵房及交通橋段圍護結構分析[1-5]

1）整體穩(wěn)定分析，采用瑞典條分法理論驗算沿最危險圓弧滑動面的穩(wěn)定性。經(jīng)計算，基坑兩岸圍護結構整體穩(wěn)定最不利工況為基坑最后一次開挖至坑底高程時，北岸、南岸整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.46和2.60，均大于二級基坑安全等級的規(guī)范要求允許值1.30。

2）抗隆起分析，按墻底地基承載力模式驗算。經(jīng)計算，基坑兩岸圍護結構抗隆起最不利工況為基坑最后一次開挖至坑底高程時，北岸、南岸抗隆起安全系數(shù)分別為2.49和2.66，均大于二級基坑安全等級的規(guī)范要求允許值1.90。

3）抗?jié)B流分析，按臨界水力梯度法驗算，抗?jié)B流驗算系數(shù)：

K=γ′(2d+0.8h)/(γw△h)

式中：γ′為土的浮重度，kN/m3；d為截水帷幕底面至坑底的土層厚度，m；h為潛水水面或承壓水含水層頂面至基坑底面的土層厚度，m；γw為水的重度，kN/m3；△h為基坑內(nèi)外的水頭差。

北岸圍護結構開挖深度10.85 m，水位埋深1.00 m，計算得抗?jié)B流驗算系數(shù)K為1.86；南岸圍護結構開挖深度8.95 m，水位埋深0.50 m，計算得抗?jié)B流驗算系數(shù)K為1.82，均大于允許值1.50。

4）內(nèi)力變形分析，計算基坑開挖過程中的位移、剪力、彎矩的變化曲線。經(jīng)計算，基坑兩岸圍護結構內(nèi)力變形最不利工況為拆除下部第2道鋼管支撐時，北岸、南岸第1道鋼筋混凝土撐的支撐軸力為1 785 kN和1 300 kN，第2道?609 mm壁厚16 mm鋼管支撐軸力為3 420 kN和2 878 kN，均大于2 500 kN，故采用雙拼。北岸、南岸圍護結構樁側向位移量為22.0 mm和16.6 mm，滿足規(guī)范要求。

4 結語

基坑圍護方案設計作為水利工程建設的關鍵技術之一，在保證基坑內(nèi)安全穩(wěn)定的同時，控制基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。基坑圍護的整體穩(wěn)定性，隨著鉆孔灌注樁樁長的增加而增加，當鉆孔灌注樁樁長達到某一臨界長度時，整體穩(wěn)定性對鉆孔灌注樁樁長的敏感性逐漸降低；基坑圍護的抗?jié)B流穩(wěn)定性，隨著水泥攪拌樁止水帷幕長度的增加而增加，當止水帷幕長度達到某一臨界點時，抗?jié)B流穩(wěn)定性對止水帷幕長度的敏感性逐漸降低。因此，鉆孔灌注樁樁長和止水帷幕長度的確定，應先結合工程實際地勘資料，選擇合適的長度范圍；再根據(jù)計算結果，不斷調(diào)整，從而確定鉆孔灌注樁和止水帷幕的設計長度。