雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在原水泵站深基坑施工中的應(yīng)用

薛智瑤

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

雙排樁作為一種新型支護(hù)結(jié)構(gòu)屬于懸臂類支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種，但與單排懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，其具有較大的側(cè)向剛度，可以有效控制基坑的側(cè)向變形，樁身內(nèi)力分布均勻合理，無需設(shè)置內(nèi)支撐，可節(jié)約工期。因此，在深基坑工程中，特別是在對基坑變形有嚴(yán)格要求的工程中，雙排樁支護(hù)越來越受到工程技術(shù)人員的青睞[1]。

雙排樁支護(hù)體系包括前排樁、后排樁及連接前、后排樁的連梁，其作用機(jī)制主要是通過連梁發(fā)揮空間組合樁的整體剛度和空間效應(yīng)，并與樁土協(xié)同工作，支擋開挖引起的不平衡土壓力，達(dá)到保持坑側(cè)穩(wěn)定、控制變形、保證施工和相鄰環(huán)境安全的目的[2]。

以某大型原水泵站基坑工程為例，綜合分析雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)在工程設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測中的應(yīng)用情況，得到了雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工的一些有益結(jié)論，供類似工程參考。

1 工程概況

某原水泵站為原水輸送工程中途增壓泵站，上游原水需經(jīng)過調(diào)節(jié)池進(jìn)行減壓緩流處理后才進(jìn)入泵房下部結(jié)構(gòu)，經(jīng)過泵房增壓后輸送至下游。調(diào)節(jié)池基坑為淺基坑，開挖深度為3.4 m，增壓泵房下部為深基坑，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，最大開挖深度為9.8 m，增壓泵房基坑和調(diào)節(jié)池基坑通過泵房內(nèi)部斜向底板進(jìn)行不同標(biāo)高銜接（圖1）。

圖1 調(diào)節(jié)池和增壓泵房基坑相對關(guān)系

2 工程地質(zhì)

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)各土層如下：①層素填土、②層粉質(zhì)黏土、③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③3層黏土層、⑥1-1粉質(zhì)黏土層、⑥2-1砂質(zhì)粉土層、⑥4-1粉質(zhì)黏土層、⑥4-2粉質(zhì)黏土層。

3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

根據(jù)基坑周邊環(huán)境和水文地質(zhì)條件，綜合工程地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)，本工程深基坑可采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式有帶內(nèi)支撐的SMW工法樁、帶內(nèi)支撐的灌注樁、帶內(nèi)支撐的地下連續(xù)墻等，也可采用帶放坡的雙排灌注樁形式[3-5]。

3.1.1 帶內(nèi)支撐的圍護(hù)形式

該方法的優(yōu)點(diǎn)為能夠充分利用混凝土支撐結(jié)構(gòu)的抗壓性能，支撐與圍護(hù)結(jié)構(gòu)能夠形成整體，有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形；缺點(diǎn)為現(xiàn)場制作和養(yǎng)護(hù)時間較長，占用大量工期，需要換撐且支撐拆除工程量大，支撐與結(jié)構(gòu)存在交界面，影響結(jié)構(gòu)施工。

3.1.2 雙排灌注樁結(jié)合放坡

該方法的優(yōu)點(diǎn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)依靠前后排樁和壓頂結(jié)構(gòu)組成獨(dú)立支撐體系，依靠自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性發(fā)揮擋土作用，不依賴內(nèi)部支撐，節(jié)省了支撐制作、養(yǎng)護(hù)和拆除的時間，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，不存在交界面，互不影響，對工期極為有利；缺點(diǎn)為由于不設(shè)置內(nèi)部支撐，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形比有內(nèi)支撐的圍護(hù)體系大[6-8]。

考慮泵站工程基坑周邊環(huán)境空曠、時間進(jìn)度較緊的特點(diǎn)，且靠近調(diào)節(jié)池側(cè)開挖深度較淺，從調(diào)節(jié)池和泵房的平面和豎向布置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和施工工期綜合考慮，最終采用雙排灌注樁結(jié)合放坡作為基坑圍護(hù)形式。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵站工程基坑平面尺寸約為58 m×58 m，北、東、南三面基坑開挖深度9.8 m，采用放坡＋雙排灌注樁；西側(cè)基坑開挖深度4.8m，采用放坡＋重力式擋墻。圍護(hù)采用雙排φ1 000 mm灌注樁，前排樁間距1 150 mm，樁長19.3 m，后排樁間距1 725 mm，樁長17.3 m，前后排樁凈間距2 m，樁頂連梁寬度4.2 m，高度0.7 m。樁間采用φ850 mm@600 mm雙軸水泥土攪拌樁止水帷幕，深度插至⑥2-1承壓水層下1 m。為了減小懸臂變形，基坑底部沿前排樁施作寬度4.2 m的φ700 mm@500 mm雙軸水泥土攪拌樁，加固厚度4 m（圖2）。

圖2 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)主剖面

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

泵站工程基坑圍護(hù)安全等級為二級，基坑環(huán)境保護(hù)等級為三級。基坑側(cè)向土壓力按照郎金主動土壓力公式，采用水土分算。基坑采用同濟(jì)啟明星雙排樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件以平面剛架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS進(jìn)行有限元分析。

3.3.1 變形計(jì)算

按照DBJ 08-61—2010《基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程》中的基坑變形設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移42.4 mm＜0.7%基坑深度=67.9 mm，滿足基坑變形要求。

3.3.2 穩(wěn)定性及抗傾覆驗(yàn)算

基坑施工期間地面超載按20 kN/m2計(jì)，經(jīng)計(jì)算，泵站基坑抗傾覆安全系數(shù)為1.23，設(shè)計(jì)要求安全系數(shù)1.20，滿足抗傾覆要求（圖3）。

圖3 抗傾覆計(jì)算模型

3.3.3 有限元分析

為了更好地了解基坑變形性狀和受力特點(diǎn)，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS做了進(jìn)一步的分析。土力學(xué)基本參數(shù)根據(jù)地勘報(bào)告選用，土體本構(gòu)模型采用能反映土體變形的非線性彈塑性模型——硬化土體模型（Hardening soil model），其中割線模量根據(jù)工程地區(qū)反分析計(jì)算的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)選取，其他參數(shù)根據(jù)本構(gòu)關(guān)系公式計(jì)算得到。灌注樁、連板采用線彈性模型的梁單元。考慮結(jié)構(gòu)與土層的界面強(qiáng)度及剛度弱化，在結(jié)構(gòu)單元與土層之間設(shè)置接觸面。

墻體最大水平位移為56 mm，稍大于啟明星計(jì)算值42.4 mm，但滿足環(huán)境安全等級三級基坑最大變形值67.9 mm的要求。基坑最大彎矩值小于啟明星計(jì)算值，按啟明星計(jì)算結(jié)果配筋。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，坑外土體最大沉降值為36 mm，基坑4倍開挖深度處沉降約為10 mm，滿足環(huán)境等級三級基坑變形保護(hù)要求。

4 基坑圍護(hù)施工

泵站工程基坑圍護(hù)施工涉及鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)施工、兩軸攪拌樁土體加固施工、三軸攪拌樁止水帷幕施工、圍護(hù)壓頂連梁施工，所采用的工藝均較為成熟，但由于雙排樁前后排樁間距較小（僅為2 m），故需考慮鉆孔灌注樁和三軸攪拌樁施工的相互影響。先施工三軸攪拌樁再施工鉆孔灌注樁，需要保證足夠的時間間隔，否則由于三軸攪拌樁擾動鉆孔灌注樁附近土體，可能導(dǎo)致成孔出現(xiàn)問題，影響鉆孔灌注樁施工質(zhì)量。先施工鉆孔灌注樁再施工三軸攪拌樁，需考慮鉆孔灌注樁樁孔回填問題，否則三軸機(jī)械無法施工。綜合考慮本工程實(shí)際情況，采取先施工鉆孔灌注樁后施工三軸樁的技術(shù)措施，為保證圍護(hù)樁安全且考慮樁機(jī)工效，三軸攪拌樁落后鉆孔灌注樁一周時間開始施工。

4.1 鉆孔灌注樁施工

根據(jù)地層地質(zhì)特點(diǎn)、樁徑和樁深，采用GPS-15型正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔、導(dǎo)管法水下灌注混凝土成樁的施工工藝。由于圍護(hù)樁樁間間距較小，在相鄰剛灌注完混凝土的鄰樁旁成孔施工時，安全距離不得小于4倍樁徑，或時間間隔不應(yīng)少于36 h。

為保證成孔安全，樁基施工時采用前后排樁M形跳打的方式。考慮圍護(hù)樁的垂直度對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度影響較大，樁的垂直度需要重點(diǎn)控制，鉆進(jìn)過程中應(yīng)時刻檢查鉆機(jī)工作平臺水平度并經(jīng)常使用鉛垂檢查鉆架垂直度，以保證圍護(hù)樁成孔垂直度偏差小于1/150。

4.2 三軸止水帷幕施工

本工程選用φ850 mm@600 mm三軸水泥土樁作為止水帷幕。三軸樁入土深度20.3 m，插入坑底以下13.2 m以滿足坑內(nèi)深井降水的要求。三軸水泥攪拌樁施工按跳槽式雙孔全套復(fù)攪式連接施工，以保證止水效果。三軸水泥攪拌樁的水泥摻量為20%，28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥0.8 MPa。樁身垂直度不應(yīng)大于1/200，樁位偏差不大于50 mm。三軸攪拌樁下沉速度不大于1 m/min，提升速度不大于2 m/min。

5 監(jiān)測結(jié)果分析

本工程基坑土方分3皮開挖，基坑監(jiān)測結(jié)果中的3條折線分別代表每皮土方開挖后基坑監(jiān)測點(diǎn)的最大變形量（圖4、圖5）。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，最大位移發(fā)生在樁頂部位，且基坑最大位移發(fā)生在CX4點(diǎn)位置，最大變形量為43.6 mm，啟明星最大位移計(jì)算值為42.4 mm，PLAXIS有限元分析最大位移值為56 mm。實(shí)際監(jiān)測最大位移值稍大于啟明星計(jì)算值，遠(yuǎn)小于有限元分析計(jì)算值。

圖5 基坑監(jiān)測結(jié)果

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力的正確估算是設(shè)計(jì)合理與否的前提條件，雖然已有多種土壓力計(jì)算模式，但支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的改變使得實(shí)際土壓力分布趨于復(fù)雜。對于頂部設(shè)置冠梁的雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，每排樁上均將受到一定的土壓力值，而它們之間的作用關(guān)系、應(yīng)力狀態(tài)及其量值大小是值得關(guān)注的重要問題。

6 結(jié)語

背景工程是整個原水輸送工程的核心，直接制約整個系統(tǒng)工程能否按時通水，且工程量極大，工期極為緊張。若采用普通單排懸臂樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，按照本工程基坑開挖深度，需要設(shè)置2道混凝土內(nèi)支撐，2道內(nèi)支撐施工和拆除需要占用至少45 d工期。采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)無需設(shè)置內(nèi)支撐，能夠節(jié)約大量工期，最終保證工程順利竣工。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)加三軸止水帷幕的組合效果較好，基坑圍護(hù)變形量可控，止水效果可靠，類似工程可以參考借鑒。