雙排支護(hù)樁在基坑圍護(hù)中的應(yīng)用

孟 鳴

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

現(xiàn)代城市水利工程建設(shè)中，對(duì)運(yùn)行年代久遠(yuǎn)、防洪排澇等功能衰退的水利設(shè)施的拆除重建工程越來(lái)越普遍，而在城市建設(shè)進(jìn)程中，水利設(shè)施周邊的臨河建筑也日趨增多，導(dǎo)致河道兩側(cè)可供基坑開(kāi)挖的施工場(chǎng)地十分有限，且基坑施工過(guò)程中可能產(chǎn)生較大的沉降和位移，對(duì)臨河建筑物的結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。這種基坑施工場(chǎng)地受限與建筑物功能多樣性之間的矛盾，在城市化建設(shè)過(guò)程中已日趨突出。本文結(jié)合上海市青浦區(qū)西大盈套閘拆除重建工程實(shí)例，通過(guò)對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)布置方案的優(yōu)化比選及相關(guān)理論計(jì)算，探討基坑施工場(chǎng)地受限條件下的基坑開(kāi)挖及圍護(hù)方案布置，為類似水利工程施工方案設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

新建西大盈泵閘位于現(xiàn)有西大盈套閘外閘首處，工程主要建設(shè)內(nèi)容包括：拆除現(xiàn)有套閘外閘首、泵閘合建15 m3/s雙向泵站＋12 m閘首、建設(shè)變配電及管理房等附屬設(shè)施。泵閘基坑周邊無(wú)重要市政管線及地下障礙物，基坑?xùn)|岸房屋建筑較為密集，西岸除內(nèi)河翼墻處有廠房建筑外，其余范圍主要為農(nóng)田。根據(jù)泵閘總體布置情況，基坑?xùn)|岸側(cè)最大開(kāi)挖深度約6.3 m，結(jié)構(gòu)邊墻距離東岸房屋建筑距離最近處約7.6 m，基坑西岸側(cè)最大開(kāi)挖深度約8.3 m。

本工程為拆除重建工程，基坑開(kāi)挖方式受老閘兩岸現(xiàn)有場(chǎng)地條件及建筑物分布情況影響較大，基坑?xùn)|西兩側(cè)場(chǎng)地條件不同，基坑?xùn)|側(cè)有房屋建筑，施工場(chǎng)地有限，不利于放坡開(kāi)挖，基坑西側(cè)場(chǎng)地條件開(kāi)闊，施工條件較好，故如何在有限的場(chǎng)地條件下選取合適的基坑圍護(hù)型式實(shí)施基坑開(kāi)挖，保護(hù)基坑周邊房屋建筑的安全，同時(shí)又充分利用現(xiàn)場(chǎng)有利條件，降低臨時(shí)工程投資，是本工程實(shí)施的難點(diǎn)所在。

2 工程地質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，工程區(qū)域內(nèi)地下水主要為潛水。場(chǎng)地土層自上而下分別為：素填土、粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、粉質(zhì)粘土及粘土等，其中粉砂層為含水層，具有微承壓性質(zhì)，施工期需考慮在基坑內(nèi)采取降排水措施，各土層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3 基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

考慮本工程基坑兩岸場(chǎng)地施工條件各不相同，基坑圍護(hù)按基坑順?biāo)鞣较蚍譃橥夂雍Ｂ巍⑼忾l首及消力池段（對(duì)應(yīng)泵房及進(jìn)出水池段）、內(nèi)河連接段三段分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 外河海漫段及內(nèi)河連接段基坑

3.1.1 基坑圍護(hù)型式

外河海漫段東岸及內(nèi)河連接段西岸均有房屋建筑分布，且房屋距離翼墻結(jié)構(gòu)邊線最近處不足1 m，基坑最大開(kāi)挖深度4.95 m，基坑開(kāi)挖作業(yè)需設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)后再行實(shí)施，以確保房屋建筑的穩(wěn)定安全。根據(jù)水工結(jié)構(gòu)，外河海漫段東岸及內(nèi)河連接段西岸翼墻墻身均為混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)，該翼墻結(jié)構(gòu)可直接于岸上干地鉆孔進(jìn)行施工，實(shí)施完成后翼墻樁身結(jié)構(gòu)即可兼做基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。因此，外河海漫段基坑?xùn)|岸及內(nèi)河連接段基坑西岸在進(jìn)行基坑開(kāi)挖時(shí)，無(wú)需另設(shè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮將水工翼墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行永臨結(jié)合，基坑在鉆孔灌注樁翼墻的圍護(hù)下垂直開(kāi)挖進(jìn)行施工。

外河海漫段西岸場(chǎng)地開(kāi)闊，地勢(shì)平坦，場(chǎng)地主要為農(nóng)田，基坑開(kāi)挖深度4.8 m，具備放坡開(kāi)挖條件。內(nèi)河連接段東岸基坑尾段有房屋建筑，且距翼墻結(jié)構(gòu)邊線較遠(yuǎn)，距離約13 m，基坑開(kāi)挖深度5.2 m，場(chǎng)地施工條件較好，亦具備放坡開(kāi)挖條件。因此，外河海漫段西岸及內(nèi)河連接段東岸段基坑考慮采用放坡開(kāi)挖。

3.1.2 基坑開(kāi)挖斷面

外河海漫段東岸利用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)翼墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4.95 m；西岸采用兩級(jí)放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4.8 m，第一級(jí)從地面3.5 m高程以1∶2.5邊坡開(kāi)挖至0.0 m高程，設(shè)2.0 m寬?cǎi)R道，第二級(jí)從0.0m高程以1∶1.5邊坡開(kāi)挖至-1.3 m高程，坡面掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)面。

內(nèi)河連接段西岸利用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結(jié)構(gòu)翼墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直開(kāi)挖，開(kāi)挖深度4.95 m，東岸采用兩級(jí)放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度5.2 m，開(kāi)挖邊坡1∶1.25，在1.00 m高程設(shè)置1.5 m寬?cǎi)R道，坡面掛鋼絲網(wǎng)噴混凝土護(hù)面。

外河海漫段及內(nèi)河連接段基坑開(kāi)挖斷面見(jiàn)圖1～2。

圖1 外河海漫段基坑開(kāi)挖斷面

圖2 內(nèi)河連接段基坑開(kāi)挖斷面圖

3.1.3 開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算

邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況：基坑外側(cè)地下水位深度0.9 m，基坑內(nèi)側(cè)地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡頂施工荷載取20 kPa。

穩(wěn)定分析計(jì)算采用瑞典條分法，計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，外河海漫段西岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.949＞Kz=1.3，內(nèi)河連接段東岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.611＞Kz=1.3，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，表明基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖邊坡是合理的。

3.2 外閘首及消力池段基坑

外閘首及消力池段基坑主體結(jié)構(gòu)尺寸50.8 m×27.5 m。基坑西岸場(chǎng)地開(kāi)闊，地勢(shì)平坦，場(chǎng)地主要為農(nóng)田，基坑最大開(kāi)挖深度8.3 m；東岸房屋建筑分布密集，房屋距離外閘首邊墻結(jié)構(gòu)邊線最近處約7.6 m，基坑最大開(kāi)挖深度6.3 m，基坑開(kāi)挖作業(yè)需設(shè)置圍護(hù)結(jié)構(gòu)后再行實(shí)施，以確保房屋建筑的穩(wěn)定安全。

考慮本段基坑面積不大，基坑開(kāi)挖深度較深，西岸施工場(chǎng)地較好，東岸施工場(chǎng)地條件受限，在選定基坑圍護(hù)方案時(shí)，應(yīng)綜合考慮周邊房屋建筑結(jié)構(gòu)的安全、施工便利性、現(xiàn)場(chǎng)有利場(chǎng)地條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)投資等因素，滿足基坑開(kāi)挖支護(hù)的要求。

3.2.1 基坑方案擬定

根據(jù)上述本段基坑主要特性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，本文擬定兩種設(shè)計(jì)方案，具體分述如下：

方案一：采用內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，在基坑?xùn)|西兩岸分別設(shè)置垂直圍護(hù)樁，兩側(cè)垂直圍護(hù)樁間再設(shè)水平向鋼管對(duì)撐結(jié)構(gòu)，基坑在東西兩側(cè)圍護(hù)樁及對(duì)撐鋼管的圍護(hù)作用下實(shí)施垂直開(kāi)挖，圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁。圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式斷面見(jiàn)圖3。

方案二：采用懸臂式雙排支護(hù)樁結(jié)構(gòu)+放坡開(kāi)挖的型式，在基坑?xùn)|岸設(shè)置懸臂式雙排支護(hù)樁，進(jìn)行基坑垂直開(kāi)挖，基坑西岸場(chǎng)地開(kāi)闊，采用分級(jí)放坡開(kāi)挖，圍護(hù)樁采用鉆孔灌注樁。該方案對(duì)東側(cè)懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式及放坡開(kāi)挖斷面見(jiàn)圖4。

圖3 對(duì)撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

圖4 懸臂式雙排支護(hù)樁結(jié)構(gòu)+放坡開(kāi)挖斷面圖

3.2.2 方案比選

在本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)確定時(shí)主要考慮以下因素：（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)滿足空間布置要求；（2）充分利用現(xiàn)場(chǎng)有利場(chǎng)地條件；（3）施工方便快捷；（4）滿足基坑開(kāi)挖支護(hù)要求；（5）圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程造價(jià)低。

上述初擬的兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式均能滿足場(chǎng)地空間布置要求，均具有可行性。兩種圍護(hù)方案特點(diǎn)分述如下：

方案一：圍護(hù)結(jié)構(gòu)占用施工場(chǎng)地面積小，場(chǎng)地適用性強(qiáng)，基坑土方開(kāi)挖量較小，對(duì)撐支護(hù)結(jié)構(gòu)受力條件好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；但未充分利用西岸開(kāi)闊的施工場(chǎng)地條件，施工工藝復(fù)雜，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工工期長(zhǎng)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)施工干擾較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程量大，工程造價(jià)較高。

方案二：西岸放坡開(kāi)挖占用施工場(chǎng)地面較大，基坑土方開(kāi)挖量較大，基坑對(duì)東岸懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆要求較高；但雙排支護(hù)樁為剛架結(jié)構(gòu)，受力條件好，側(cè)向剛度大，受彎及抗傾覆性能好，樁頂位移小[1]，施工工藝簡(jiǎn)單，施工方便、快捷，并可充分利用西岸可用場(chǎng)地條件進(jìn)行放坡開(kāi)挖，大大減少圍護(hù)工程量，加快施工進(jìn)度，較低圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程造價(jià)。

根據(jù)上述兩方案自身特點(diǎn)及工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，本著因地制宜、布局合理、降低投資等原則，綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素考慮，推薦方案二為外閘首及消力池段基坑圍護(hù)方案。

3.2.3 推薦方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)上述綜合比選，外閘首及消力池段基坑?xùn)|岸考慮設(shè)置懸臂式雙排支護(hù)樁結(jié)構(gòu)后垂直開(kāi)挖，西岸采用分級(jí)放坡開(kāi)挖。

雙排灌注樁樁徑0.8 m，前排樁樁間距1.0 m，樁長(zhǎng)19 m，后排樁樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)12 m，前后兩排灌注樁間距2.3 m。兩排灌注樁間設(shè)置高壓旋噴樁止水帷幕，樁徑0.8 m，樁間距0.5 m，樁長(zhǎng)18.5 m，共設(shè)置兩排，排距0.5 m，前后排錯(cuò)縫排列。

西岸采用三級(jí)放坡開(kāi)挖，開(kāi)挖深度8.3 m，第一級(jí)從地面3.9 m高程以1∶2.5邊坡開(kāi)挖至0.0 m高程，設(shè)置2 m寬?cǎi)R道，第二級(jí)從0.0 m高程以1∶1.5邊坡開(kāi)挖至-2.0 m高程，設(shè)置2 m寬?cǎi)R道，第三級(jí)從-2.0 m高程以1∶1.5邊坡開(kāi)挖至-4.4 m高程，坡面掛鋼絲網(wǎng)噴混凝土護(hù)面。

3.2.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

（1）開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定計(jì)算

邊坡穩(wěn)定計(jì)算工況：基坑外側(cè)地下水位深度0.9 m，基坑內(nèi)側(cè)地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡頂施工荷載取20 kPa。

穩(wěn)定分析計(jì)算采用瑞典條分法，計(jì)算公式采用公式（1）。經(jīng)計(jì)算，外閘首及消力池段西岸邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.940＞Kz=1.3，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（2）基坑穩(wěn)定計(jì)算

1）計(jì)算條件

圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿基坑?xùn)|岸取單位長(zhǎng)度按彈性地基梁計(jì)算[2][3]。東岸房屋建筑作用力等效為豎向分布荷載及沿基坑方向作用的力矩。樁后施工荷載考慮20 kPa。基坑外側(cè)地下水位深度0.9 m，基坑內(nèi)側(cè)地下水位高程取基坑底以下0.5 m。基坑安全等級(jí)為三級(jí)，環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)。

2）支護(hù)樁頂位移及沉降計(jì)算

根據(jù)《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，確定東岸地面最大沉降量為15.75 mm，樁頂最大水平位移18.9 mm。

由計(jì)算結(jié)果知，地表最大沉降量為15 mm＜15.75 mm，樁頂最大水平位移為10.36 mm＜18.9 mm，滿足本工程設(shè)計(jì)位移及沉降要求。

經(jīng)計(jì)算，前排樁最大彎矩205.26kN·m，最大剪力為106.74kN。后排樁最大彎矩339.26 kN·m，最大剪力為94.32 kN。結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移包絡(luò)線及地表沉降線（三角形法）見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

圖6 地表沉降曲線圖

3）整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

整體穩(wěn)定性驗(yàn)算采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.934＞1.25（允許值），滿足設(shè)計(jì)整體穩(wěn)定性起要求。

4）抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗隆起安全系數(shù)采用Prandtl(浦朗德?tīng)?公式進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，抗隆起安全系數(shù)Ks=2.818＞1.7（允許值），滿足設(shè)計(jì)抗隆起要求。

5）抗管涌驗(yàn)算

抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)按下式進(jìn)行計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=6.167＞1.5（允許值），滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

（3）對(duì)房屋建筑的影響

根據(jù)地表沉降曲線，而基坑?xùn)|岸房屋近基坑側(cè)一端距基坑邊約3.4 m，沉降值為11 mm，房屋遠(yuǎn)離基坑側(cè)一端距離基坑邊約59.4 m，沉降值為0 mm，則房屋的傾斜率為0.196‰，根據(jù)《上海市基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DG/TJ08-61-2010）中有關(guān)規(guī)定，基坑附近建筑物的基礎(chǔ)允許傾斜值為4‰，因此基坑對(duì)環(huán)境的影響滿足基坑工程的環(huán)境保護(hù)等級(jí)要求。

綜上述，外閘首及消力池段采用的雙排支護(hù)樁圍護(hù)方案能夠保證本段基坑及東岸房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全。

3.2.5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

通過(guò)在基坑周邊埋設(shè)沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變位情況。基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 基坑監(jiān)測(cè)成果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 單位：mm

根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，雙排支護(hù)樁結(jié)構(gòu)樁頂水平位移及樁后地表沉降實(shí)測(cè)值與理論值接近，且均小于理論值，因此，推薦方案維護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性比較好。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市化建設(shè)，水利工程基坑開(kāi)挖可能會(huì)遇到更多的施工場(chǎng)地受限的問(wèn)題，本文結(jié)合工程實(shí)例，將永久結(jié)構(gòu)與臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，并采用單側(cè)懸臂式雙排支護(hù)樁替代內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)充分利用可用場(chǎng)地進(jìn)行放坡開(kāi)挖，大大減小了臨時(shí)工程投資，且周邊房屋建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全也得到了保障，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)目標(biāo)，可為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。