多級水泥土攪拌樁重力式圍護墻在泵閘基坑工程中的應用

張欽杰

（上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

泵閘工程是較為常見的水利工程之一。近年來隨著城市的高速發展，地區防汛排澇壓力與日俱增。以泵閘工程為代表的水利工程基礎設施建設不斷推進，尤其是沿海地區出海入江口處的泵閘，往往承擔著周邊地區極其重要的防汛除澇及水資源調度任務。其規模較大，結構復雜，基坑開挖深度較深，開挖面積較大。基坑工程作為泵閘工程中的重要組成部分，基坑設計時往往需要考慮結合泵閘結構特點及周邊環境情況，既要保證基坑自身及周邊環境安全，又要施工便捷，投資費用經濟。

1 工程案例

1.1 工程概況

某大型泵閘工程位于上海市浦東新區某地區入長江口處，工程主要內容為新建泵閘一座，泵站規模為設計流量90 m3/s，水閘規模為凈寬30 m。擬建的泵閘是浦東新區沿長江口重要引排水口門和通道之一，對防洪排澇和水資源調度的作用巨大，也是調節改善浦東新區內河水質的重要口門之一。擬建泵閘工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置示意圖

1.2 基坑概況

泵閘基坑工程擬建場地位于七甲港預留口門中，基坑兩側為現狀大堤，堤頂高程約為8.0 m，擬建場地灘地高程約為3.0 m。泵閘工程內外河海漫段因結構埋深較淺，基坑開挖可結合現狀堤身進行放坡開挖。泵閘工程的主體部分，包括站身閘首、進水池、進水前池、出水池及內外河翼墻等，均為直立式鋼筋混凝土結構，底板埋置深度較深。為確保主體結構施工安全，并考慮到基坑開挖會對周邊大堤產生一定影響，故采用基坑圍護措施保護主體結構施工。

泵閘設計方案中基坑深度為5.05～9.50 m，根據上海市工程建設規范《基坑工程技術標準》（DG/TJ 08-61—2018）[1]，基坑安全等級為二級。基坑周邊環境保護對象主要為現狀大堤，大堤堤腳距基坑邊緣最小距離約為17 m。

1.3 圍護結構比選及設計

本工程泵閘主體結構采用“閘+泵+閘”布置，中間基坑深、兩側基坑淺。從結構安全和經濟合理方面考慮，可采取板式支護結構方案或者水泥土攪拌樁重力式圍護墻結構。下面按照圍護結構安全性、基坑復雜性、施工難易程度、工程投資等方面對這兩種方案進行比選（見表1）。

表1 主體結構基坑圍護方案比選表

根據比較分析，在基坑安全性可保證及環境影響可接受的前提下，方案二具有施工便捷性好，與主體結構施工相互影響小以及工程投資較為經濟等優點[2]。故推薦采用方案二（水泥土攪拌樁重力式圍護墻）。

本次以泵閘站身閘首為例，基坑圍護采用放坡+兩級水泥土攪拌樁重力式圍護墻結構形式。該斷面基坑開挖深度為9.5 m，首先對現狀地面進行適當放坡開挖，由3.0 m高程放坡至1.0 m高程，1.0 m高程設平臺，平臺寬度15 m。第一級重力式圍護墻采用3Φ850@600三軸攪拌樁圍護墻結構，圍護墻寬度為5.65 m，樁長21 m，墻前坑底采用三軸攪拌樁進行裙邊加固，加固范圍寬4.8 m，深4 m。閘首和站身高差部位第二級重力式圍護墻采用3Φ850@600三軸攪拌樁圍護墻結構，圍護墻寬3.25 m，樁底高程為-11 m，墻前坑底采用三軸攪拌樁進行抽條加固[3]。因泵站側開挖較深，根據施工工序安排，先實施泵站部位開挖，待泵站部位開挖完成且結構實施穩定后再進行水閘部位基坑開挖。基坑斷面圖如圖2所示。

圖2 站身閘首段基坑斷面圖（單位：mm）

2 基坑安全及環境影響分析

對所推薦采用的圍護墻結構體系進行基坑安全穩定分析及周邊環境影響分析評價。

2.1 圍護體系安全性分析

2.1.1 計算方法

圍護結構穩定計算方法參照上海市工程建設規范《基坑工程技術標準》,采用同濟啟明星frws8.1軟件計算。基坑圍護計算中，土的c、值均采用固結快剪指標，圍護樁變形、內力計算和各項穩定驗算均采用水土分算原則。計算中地面超載原則上取20 kN/m2，墻后水位取地下0.5 m。

2.1.2 計算結果

對站身閘首段基坑的各項結構穩定計算結果見表2。

表2 基坑圍護結構穩定安全

2.2 基坑開挖對周邊大堤影響分析

根據現場保留大堤堤頂距離基坑邊緣最小距離約為17 m，采用有限元模擬分析的方法，分析基坑開挖對周邊現狀大堤的影響。

2.2.1 土體本構模型選取

有限元分析采用PLAXIS 2D，土體本構模型選用小應變土體硬化模型[4]。因其考慮土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應變等，對上海軟土地區基坑開挖模擬較為合適。

2.2.2 土體本構模型參數

小應變土體硬化模型需要的不同分層土體的重度、黏聚力、摩擦角等參數由勘察報告提供，其他剛度參數和高級參數則根據大量類似工程的監測數據反演分析得到（見表3）。

表3 小應變土體硬化模型參數表

2.2.3 分析成果

（1）泵閘主體基坑對大堤影響分析

泵閘主體基坑站身土體開挖至基坑底時，基坑圍護墻出現的最大水平位移為32.41 mm，此時大堤擋墻出現最大水平位移18.49 mm，沉降位移19.35 mm。基坑位移云圖如圖3所示。

圖3 基坑位移云圖（泵站施工期）

待站身部分開挖完成且主體結構實施穩定后，再進行閘首側開挖。待開挖至坑底時，基坑圍護墻出現的最大水平位移為39.43 mm，此時大堤擋墻累計出現最大水平位移19.43 mm，沉降位移19.40 mm。基坑位移云圖如圖4所示。

圖4 基坑位移云圖（水閘施工期）

3 結果分析

通過以上計算分析，多級水泥土攪拌樁重力式圍護結構自身穩定安全系數均能滿足上海市工程建設規范《基坑工程技術標準》中二級基坑相關規范要求。根據有限元計算分析可知，在整個基坑工程施工過程中，圍護結構出現的水平位移小于允許值0.5%開挖深度47.5 mm，大堤擋墻出現的位移小于20 mm，能夠滿足基坑環境保護要求。本基坑工程開挖面及開挖深度較大，根據相關規定必須監測基坑自身及周邊土體，進行信息化施工，為基坑自身及周邊環境進行及時有效的保護提供依據。

4 結 語

本文以某大型泵閘工程中基坑工程為例，針對水利工程泵閘結構特點，提出采用多級水泥土攪拌樁重力式圍護墻結構。對于該圍護墻結構體系，通過安全穩定分析計算及有限元模擬分析的方法，得出以下結論及意見，為類似泵閘基坑工程提供參考和借鑒。

（1）采用多級水泥土攪拌樁重力式圍護墻結構，并結合基坑裙邊加固及坑底加固等措施，可保證自身圍護結構安全，滿足相關規范要求。

（2）基坑工程施工期間，重力式圍護結構出現的水平變形小于允許值，對周邊環境影響變形也能控制在一定范圍內，能夠滿足基坑環境保護要求。

（3）基坑施工期間必須有專業監測單位對基坑自身及周邊環境進行監測，及時提供監測數據，為基坑自身及周邊環境進行及時有效的保護提供依據。