南新涇泵閘工程基坑圍護(hù)設(shè)計的應(yīng)用分析

嚴(yán)麗芳

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434)

由于水利建筑物位于城市建成區(qū)，施工場地極其狹窄，施工工序繁多、周邊環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜，對周邊建筑物、管線、道路、原有護(hù)岸等建筑物保護(hù)要求高。鑒于中心城區(qū)水利工程深基坑設(shè)計的特殊性，城區(qū)水利工程如何在狹窄的場地內(nèi)安全施工，基坑開挖圍護(hù)尤為重要，圍護(hù)結(jié)構(gòu)既要確保施工過程中基坑的安全，又要控制結(jié)構(gòu)的變形和周邊土體的沉降，以確保周邊建筑物的安全。

1 工程概況

南新涇泵閘位于新涇港河道南段與淀浦河交匯處，為拆除泵站重建節(jié)制閘和泵站工程，是城市防洪除澇工程的重要組成部分，節(jié)制閘凈寬12 m，泵站總流量40 m3/s。擬建泵閘位于南新涇河道上，東側(cè)為現(xiàn)有市政道路，現(xiàn)狀地面高程為5.0 m，泵站主泵房基坑開挖底高程為-5.40 m，基坑開挖深度為10.4 m；西側(cè)為居民住宅區(qū)，現(xiàn)狀地面高程為4.5 m，節(jié)制閘基坑開挖底高程為-2.6 m，基坑開挖深度為7.1 m，基坑安全等級均為二級。本工程采取修筑攔河圍堰進(jìn)行干地施工。前期物探表明，工程建設(shè)場地周邊有多條市政管道分布，為工程施工期間基坑支護(hù)提出了更高要求。考慮周邊緊鄰市政道路及居民區(qū)，施工場地狹窄，泵閘基坑開挖不具備大放坡開挖條件，需要采取圍護(hù)措施。

2 工程水文地質(zhì)條件

擬建場地為現(xiàn)有河道和堤岸旁綠化，地貌屬于濱海平原類型。在勘察深度范圍內(nèi)，揭遇的地基土均屬第四紀(jì)沉積物。根據(jù)各地基土的成因、時代、結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)等因素，將其劃分為6個主要土層：①1雜填土；①2層浜土；②粉質(zhì)黏土；③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；③1 t黏質(zhì)粉土；③2黏質(zhì)粉土；⑤1-1粉質(zhì)黏土；⑤1-2粉質(zhì)黏土；⑥粉質(zhì)黏土；⑦1砂質(zhì)粉土；⑦2粉砂。

場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動態(tài)變化主要受控于大氣降水、地面蒸發(fā)及地表水系等，豐水期水位較高，枯水期水位較低。在勘察期間，實測陸域取土孔中的地下水初見水位埋深在2.10～2.50 m之間，相應(yīng)標(biāo)高為1.06～2.91 m；穩(wěn)定水位埋深在1.10～2.40 m之間，相應(yīng)標(biāo)高為1.91～3.50 m。

3 基坑圍護(hù)方案的選擇

受工程區(qū)場地條件限制，施工場地條件較差。本工程位于市區(qū)，西岸主要為民居密集區(qū)，東岸為市政道路，且沿線地下有市政管線通過，基坑開挖不具備大放坡開挖條件，需采取基坑圍護(hù)措施，以減少對周邊建筑的影響。

本工程泵房段基坑開挖深度約10.4 m，閘室段基坑開挖深度約7.1 m，經(jīng)綜合考慮安全、經(jīng)濟(jì)、施工可操作性、周圍施工空間大小及施工對周圍環(huán)境影響等各種因素，基坑圍護(hù)型式最終從地下連續(xù)墻對撐、SMW工法對撐、灌注樁對撐+高壓旋噴樁等3種基坑圍護(hù)方案中進(jìn)行分析比選確定。

3.1 地下連續(xù)墻對撐方案

地下連續(xù)墻寬800 mm，深度26 m，地下連續(xù)墻頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，頂高程為4.50 m，地下連續(xù)墻墻底位于⑥層粉質(zhì)黏土層。

3.2 SMW工法對撐方案

SMW工法方案采用φ850@600三軸水泥攪拌樁，樁長28 m，寬1.2 m，水泥摻量20%，攪拌樁內(nèi)插H700×300型鋼，內(nèi)插型鋼布置型式為密插。

SMW工法樁即在連續(xù)套接的三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插入型鋼形成的復(fù)合擋土止水結(jié)構(gòu)，內(nèi)插型鋼可在基坑施工完成后回收利用，造價較為經(jīng)濟(jì)，型鋼拔出后的空隙，為減少周圍土體的變形，需要同步采用水泥漿灌入留下的孔洞。

3.3 灌注樁對撐+高壓旋噴樁方案

采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁，樁長25 m，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，在灌注樁樁后設(shè)置雙排高壓旋噴樁止水帷幕。

3.4 方案比選

地下連續(xù)墻是在地下成槽后澆筑混凝土，建成具有較高強度的鋼筋混凝土擋墻。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)具有整體性好、剛度大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移較小且兼顧防滲結(jié)構(gòu)及占用空間較少的優(yōu)點，并可采用逆筑法或半逆筑法施工。

SMW工法圍護(hù)方案，因本工程基坑開挖最大深度超過9 m，基坑施工周期較長，容易造成型鋼水泥土攪拌樁圍護(hù)墻體在基坑開挖暴露過程中產(chǎn)生較大的變形(尤其是在拆撐工況下)，引起三軸水泥攪拌樁的開裂，從而影響止水帷幕的隔水性能，給基坑工程帶來安全隱患。另一方面，三軸水泥攪拌樁施工機械的尺寸大，重約100 t，因承重可能會造成排架失穩(wěn)，亦存在安全隱患。因此，本工程基坑圍護(hù)不建議采用SMW工法圍護(hù)方案。

鉆孔灌注樁支擋結(jié)構(gòu)是以鉆孔灌注樁組成排樁式擋墻，頂部澆筑鋼筋混凝土冠梁，適用于開挖深度6～13 m的基坑。鉆孔灌注樁具有施工噪聲和振動相對較小、就地澆筑施工、對周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點。

對于泵房段基坑而言，地下連續(xù)墻對撐及灌注樁對撐+高壓旋噴樁方案均能滿足本工程基坑圍護(hù)的要求，但是地下連續(xù)墻方案造價較高。對于閘室段基坑，由于周邊房屋密集，房屋與基坑的距離僅有10m左右，本工程不能破壞現(xiàn)有防汛墻，可供施工作業(yè)場地范圍有限，而地下連續(xù)墻方案的施工機械體積較大，且相對較重，場地條件不具備連續(xù)墻機械施工條件。

綜合考慮基坑開挖深度、基坑周邊環(huán)境及環(huán)境保護(hù)要求等因素，本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)推薦采用鉆孔灌注樁對撐結(jié)合樁后設(shè)置止水帷幕的圍護(hù)型式。該基坑圍護(hù)方案鉆孔灌注樁剛度大、控制變形能力強，樁外側(cè)采用截水帷幕截滲，能夠滿足本工程基坑安全等級與環(huán)境保護(hù)等級要求。

4 截滲帷幕選擇

基坑圍護(hù)樁后采用的止水帷幕主要有三軸水泥攪拌樁、雙軸水泥攪拌樁、高壓旋噴樁。三軸水泥攪拌樁止水帷幕效果最好，雙軸水泥攪拌樁止水帷幕效果較差。考慮三軸水泥攪拌樁施工設(shè)備較大，施工過程中不能破壞現(xiàn)有防汛墻，基坑臨近居民區(qū)和市政道路，施工作業(yè)面有限，不宜采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕施工，同時為減少施工設(shè)備進(jìn)場和方便施工，止水帷幕采用高壓旋噴樁。

5 基坑圍護(hù)方案及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析[1-2]

根據(jù)基坑深度、基坑周邊荷載和基坑周邊需保護(hù)對象距基坑遠(yuǎn)近的不同，基坑圍護(hù)方案穩(wěn)定性分析以泵房段、閘室段基坑為代表。

5.1 基坑圍護(hù)方案設(shè)計

基坑圍護(hù)型式采用C30鉆孔灌注樁+對撐結(jié)構(gòu)。鉆孔灌注樁直徑1 000 mm，間距1 200 mm，東西岸樁長均為25 m，設(shè)置冠梁，鉆孔灌注樁樁后采用雙排直徑800 mm、間距500 mm高壓旋噴樁進(jìn)行截滲處理。

基坑內(nèi)設(shè)置兩道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，規(guī)格800 mm×1 000 mm(寬×高)，第二道支撐為直徑609 mm的雙拼鋼管支撐，支撐長度為41 m，第一道混凝土支撐中心線高程為3.60 m，第二道鋼管支撐中心線高程為0.00 m。由于支撐跨度較大，需在基坑中心沿基坑長度方向設(shè)置立柱，立柱采用格構(gòu)式鋼立柱。

閘室段基坑底部采用φ700 mm@500 mm高壓旋噴樁加固處理，加固土深5 m，寬4.2 m。泵房段基坑和閘室段基坑存在2.8 m高差，因此考慮在泵房和閘室連接處采用φ700 mm@500 mm高壓旋噴樁加固處理。具體斷面見圖1。

圖1 泵房及閘室段基坑圍護(hù)斷面圖

5.2 整體穩(wěn)定性

整體穩(wěn)定性分析采用瑞典條分法進(jìn)行計算，應(yīng)力狀態(tài)計算方法采用總應(yīng)力法分析，采用下式進(jìn)行計算：

經(jīng)計算，基坑兩側(cè)整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks分別為1.91和1.82，均大于規(guī)范要求的二級基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)允許值1.30，滿足整體穩(wěn)定要求。

5.3 抗隆起穩(wěn)定性

支擋式結(jié)構(gòu)的嵌固深度應(yīng)符合抗隆起穩(wěn)定性要求，圍護(hù)結(jié)構(gòu)按墻底地基承載力模式驗算坑底抗隆起穩(wěn)定性。按以下公式進(jìn)行計算：

經(jīng)計算，泵房段坑底抗隆起安全系數(shù)為2.36，閘室段抗隆起安全系數(shù)為2.77，均大于規(guī)范要求的抗隆起安全系數(shù)允許值2.0，滿足坑底抗隆起穩(wěn)定性要求。

5.4 各支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算中，水壓力采用靜止水壓力進(jìn)行計算，主動側(cè)土壓力計算采用朗肯主動土壓力計算方法，被動側(cè)基床系數(shù)采用“m”法，土體抗力不考慮極限土壓力限制。經(jīng)計算分析，基坑兩岸圍護(hù)內(nèi)力變形最不利工況為底板澆筑完，拆除下部第二道鋼管支撐工況，拆、換撐工況內(nèi)力變形結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 泵房段圍護(hù)內(nèi)力變形結(jié)果

圖3 閘室段圍護(hù)內(nèi)力變形結(jié)果

5.5 樁頂變位及地面沉降分析

根據(jù)基坑周圍環(huán)境的重要性及其與基坑的距離，基坑工程環(huán)境保護(hù)等級應(yīng)分為三級，結(jié)合本工程結(jié)構(gòu)布置，泵房段、閘室段環(huán)境保護(hù)等級均為二級，對應(yīng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移為0.3%H,外側(cè)地表最大沉降為0.25%H。其中，泵房段圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂最大允許位移為31.2 mm，外側(cè)地表沉降最大允許值為26 mm。西岸閘室段圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大允許位移為21.3 mm，坑外地表沉降最大允許值17.8 mm。

經(jīng)計算，東岸泵房段樁頂最大偏移位移為23 mm，外側(cè)地表最大沉降量為23.8 mm；西岸閘室段樁頂最大偏移位移為19.5 mm，外側(cè)地表最大沉降量為17.5 mm，均滿足規(guī)范要求。

5.6 抗?jié)B流穩(wěn)定

為避免基坑開挖過程中發(fā)生滲透破壞，圍護(hù)樁后設(shè)置雙排高壓旋噴樁止水帷幕。抗?jié)B流穩(wěn)定計算采用臨界水力梯度法計算，東岸泵房段抗?jié)B流穩(wěn)定安全系數(shù)為2.81，西岸閘室段抗?jié)B流穩(wěn)定安全系數(shù)為3.20，均大于2.0，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)以上計算分析，泵房、閘室段圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、沉降和穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足要求，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是安全、可靠的。

6 基坑監(jiān)測

基坑施工過程中，通過對基坑圍護(hù)體系的水平位移、沉降、測斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、支撐軸力以及坑外地下水位等的觀測來監(jiān)控基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，驗證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計和基坑開挖施工組織的正確性。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，對基坑圍護(hù)體系的穩(wěn)定性、安全性及時進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，指導(dǎo)施工。根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，附近建筑物、地面沉降其變形量均在基坑監(jiān)測預(yù)警值允許范圍內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)式安全、可靠的。

7 結(jié) 語

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)是保障城市水利工程施工安全的重要組成部分，城市水利工程往往出現(xiàn)在場地狹窄、周邊環(huán)境復(fù)雜區(qū)域，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取鉆孔灌注樁加對撐結(jié)構(gòu)圍護(hù)型式，具有安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢。鉆孔灌注樁加對撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境條件下的深基坑具有較強的適應(yīng)性，可為類似城市水利工程基坑開挖圍護(hù)設(shè)計積累經(jīng)驗和提供參考依據(jù)。