超大型半地下污水處理廠基坑設計與分析

孫仕敏

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著國內城市化進程的加快，集約化土地利用觀念的深入和環境保護要求的不斷提高，地下式污水廠近年來在國內得到迅速推廣[1]。

地下式集約化污水處理廠的設計，尤其是基坑支護的設計，相較于傳統地上的、分散式的污水處理廠，開挖面積和深度更大，建設復雜程度也更大[2]，本文以上海市某集約化半地下式污水處理廠超大基坑為實例，結合此類基坑的特點與難點，詳細介紹了基坑圍護結構選型，基坑設計方案，包括圍護樁（墻）選型，支撐選型，分區實施等措施，并著重分析了基坑設計的關鍵技術，為今后軟土地區類似深大基坑工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程結構概況

本集約化半地下式污水處理廠位于上海市郊區，主體結構為一層加蓋鋼筋混凝土結構，包括生物反應池、二沉池、反硝化深床濾池、提升泵房及高效沉淀池、加氯接觸池，均半埋于地下。主體結構層高為5.10～9.00 m，局部層高10.00 m，底板自西向東由高到低，底板頂標高為-6.90～1.55 m，現狀地面標高除東側為3.80m 外，其余側為3.00 m。基坑輪廓為不規則形狀，平面尺寸為166m ×282 m，基坑開挖深度為1.85～11.9 m。基坑開挖深度分區平面見圖1，基坑主要區域開挖深度剖面見圖2。

圖1 基坑開挖深度分區平面圖

圖2 基坑開挖深度分區剖面圖

1.2 工程地質條件

根據勘察報告，本工程基坑開挖影響范圍內存在較厚的淤泥質粉質粘土層，且越靠近場地東側（底板埋深大處） 淤泥質粉質黏土層越厚，普遍達10.30～11.00 m，場地內主要土層基本參數見表1。

表1 土層基本參數表

場地內淺層地下水屬潛水，勘察期間穩定地下水位標高在1.96～3.15 m 之間。場地內承壓水為第⑥2層承壓水及第⑦1、⑦2層承壓水，其中第⑥2層承壓水勘察期間水位標高為-0.79～-0.87m，在基坑開挖場地范圍南側(A 坑與B 坑交界處附近)呈透鏡體分布，經驗算，基坑第⑥2層承壓含水層突涌安全系數為1.128，滿足抗承壓水穩定性要求。

1.3 周邊環境條件

主體基坑周邊環境以廠區內空地及新征空地為主，箱體北側、西側為廠區內空地，南側原有房屋已拆遷，周邊無重要管線和建（構）筑物。主體基坑東側為該污水處理廠二期工程建（構）筑物及管線，兩根DN150 水管距離基坑東側分別約為10.4 m 和11.4 m，DN150 水管均為給水PE 管，埋深約1 m；高效沉淀池距離基坑東側最近處約13.7 m，該池體平面尺寸34.7 m×35.2 m，底板埋深6.35 m，基礎為預應力混凝土管樁基礎；圓形二沉池距離基坑東側最近處約14.7 m，池體結構外直徑46.4 m，底板埋深3.30～6.85 m，基礎為預應力混凝土管樁基礎；鼓風機房距離基坑東側約20.2 m，其為單層廠房，平面尺寸60.7 m×15.2 m，基礎為預應力混凝土管樁基礎，內配有控制室、配電所、變壓器室、橋式起重機等。基坑周邊環境條件見圖3。

圖3 基坑周邊環境平面布置圖

2 基坑設計特點與難點

集約化地下式污水處理廠通常采用一體化箱體設計，此類污水處理廠基坑一般具有以下一個或多個特點。

（1）基坑面積超大。此類污水處理廠將主要污水處理設施集中起來布置于地下，且考慮到土建分期實施難度較大，往往采取后期土建與現期一并實施，設備分期安裝的策略，因此集約化地下式污水處理廠基坑開挖面積巨大。本新建工程設計規模為11×104m3/d，基坑面積近37 000 m2。

（2）基坑開挖深度較大，且開挖深度相差大。地下式污水處理廠將整個水處理構筑物池體層置于地下，對全地下廠，生產管理操作層及地面層也位于地下。由于廠區地面綠化要求，地面層往往需一定厚度的覆土。因此，一般對于半地下式污水處理廠基坑開挖深度大多在10 m 以上，而對于全地下式污水處理廠可達15 m 以上。半地下式污水處理廠沒有將生產管理操作層及地面層一并放入地下，因此基坑開挖深度一般比全地下污水處理廠要小，由于工藝處理需求的不同，基坑開挖深度相差往往較大，本工程基坑開挖深度為1.85～11.90 m，這就決定了基坑支護需采用多種型式。

（3）基坑支撐換撐困難。地下污水處理廠由于各個專業設施占用空間的需要，層高一般較大，基坑回筑階段利用樓板換撐困難。本工程為地下一層結構，普遍層高9 m，局部達10 m，無可利用樓板換撐的條件。

（4）工程地質條件。土層性質和水文地質條件根據建設場地不同而不同，污水處理廠一般靠近河道選址，需特別注意地下水與基坑的貫通情況。本工程中場地東側軟弱土層普遍達10.30～11.00 m。

（5）周邊環境相對較為簡單，但不絕對。污水處理廠一般選址于城市郊區，相較于城市建（構）筑物密集區的基坑周邊環境較為簡單，但根據選址不同，基坑開挖影響范圍內也存在諸如地鐵、河道防汛墻、廠區內既有建（構）筑物和管線，居民樓等建（構）筑物。

3 基坑設計方案

根據地質條件，基坑周邊環境和基坑開挖深度差異大等特點，基坑設計考慮采用不同支護型式，且分坑支護與開挖的方案。A 基坑平面尺寸142 m×164 m，開挖深度為1.85～6.8 m，B 基坑平面尺寸127 m×151 m，開挖深度為10.1～11.9 m，見圖4。

圖4 主體基坑圍護平面圖

結合基坑開挖深度和周邊環境條件，A 基坑安全等級和環境保護等級均為三級，圍護體最大水平位移控制值為0.7%H（H 為基坑開挖深度，下同），地面最大沉降控制值為0.55%H[3]；B 基坑東側安全等級與環境保護等級均為二級，圍護體最大水平位移控制值為0.55%H（H 為基坑開挖深度，下同），地面最大沉降控制值為0.25%H[3]；B 基坑其余側安全等級為二級，環境保護等級為三級，圍護體最大水平位移控制值為0.7%H，地面最大沉降控制值為0.55%H[3]。

A 坑周邊環境條件簡單，平面形狀不規則，開挖深度小于3 m 的基坑采用放坡開挖，開挖深度為5.6～6.8 m 的基坑采用頂部放坡2.5 m 結合重力式擋墻開挖，重力式擋墻采用直徑850 mm，間距600 mm的水泥土三軸攪拌樁，坑底采用4.2 m 寬雙軸攪拌樁裙邊加固，5.8 m 深基坑重力式擋墻寬5.05 m，長9.5 m，6.8 m 深基坑重力式擋墻寬5.65 m，長12.5 m。

結合基坑周邊環境，B 坑采用頂部放坡，SMW 工法樁結合內支撐支護型式開挖，基坑北側、南側與西側工法樁采用直徑850 mm，間距600 mm 的水泥土三軸攪拌樁，內插H700×300×13×24 型鋼，插二跳一。考慮到基坑東側開挖深度為10.9 m，局部坑深11.9 m，場地內淤泥質粉質黏土厚度達10 m 以上，原廠區內二期建（構）筑物距離基坑東側較近，保護要求較高，該側工法樁采用直徑1 000 mm，間距750 mm 的水泥土三軸攪拌樁，密插H800×300×14×26 型鋼。內支撐采用豎向兩道混凝土支撐，支撐系統采用對撐+ 角部斜撐的邊桁架支撐體系，典型剖面見圖5。為方便施工，B 坑第一道混凝土支撐設置環形施工棧橋，棧橋板厚300 mm。非棧橋板和棧橋板支撐下立柱樁分別采用直徑800 mm 和1 000 mm鉆孔灌注樁，其中棧橋板下方立柱樁樁端采用后注漿加固。B 坑換撐采取兩種方法：方法1，能利用永久隔墻換撐處采用短直鋼支撐或傳力板的方式；方法2，無永久隔墻可利用處采用鋼管斜拋撐換撐，斜拋撐一端支撐于已澆筑底板。

圖5 B 基坑典型剖面圖（單位:mm）

A 坑與B 坑施工順序如下：B 坑圍護樁、工程樁、立柱樁、地基加固及格構柱施工，降水井施工（A 坑重力式擋墻、坑底加固于B 坑圍護樁完成后實施）→B 坑隨挖隨澆注第一、二道混凝土支撐→B 坑開挖至坑底澆筑底板→拆除第二道支撐后換撐→拆除第一道支撐（A 坑距離B 坑由遠及近開挖）→A 坑開挖至坑底澆筑底板→澆筑剩余內部結構。

A 基坑與B 基坑圍護設計主要剖面穩定性驗算和變形計算結果匯總見表2。

表2 基坑圍護設計主要剖面穩定性驗算和變形計算結果匯總

4 基坑設計關鍵技術分析

4.1 A、B 坑交界處處理

A 坑與B 坑交界處基坑底標高相差4.3 m，根據設計要求，該處實施完成后底板為一整體板。A 坑底板澆筑前需拔除B 坑西側SMW 工法樁內型鋼，并鑿除水泥攪拌樁，但拔除過早會因兩側土體高差過大導致土壓力過大而影響基坑安全。經計算，交界處型鋼應在B 坑底板澆筑完成，素砼回填后，A 坑開挖至接近坑底時（挖深離設計坑底小于1 m）拔除，見圖6。

圖6 A 坑與B 坑交界處處理措施（單位:mm）

4.2 超大型基坑換撐技術

本工程為地下一層結構，層高9 m，局部層高為10 m，無可利用樓板換撐的條件，且廠房頂板高出地面，頂板需在第一道支撐拆除后才能澆筑。基坑回筑階段換撐時一方面利用已澆筑永久隔墻采用短直鋼支撐或傳力板換撐，另一方面采用鋼管斜拋撐換撐。

4.3 分塊開挖

本工程基坑開挖面積巨大，若一次性大面積開挖對控制基坑圍護變形不利，設計要求A 坑每次土方開挖重力式擋墻暴露的水平長度不大于40 m，待結構底板澆筑完成并達到設計強度85%后方可開挖相鄰土體；B 坑在第二道支撐澆筑完成并達到設計強度的85%后，剩余土方分塊開挖，開挖要求與A 坑相同。

5 結語

本文通過對上海市某集約化半地下式污水處理廠超大基坑設計的詳細介紹和分析，得出以下結論：

（1）歸納總結了集約化地下式污水處理廠的一般特點，如基坑開挖面積超大，基坑開挖深度與坑底高差均較大，基坑支撐換撐困難，周邊環境相對較為簡單，但不絕對。

（2）對于集約化地下式污水處理廠基坑往往需要采取多種基坑支護型式，本工程綜合運用了放坡開挖、三軸攪拌樁重力式擋墻和鉆孔灌注樁結合內支撐的支護型式。

（3）通過對本污水處理廠超大基坑設計方案的詳細介紹，對關鍵技術進行分析，為類似工程基坑設計提供參考。