水利工程中深基坑支護結構的計算與施工方案研究

劉偉萍

深基坑支護結構主要包括兩大部分，即擋土墻和內支撐。前者又可分為混凝土擋土墻、排樁擋土墻等類型，后者則包括鋼管支撐、鋼筋混凝土支撐等類型。在實際工程中，應提前開展地質勘察，明確工程所屬范圍內的土質類型、巖土結構、水文條件，然后結合工程建設要求，明確深基坑支護結構的類型，編制支護施工方案。在支護設計中，內力計算、穩定性分析是兩項核心內容。在后續施工中，地下連續墻的施工方法、鋼筋混凝土支撐的現場布局等，是施工管理的焦點。只有統籌做好各項工作，實行精細化的支護施工管理，才能保證水利工程高標準建設完成。

1 工程概況

某水利樞紐工程基坑開挖最大深度為20.3m，基坑為長方形，尺寸為127.6m×41.7m，屬大型深基坑。設計支護方案為“地下連續墻+鋼管支撐”。其中，地下連續墻的厚度為950mm，高度在1.6m-3.8m 不等。按照基坑開挖深度，確定鋼管內支撐的數量，從2-5 根不等。其中，2#、3#用直徑為500mm 的鋼管，4#、5# 用直徑為600mm 的鋼管。2# 和3# 鋼管的間隔距離為2.5m，4#和5#鋼管的間隔距離為3.0m。另外用直徑為800mm的鉆孔灌注樁作為支撐中間立柱。

2 深基坑支護結構的計算

2.1 支護結構內力計算

支護結構發揮的作用是承受上部建筑荷載和外側巖土壓力，并將力傳遞到基坑底部的巖石、土體上。除此之外，還有一部分擋水、防滲的功能。因此，為了保證支護結構受力穩定，必須要開展內力計算，根據計算結果確定地下連續墻的厚度、支撐鋼管的直徑，才能達到預期的支護效果。常用的內力計算方法有受力平衡法、解析法、有限單元法等幾種。本次工程中選擇解析法中的彈性地基梁法，其原理是將支護結構看作一條具有彈性支撐的地基梁，把基坑面以上的支撐看作一個彈性支點，基坑面以下的土層用若干土彈簧代替，其結構如圖1 所示。

圖1 彈性地基梁法示意圖

在此基礎上，利用彈性支點法計算各處支護結構的最大抗彎強度。根據這一計算結果，作為支護結構設計與選型的參考依據。其中，基坑開挖面以上計算公式為：

基坑面以下計算公式為：

上述兩式中，E 為支護結構的抗彎剛度，y 為水平位移，hn為第n 次工況時基坑深度，bs為側向土壓力計算寬度，b0為土的抗力計算寬度，m 為地基水平抗力系數。

2.2 深基坑穩定性計算

影響深基坑穩定性的因素有多種，例如地下水、巖土結構、開挖深度等。因此，在進行穩定性計算是要綜合考慮多方面因素的影響，并針對其中的一些關鍵指標進行單獨計算。（1）抗覆穩定性計算。該指標表示在覆土情況下，基坑內墻在不發生裂縫、變形等破壞的前提下，所能夠承受的最大土壓力。可根據公式計算得出：

式（3）中K 為抗傾覆穩定系數，M1 為抗傾覆力矩，M2 為傾覆力矩。

（2）管涌穩定性分析。隨著基坑開挖深度增加，周邊地下水向基坑內部滲透的水壓力也會相應提升。為避免出現地下水突涌事故，需要進行管涌穩定性分析。抗管涌計算如圖2 所示。

圖2 抗管涌計算示意圖

結合上圖，根據以下公式計算墻體入土深度（D）：

式（4）中，γω與γ 表示地下水和土的有效重度，h′為地下水位與基坑之間的高度差。

3 深基坑支護結構的施工方案

鑒于該水利工程所在地區的地質條件較差，同時基坑開挖最大深度達到了20.3m，為保證工程基礎的穩定性、承載力，因此深基坑支護方案上選擇了地下連續墻與內支撐相結合的形式。

3.1 地下連續墻施工

該部分施工流程及技術為：（1）修筑導墻。根據設計方案劃出導墻位置，使用挖掘機沿著邊線進行導墻開挖。將挖出的棄土集中堆放，后期做統一處理。開槽之后，整平槽底與槽壁，然后放入鋼筋后，選擇C30 混凝土進行澆筑。待強度達到90%后，拆除模板并在導墻外側重新回填素土。（2）泥漿護壁。在地下連續墻施工中，泥漿起到了保護槽壁、清理土渣、冷卻潤滑等多重功用。使用經過篩選后的黏土，以及CMC、水等原材料，按照恰當比例，充分拌勻后得到泥漿。（3）挖槽。挖槽前根據施工方案進行槽段劃分，每個槽段長度控制在3-5m 之間。使用回轉式挖槽機進行成槽施工，挖槽期間注意控制深度、寬度，禁止超挖。（4）吸泥清底。由于開挖槽段時使用了泥漿護壁技術，加上槽底有少部分沉渣，因此需要將槽底淤泥、沉渣全部處理干凈，從而為下一步提高混凝土澆筑質量創設有利條件。本次工程中采用砂石吸力泵排泥、清底。（5）吊放鋼筋籠。按照地下連續墻設計尺寸現場組裝鋼筋籠，要求焊接牢固且形狀規整，用汽車吊將鋼筋籠吊起并放入到槽段內。利用接口將鋼筋籠固定好，避免移動。（6）澆筑混凝土。將導管一端沿著鋼筋籠的側壁插入，直到接近槽底50cm 處。導管另一端與注漿機相連。使用C45 混凝土澆筑地下連續墻，澆筑前應對混凝土進行復拌，并檢查其和易性，確定性能良好后再開展澆筑作業。按照“邊澆邊拔”的方法，將接頭管向上拔起，在澆筑至標高后完全拔出。整個流程如圖3 所示。

圖3 地下連續墻施工流程

3.2 鋼筋混凝土內支撐施工

原設計方案采用鋼管內支撐，但是考慮到鋼管提供的支撐力有限，后期水利工程上部施工產生荷載較大，可能會造成支護鋼管出現不均勻沉降的問題，因此在支撐施工時用鋼筋混凝土代替鋼管，以提供更大的支撐力。另外，鋼筋混凝土的整體剛度更大，在保證深基坑支護安全的前提下，可適當增加支撐間距，對提高作業效率和控制施工成本也有積極幫助。其施工流程及技術為：（1）土方開挖。采用機械為主、人工為輔的方式，開挖至混凝土梁支撐高程后，開始測量放樣。參考設計方案，在已經完成處理的基礎上劃出標線。（2）人工清理基礎。由于常年受到地下水浸泡，形成了一定厚度的淤泥軟基。為保證基礎穩定，將淤泥軟土全部挖出，并重新換填一層厚度為30cm 的細砂。（3）鋼筋材料經現場檢查，無銹蝕、變形問題后，按照設計方案進行綁扎。檢查綁扎是否牢固，對于多條鋼筋相接的，綁扎長度不低于20cm。（4）在完成驗收后的鋼筋框架上，安裝模板。采用厚度為10mm 的膠合板，側模使用5×10 方鋼進行加固。檢查模板拼接縫有無明顯縫隙，若有則需要填塞止水膠條，避免砼滲漏。（5）將運輸到施工現場的商品混凝土，倒入泵送機的料斗內，泵送入倉。分兩次澆筑，每次澆筑時要注意做好振搗和養護。兩次澆筑完畢后采取保溫、保濕養護，待強度達到90%以上后，繼續進行下一層施工。其流程如圖4 所示。

圖4 鋼筋混凝土支撐施工流程

結束語

深基坑施工中，支護結構的受力分析、施工設計和質量控制，除了直接決定深基坑作業環境的安全性，還會對水利工程基礎部分的承載力，乃至整個工程的穩定性產生深遠影響，因此對于水利工程的施工企業來說，必須要引起重視。其中，內力計算、抗傾覆穩定性、管涌穩定性等是支護結構的設計要點；而地下連續墻施工、鋼筋混凝土支撐施工，則是支護結構施工要點。把握好這兩方面，對高標準完成深基坑作業，進而為水利工程上部結構順利施工創設良好條件。