軟土地基臨河調蓄池結構及基坑支護設計分析

王 寧，付東王，高 健，楊 蕾，徐宏妍

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.南京東大巖土工程勘察設計研究院有限公司，江蘇 南京 210018)

初期雨水調蓄池作為一種減少初期雨水污染物入河的有效措施，對改善城市水環境起到重要作用，是城市河道水環境治理的重要舉措之一，目前已逐漸得到廣泛運用[1-2]。而隨著中國的快速發展，城市建設用地日益緊張，為節約土地資源，包括初期雨水調蓄池在內的公共設施開始探究如何更加合理地利用城市地下空間資源[3]。初期雨水調蓄池一般設置在排水系統的末端[4-5]，其中相當比例的調蓄池位于近河或臨河區域，易存在水平向受力不均勻和抗滑穩定問題，結構設計和基坑支護設計時需格外注意其不利影響；若遭遇軟土地基，則進一步提高了設計難度。文章結合南河綜合整治工程中實施的雨潤調蓄池，對軟土地基臨河調蓄池的特點以及基坑支護和結構設計的難點進行分析，并對其具體設計和計算過程進行介紹，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

南河，位于南京主城西南，全長約9.3km。南京市水務局于2017年啟動南河綜合整治工程設計工作，作為控源截污的重要舉措之一，工程于南河沿線建設4座初期雨水調蓄池，目前工程已竣工驗收。4座調蓄池中，雨潤調蓄池的自身和外部條件均較為復雜，文章選取雨潤調蓄池作為分析對象。

1.1 調蓄池概況

雨潤調蓄池與配套水處理站及雨潤排澇泵站合建，調蓄池有效容積為3500m3，水處理站處理能力為1040m3/d，排澇泵站規模為3.6m3/s。受用地條件限制，雨潤調蓄池臨南河而建，臨河側壁板兼做防洪墻；為全地下式鋼筋混凝土結構(管理房和排澇泵房除外)，整體呈長方形，結構外尺寸為42.20m(長)×25.20m(寬)×11.60m(高)，池頂覆土0.3～0.6m。

1.2 地質概況

基坑開挖支護范圍及其影響范圍內土層的主要參數見表1，地基處理范圍內鉆孔灌注樁樁基設計參數見表2。調蓄池基底位于③淤泥質粉質黏土和③-1粉質黏土(軟塑～流塑)層。

表1 土層主要參數表

表2 鉆孔灌注樁樁基設計參數

1.3 周邊環境概況

調蓄池周邊環境較為復雜，其西側緊臨南河，該側壁板需兼作防洪墻；東側為現狀鳳臺南路，是城市主干道，道路邊線距離基坑凈距約22m；南側為現狀綠化；北側為地鐵1號線和2號線聯絡線，為高架形式，距離基坑最近處約15m。另外，東側有DN1600給水主管1根，埋深約為4m，距離基坑最近處約1m。

2 工程特點和設計中應注意的難點

(1)平面尺寸大、深度深：本工程調蓄池結構外尺寸為42.20m(長)×25.20m(寬)×11.60m(高)，平面尺寸較大，深度較深。在滿足結構受力的基礎上，此類結構的主要難點還在于如何避免超長現澆鋼筋混凝土結構由混凝土水化熱和溫度應力帶來的裂縫[6-7]。

(2)軟土地基：根據地勘成果，工程場區地質條件較差，屬典型的軟土地基。工程在設計時，必須考慮軟土高含水量、高壓縮性、低承載力的特點，采取相應的工程措施[8-9]。

(3)周邊環境復雜：工程附近分布有城市主干道、地鐵高架、給水主管，且均距離基坑較近，工程在設計和施工時必須關注工程實施對現有設施的影響。

(4)臨河而建：調蓄池西側臨河道，東西向兩側土壓力相差較大，工程在設計時需重點關注土壓力不平衡情況下的結構內力分布、調蓄池抗滑穩定安全以及基坑安全。

3 總體方案比選

根據工程實際特點，制訂兩個基坑支護和結構總體方案進行比選，分別為方案一(基坑圍護地下連續墻兼作主體結構壁板)和方案二(支護結構和主體結構獨立)。

3.1 方案一

該方案地下連續墻既作為基坑圍護結構，又作為調蓄池主體結構的壁板，工程投資相對較小；但受力體系不甚明確，缺少相關規范支撐，且對施工要求高，施工難度大。

3.2 方案二

該方案采用傳統的主體結構和支護結構獨立的方式，受力體系明確，規范依據充分，施工難度一般；但與方案一相比，該方案工程投資較大[10-11]。

3.3 推薦方案

綜合考慮本工程臨近河道、地鐵、城市主干道、給水主管等的實際情況，選擇受力體系明確、施工相對方便的方案二作為推薦方案，即支護結構和主體結構獨立的方案。

4 結構設計分析

4.1 池體結構設計

池體采用鋼筋混凝土框架結構，地下二層為調蓄池，地下一層為水處理站和排澇泵站。根據規范相關要求，為盡量減小溫度變化對結構的影響，本工程調蓄池沿長度方向設置后澆帶一道，位于第二跨和第三跨之間。調蓄池平面布置如圖1所示，剖面圖如圖2所示，池體主要結構尺寸見表3。

表3 調蓄池主要結構尺寸表

圖1 調蓄池平面布置圖(單位：m)

圖2 調蓄池剖面圖(單位：m)

考慮到本工程情況較為復雜，而單一計算軟件均具有局限性，本次計算采用多個計算軟件進行相互驗證復核。結構計算主要采用PKPM結構分析軟件，并采用理正復雜水池進行復核；另外，因調蓄池臨河而建，其寬度方向上兩側土壓力不對稱，取寬度方向受力單元，采用理正工具箱中的平面鋼桁架模塊進行計算，并對壁板、柱配筋進行修正。以理正復雜水池軟件為例，給出計算模型和檢修工況(池內無水、地下高水位)下底板長度方向的彎矩計算云圖(圖3)。

圖3 理正復雜水池結構計算模型及內力計算結果(單位：kN·m)

4.2 地基處理設計

本工程調蓄池位于軟土地基，經計算，若采用天然地基，地基承載力和抗浮均不滿足要求，需進行地基處理。

由于不良土層厚度太大，超出了深攪樁及其他復合地基處理方案的適用范圍，同時鉆孔灌注樁可兼作抗拔樁，故本工程擬采用鉆孔灌注樁作為基礎設計方案，以④-2粉、細砂層為持力層，樁徑為1.0m，樁長26m，共89根。

4.3 穩定計算分析

根據池體結構和地基處理設計進行豎向承載力、抗浮、抗滑穩定計算。

(1)豎向承載力。控制工況為試運行工況(池內滿水、地下無水)，計算得到單樁豎向承載力特征值Ra=1860kN，單樁豎向荷載特征值：均值為1629 kN

(2)抗浮穩定。控制工況為檢修工況(池內無水、臨河側水位為設計洪水位11.10m、背河側水位為地面以下0.5m)，計算得到單樁抗拔承載力特征值T=1320kN，抗浮穩定安全系數2.01>1.05，滿足規范要求。

(3)抗滑穩定。控制工況為河道施工工況(背河側水位為地面以下1m、臨河側水位為平河底高程5.0m)，計算得到單樁水平承載力特征值Rh=196 kN，抗滑穩定安全系數0.82<1.30，不滿足規范要求。

經以上計算，地基處理后豎向承載力和抗浮穩定滿足要求，抗滑不滿足要求，需進一步采取措施(見第6節)。

5 基坑支護設計分析

5.1 基坑支護設計

基坑采用灌注樁+二層鋼筋混凝土水平支撐形式。灌注樁直徑為1.2m，間距為1.4m，樁長29.9～30.9m，樁端進入④-2粉、細砂層不少于1.5m；支撐設置為角撐加對撐形式；南河側設置鋼板樁圍堰，以應對不平衡土壓力，圍堰頂寬6m，內填黏土，頂部設置拉桿。四周采用雙重管高壓旋噴樁作為止水帷幕，止水樁長度為18.60m，形成全封閉止水帷幕，以增強止水效果，減少降水成本；基坑支護平面布置如圖4所示。

圖4 基坑平面布置圖

5.2 基坑支護影響分析

采用理正深基坑支護結構設計軟件進行支護結構計算，并采用Midas GTS NX分析基坑支護對地鐵聯絡線的影響，本節對Midas GTS NX有限元模型的建立、計算工況及計算結果進行分析[12]。

(1)模型的建立

基坑開挖的影響范圍一般認定為基坑挖深的3倍距離，本模型為充分考慮基坑的開挖對周邊建筑物的影響，整體幾何尺寸取為147m(長)×109m(寬)×60m(高)，模型網格劃分遵循研究部位劃分密、邊緣部位劃分疏的原則，共建立106062個單元，63917個節點，模型建立及網格劃分如圖5所示。

圖5 基坑模型建立及網格劃分

(2)計算工況

根據施工工序擬定7個計算工況，詳見表4。

(3)計算結果分析

經計算，支護結構與地鐵聯絡線高架的變形情況見表4，并給出工況⑦支護結構和地鐵高架水平位移云圖(圖6)。

圖6 工況⑦計算云圖

表4 支護結構與地鐵高架變形計算成果表 單位：mm

由計算結果可知，雨潤調蓄池基坑支護結構在整個施工過程中，支護結構最大水平位移發生在工況⑦，約為11.0mm，地鐵高架結構最大水平位移發生在工況①和工況⑦，約為1.2mm，地鐵高架結構最大豎沉降發生在工況⑥，約為1.6mm。計算結果表明，基坑支護結構的施工對地鐵聯絡線高架的影響很小，滿足地鐵高架的安全要求。根據施工期基坑監測資料，支護結構及地鐵高架的位移與計算結果基本吻合，說明本工程基坑支護設計是安全合理的。

6 永臨結合抗滑設計分析

根據4.3節穩定計算，調蓄池抗滑穩定不滿足要求，本次將池體與支護樁有效連接(利用支護樁65根)，利用地基處理樁與支護樁共同抗滑。AB側和CD側在底板層和標高7.0層共設置兩層連接，AD側僅在底板層設一層連接。其中標高7.0層增設橫梁HL1，錨固在壁板和扶壁柱上；底板、橫梁與支護樁連接處外凸形成“抓手”并配置加強鋼筋以有效傳遞荷載，與支護樁之間增加隔油氈一層以應對池體結構和支護樁的不均勻沉降，做法如圖7所示。

圖7 永臨結合設計圖(單位：m)

抗滑穩定復核：控制工況同加固前，單樁水平承載力特征值：地基處理樁Rh=196 kN，支護樁Rh′=244 kN，采取永臨結合措施后，抗滑穩定安全系數1.31>1.30，滿足要求。

7 結語

(1)分析了軟土地基臨河調蓄池設計過程中應注意的難點：避免水化熱和溫度應力帶來的裂縫、針對軟土特性采取地基處理措施、關注對現有設施的影響、重點關注土壓力不平衡情況下的結構內力分布和調蓄池抗滑穩定安全以及基坑安全等。

(2)闡述了調蓄池結構的設計和基坑支護設計，因工程條件復雜，應采用多個計算軟件進行相互驗證復核和修正；提出了一種利用地基處理樁與支護樁共同抗滑的設計方案。

(3)目前本工程已竣工驗收，工程質量優良，施工期基坑監測結果與基坑計算結果基本吻合，說明本工程結構設計和基坑支護設計是安全合理的，相關特點分析、設計方法可為其他類似工程提供參考。