城區泵閘工程的特殊基坑設計與應用

陳璇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

城區泵閘工程的特殊基坑設計與應用

陳璇

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

位于市區的泵閘工程受到場地條件限制和周邊環境保護需要等因素影響，基坑設計難度較大，由于工程主體結構坐落于河道上，導致泵閘工程的圍護結構不同于傳統基坑工程。針對此類特殊基坑特點和難點進行分析，提出了相應基坑設計策略，并結合工程實例的成功應用經驗，為類似工程的基坑設計和施工提供參考。

泵閘工程；基坑；設計策略；數值模擬

0　引言

基坑工程的作用即是為主體結構提供安全穩定的地下施工空間，并對周邊環境予以保護［1］。城市防洪排澇泵閘一般位于內河與外河交叉口處，受到場地條件限制和周邊環境保護需要等因素影響，往往需要較為復雜的基坑圍護結構作為主體結構施工的安全性保障。但主體結構往往坐落于現狀河道上，又導致相應的基坑設計邊界條件和基坑建設工藝與傳統的民用建筑基坑具有極大不同。因此，針對城區泵閘工程特殊基坑的設計和應用，本文進行了研究。

1　特點、難點分析

城區泵閘工程的基坑與常規建筑基坑相比，具備以下工程特點和難點：

（1）泵閘工程坐落于河道之上，受泵閘平面總體布置的影響，其基坑形狀多呈不規則的條狀。受現狀河道下切的影響，基坑在垂直水流方向兩端的現狀河床位置無法施工圍護墻體，導致基坑無法形成封閉的圍護體系，基坑整體受力與常規基坑有所區別，止水帷幕的完整性也較難得到保證［2］。

（2）泵閘工程基坑由于位于河道入外河河口處，基坑內、外河兩端需配套可靠的圍堰構筑物，保證基坑與外圍河道水體的隔斷。

（3）泵閘基坑除需進行地下水疏干降水外，還需對基坑范圍內老河道地表水進行抽排，從而為泵閘基坑的開挖創造干地施工條件。城區泵閘工程基坑的設計和施工需著重考慮基坑支護體系未形成前，老河道抽干地表河水后的現狀防汛墻穩定性的復核，并據此選取特殊的基坑設計和施工工藝。

（4）泵閘基坑場地豎向在垂直河道方向呈凹形分布，場地不平整且不規則，水平、豎向支護體系施工和土方開挖的施工工藝均與常規基坑有所不同。

（5）城區河道防汛墻經多次加高加固，防汛墻結構以木樁、板樁和拋石基礎為主，基坑場地以下地下障礙物情況復雜。合理的圍護墻體選擇至關重要。

（6）泵閘工程基礎下工程樁型式和數量較多，主體結構工程樁和圍護墻體樁基不同的施工順序也必然導致兩種樁基之間造成相互的影響。因此，合理安排復雜基坑條件下各類樁基（圍護樁、基礎樁）的施工工序也十分重要。

2　設計策略

針對城區泵閘工程的特點和難點，結合已成功實施的城區泵閘基坑工程案例，本文總結出相應的技術路線和設計對策。

2.1圍護墻體的選取

（1）城區泵閘工程由于水泵選型、閘門選型和泵閘水文設計條件等的不同，基坑開挖深度多為6.0～12.0 m。根據基坑實際開挖深度和周邊環境保護要求，城區泵閘基坑圍護墻體宜選取SMW工法樁和鉆孔灌注樁排樁兩種型式。

（2）針對基坑開挖范圍內河道現狀防汛墻和河床范圍內地下障礙物情況一般比較復雜的情況，基坑開挖前，需委托專業物探單位對擬建基坑圍護墻體深度范圍以及基坑開挖深度范圍內的地下障礙物進行探查。

（3）根據物探成果，當地下障礙物較少，基坑開挖深度適中時，從經濟性角度出發，推薦采用SMW工法樁圍護墻體型式；根據物探成果，當地下障礙物較多時，推薦采用鉆孔灌注樁加攪拌樁止水帷幕的圍護墻體型式。基坑施工過程中，根據現場實際地下障礙物分布情況，鉆孔灌注樁排樁可靈活調整為沖孔樁或咬合樁的施工工藝；止水帷幕也可靈活調整為高壓旋噴樁的止水帷幕型式。

2.2圍堰型式的選取

基坑施工時，內、外河兩端配套可靠的圍堰構筑物，對于基坑與外圍河道水體的隔斷，保證基坑安全施工十分重要。因此，城區泵閘工程基坑設計中，推薦采用雙排拉森鋼板樁的圍堰型式，且基坑的施工應盡量安排在非汛期進行。

2.3止水帷幕設計要點

（1）受老河道影響，基坑在兩端垂直河道方向高程上無法與整個基坑的止水帷幕體系形成封閉。雖設置了內外河圍堰，但排干基坑范圍內河水后，河底以下仍存在繞滲的地下水，對基坑造成破壞。泵閘基坑設計中，務必保證在基坑兩端不封閉區域的河底設置可靠的止水帷幕，并與基坑止水帷幕體系在平面上封閉。

（2）在基坑止水帷幕的設計中，還務必保證基坑止水帷幕體系局部延長后與拉森鋼板樁圍堰之間形成封閉，從而形成完整的特殊止水帷幕體系。

2.4河道排水后防汛墻穩定性對基坑設計工藝的影響

河道抽排水前，必須對現狀防汛墻在河水排干工況下的穩定性進行復核，現狀防汛墻的穩定性與否對基坑設計和施工工藝的選取具有較大的影響。

（1）河道排水后防汛墻穩定

此類情況下，在基坑支護體系未形成前即可對河道內水體進行抽排和對河底進行清淤，從而為下一步基坑干地施工提供便利條件；對于基坑圍護墻體兩側環境較為復雜，不具備圍護施工空間時，也可考慮對老河道進行回填處理，從而人為創造基坑圍護的施工作業空間，從而將特殊基坑問題轉化為常規基坑問題處理。

（2）河道排水后防汛墻失穩

此類情況下，在基坑支護體系（第一道支撐）未形成前，不得對基坑內河水進行抽排。基坑圍護墻體、第一道水平支撐和豎向支撐體系均需采取水上施工的工藝施工。待基坑圍護墻體施工完畢，第一道支撐體系完成后，老河道排水的卸荷可等效為第一層土方的開挖，從而利用已建成的支護體系保證周邊環境的安全。

2.5工程樁與圍護樁施工工序選取

在泵閘基坑施工時務必遵循先施工泵閘主體結構工程樁，再施工泵閘基坑圍護樁的樁基施工工序和原則。

2.6數值模擬分析

由于基坑施工邊界的復雜性很難通過解析的方法來求解基坑開挖對周邊環境的影響，而數值模擬分析則為這種問題的求解提供了有力的工具［3］。為了準確預測城區泵閘基坑開挖引起鄰近建筑物的附加變形，推薦采用有限元分析軟件進行基坑開挖過程的有限元數值模擬，從而進一步確保基坑運行的可靠性。

3　城區泵閘基坑設計與應用實例

3.1華漕港泵閘工程基坑

（1）基坑工程概況

華漕港泵閘工程位于上海市閔行區華漕港河道入蘇州河河口132 m處。基坑東側有危險化學品倉庫，倉庫圍墻距基坑邊線最小距離6.8 m，墻后6 m處有6個化學品儲罐，河道護岸為漿砌塊石斜坡式。該工程泵閘主體結構最大開挖深度9.00 m，屬二級基坑，環境保護等級確定為二級。地面最大沉降量及圍護墻水平位移控制要求如下：a.坑外地表最大沉降≤0.25%H；b.圍護結構最大側移≤0.3%H［4］。

基坑開挖采用明挖順作法作業，圍護墻體采用水泥土攪拌連續墻方案（SMW工法）。該工程選用三軸水泥土攪拌樁850@600，內插H型鋼700×300，其中東岸型鋼密插，西岸間一插一。基坑內設置兩道水平鋼支撐系統。圖1為華漕港泵閘工程基坑平面布置和基坑典型設計斷面圖。

圖1　華漕港泵閘工程基坑平面布置和基坑典型設計斷面圖

（2）結構計算及分析

圍護體系按支承在彈性地基上的梁系結構計算，通過模擬實際開挖施工工序，對化學品倉庫側圍護墻體在不同工況下的內力和變形結果進行綜合包絡。圖2為化學品倉庫側圍護墻內力、變形及地表沉降計算成果圖。

根據計算結果圍護墻最大變形約為14.8 mm，最大的沉降值出現在距離圍護墻7.5 m左右的位置，約21.15 mm，均滿足規范的變形控制要求。

（3）特殊技術路線分析

華漕港泵閘工程河道老防汛墻以漿砌塊石斜坡護岸為主，河道抽水后，防汛墻不會發生失穩，在內外河雙排拉森鋼板樁圍堰施工完畢后，可直接抽排河道水體施工基坑圍護墻體。考慮到東岸化學品倉庫圍墻無法臨時拆除，東岸圍護墻體無施工作業空間。結合該工程土方平衡后余土較多的情況，設計中考慮利用兩側已開挖余土對基坑圍護開挖范圍內河床按設計壓實指標進行了填筑，填筑至現狀地坪標高，從而將特殊泵閘基坑的設計問題轉化為常規基坑進行簡單處理。

3.2虹口港泵閘工程基坑

（1）基坑工程概況

虹口港泵閘工程位于虹口港河道入黃浦江河口112 m處，擬建站址位于北外灘核心區域，周邊建筑密集，以多層的磚木結構和混合結構為主。其中西北側兩層磚木結構民居距離基坑最小距離4.20 m，東南側國客中心高層地連墻距離基坑最小距離7.8 m。該工程泵閘主體結構最大開挖深度為9.50 m，屬二級基坑，環境保護等級確定為一級。地面最大沉降量及圍護墻水平位移控制要求如下：a.坑外地表最大沉降≤0.15%H；b.圍護結構最大側移≤0.18%H［4］。

基坑開挖采用明挖順作法作業，圍護結構主體采用單排鉆孔灌注樁排樁加單排三軸水泥土攪拌樁隔水帷幕的圍護體系和兩道支撐系統的總體設計方案。圍護墻體采用單排800@950（局部1 000@1 150）鉆孔灌注樁排樁結構作為擋土結構，單排850@600三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕。第一道支撐為鋼筋混凝土對撐，水平間距一般為8 m；第二道支撐為鋼支撐對撐，水平間距一般為4 m。圖3為虹口港泵閘工程基坑平面布置和典型設計斷面圖。

圖3　虹口港泵閘工程基坑平面布置和典型設計斷面圖

（2）結構計算及分析

圍護體系按支承在彈性地基上的梁系結構計算，通過模擬實際開挖施工工序，對泵房主體結構西側圍護墻體在不同工況下的內力和變形結果進行綜合包絡（見圖4）。

圖4　虹口港泵房主體結構西側圍護墻體內力、變形及地表沉降計算成果圖

根據計算結果圍護墻最大變形約為10.9 mm，最大的沉降值出現在距離圍護墻8.0 m左右的位置，約12.8 mm，均滿足規范的變形控制要求。

（3）特殊技術路線分析

擬建基坑范圍內老防汛墻建設年代久遠，經復核，在河道抽排水后老防汛墻將發生失穩。因此，虹口港泵閘基坑圍護施工采取帶水施工的工藝。通過搭設水上排架，鋪設模板涉水進行格構柱基礎、格構柱豎向支撐體系、第一道支撐的施工。待圍護墻體和第一道支撐體系形成后，施工基坑兩端雙排拉森鋼板樁圍堰，并進行老河道水體抽排。通過鉆孔灌注樁排樁圍護墻后止水帷幕延伸與南、北兩側拉森鋼板樁的封閉以及南、北兩側老河道河底范圍的雙排高壓旋噴樁止水帷幕的設置，為基坑防滲體系提供了“雙保險”。準確的物探工作也保證了圍護墻體的順利施工，遭遇鉆進困難的圍護墻體樁基也通過調整為沖孔樁或咬合樁工藝得到了解決。基坑運行期間未發生滲水情況，基坑支護水平和豎向支撐體系的澆筑質量較高，圍護墻后的建筑變形也均在規范控制范圍內。基坑的成功也為后續復雜條件下的城市泵閘工程基坑開挖施工提供了成功范例。

4　數值模擬驗證

為了較準確地預測該工程基坑開挖引起鄰近建筑物的附加變形，泵閘基坑設計過程中也采用有限元分析軟件進行基坑開挖過程的有限元數值模擬。

4.1技術路線

計算基坑開挖前土體初始應力場分布，綜合考慮了原始河道和附近建筑對初始應力場的影響。有限元數值計算中土體采用基于 Mohr-Coulomb的Hardening-Soil高級土體彈塑性模型進行模擬，圍護結構和支撐體系采用線彈性模型模擬，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和圍護墻體之間的相互作用。通過有限元軟件的“單元生死”來模擬基坑開挖到基底的全過程，并考慮分層開挖的影響。底部和對稱邊界均設置為封閉滲流邊界。水力計算時，打開接觸面單元可以阻止此處與之垂直的滲流，可以用來模擬止水帷幕的止水作用。

4.2華漕港泵閘基坑數值模擬計算成果

根據數值計算成果，基坑最大水平位移5 mm，輸油管處豎向位移約1.5 cm。結合實際基坑運行的監測數據，基坑周邊建筑實際變形均控制在1.5 cm范圍內。圖5為華漕港泵閘工程化學品倉庫側圍護數值模擬計算成果圖。

圖5　華漕港泵閘工程化學品倉庫側圍護數值模擬計算成果圖（位移矢量圖、云圖）

4.3虹口港泵閘基坑數值模擬計算成果

根據數值計算成果，基坑最大水平位移6.4 mm，坑外地表最大豎向位移9.7 mm。結合實際基坑運行的監測數據，基坑周邊建筑實際變形均控制在1.0 cm范圍內。圖6為虹口港泵閘泵房西側圍護數值模擬計算成果圖。

圖6　虹口港泵閘泵房西側圍護數值模擬計算成果圖（位移矢量圖、云圖）

5　結語

作為城市內防洪排澇重要構筑物的泵閘結構，往往受到場地條件限制存在較大的施工難度，而水利工程的特殊性又造就了城區泵閘基坑工程的特殊性。本文針對城區泵閘工程特殊基坑的特點和難點進行了論述，結合兩種不同設計策略下的城區泵閘基坑實例的成功建設經驗的分析，提出了相應的技術路線和設計策略，可為類似城區泵閘特殊基坑工程的設計和施工提供參考。

［1］劉國彬，王衛東等.基坑工程手冊（第二版）［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［2］曹玉萍，王大齡.不同形式的基坑圍護結構在泵閘工程中的應用［J］.特種結構，2002，19（2）:39-42.

［3］王衛東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2004，25（增）:251-255.

［4］DG/TJ08-61-2010，基坑工程技術規范［S］.

TU992.25

B

1009-7716（2016）06-0180-04

2016-03-16

陳璇（1985-），男，湖北襄陽人，工程師，從事水工結構設計工作。