雙排支護樁在基坑圍護中的應用

孟 鳴

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434）

現代城市水利工程建設中，對運行年代久遠、防洪排澇等功能衰退的水利設施的拆除重建工程越來越普遍，而在城市建設進程中，水利設施周邊的臨河建筑也日趨增多，導致河道兩側可供基坑開挖的施工場地十分有限，且基坑施工過程中可能產生較大的沉降和位移，對臨河建筑物的結構安全造成不利影響。這種基坑施工場地受限與建筑物功能多樣性之間的矛盾，在城市化建設過程中已日趨突出。本文結合上海市青浦區西大盈套閘拆除重建工程實例，通過對基坑支護結構布置方案的優化比選及相關理論計算，探討基坑施工場地受限條件下的基坑開挖及圍護方案布置，為類似水利工程施工方案設計提供參考。

1 工程概況

新建西大盈泵閘位于現有西大盈套閘外閘首處，工程主要建設內容包括：拆除現有套閘外閘首、泵閘合建15 m3/s雙向泵站＋12 m閘首、建設變配電及管理房等附屬設施。泵閘基坑周邊無重要市政管線及地下障礙物，基坑東岸房屋建筑較為密集，西岸除內河翼墻處有廠房建筑外，其余范圍主要為農田。根據泵閘總體布置情況，基坑東岸側最大開挖深度約6.3 m，結構邊墻距離東岸房屋建筑距離最近處約7.6 m，基坑西岸側最大開挖深度約8.3 m。

本工程為拆除重建工程，基坑開挖方式受老閘兩岸現有場地條件及建筑物分布情況影響較大，基坑東西兩側場地條件不同，基坑東側有房屋建筑，施工場地有限，不利于放坡開挖，基坑西側場地條件開闊，施工條件較好，故如何在有限的場地條件下選取合適的基坑圍護型式實施基坑開挖，保護基坑周邊房屋建筑的安全，同時又充分利用現場有利條件，降低臨時工程投資，是本工程實施的難點所在。

2 工程地質

根據地質勘查報告，工程區域內地下水主要為潛水。場地土層自上而下分別為：素填土、粘土、淤泥質粉質粘土、粉質粘土、粉砂、粉質粘土及粘土等，其中粉砂層為含水層，具有微承壓性質，施工期需考慮在基坑內采取降排水措施，各土層物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標統計表

3 基坑圍護方案設計

考慮本工程基坑兩岸場地施工條件各不相同，基坑圍護按基坑順水流方向分為外河海漫段、外閘首及消力池段（對應泵房及進出水池段）、內河連接段三段分別進行設計。

3.1 外河海漫段及內河連接段基坑

3.1.1 基坑圍護型式

外河海漫段東岸及內河連接段西岸均有房屋建筑分布，且房屋距離翼墻結構邊線最近處不足1 m，基坑最大開挖深度4.95 m，基坑開挖作業需設置圍護結構后再行實施，以確保房屋建筑的穩定安全。根據水工結構，外河海漫段東岸及內河連接段西岸翼墻墻身均為混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結構，該翼墻結構可直接于岸上干地鉆孔進行施工，實施完成后翼墻樁身結構即可兼做基坑圍護結構。因此，外河海漫段基坑東岸及內河連接段基坑西岸在進行基坑開挖時，無需另設圍護結構，考慮將水工翼墻結構進行永臨結合，基坑在鉆孔灌注樁翼墻的圍護下垂直開挖進行施工。

外河海漫段西岸場地開闊，地勢平坦，場地主要為農田，基坑開挖深度4.8 m，具備放坡開挖條件。內河連接段東岸基坑尾段有房屋建筑，且距翼墻結構邊線較遠，距離約13 m，基坑開挖深度5.2 m，場地施工條件較好，亦具備放坡開挖條件。因此，外河海漫段西岸及內河連接段東岸段基坑考慮采用放坡開挖。

3.1.2 基坑開挖斷面

外河海漫段東岸利用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結構翼墻作為圍護結構進行垂直開挖，開挖深度4.95 m；西岸采用兩級放坡開挖，開挖深度4.8 m，第一級從地面3.5 m高程以1∶2.5邊坡開挖至0.0 m高程，設2.0 m寬馬道，第二級從0.0m高程以1∶1.5邊坡開挖至-1.3 m高程，坡面掛網噴混凝土護面。

內河連接段西岸利用混凝土灌注樁+高壓旋噴樁結構翼墻作為圍護結構進行垂直開挖，開挖深度4.95 m，東岸采用兩級放坡開挖，開挖深度5.2 m，開挖邊坡1∶1.25，在1.00 m高程設置1.5 m寬馬道，坡面掛鋼絲網噴混凝土護面。

外河海漫段及內河連接段基坑開挖斷面見圖1～2。

圖1 外河海漫段基坑開挖斷面

圖2 內河連接段基坑開挖斷面圖

3.1.3 開挖邊坡穩定計算

邊坡穩定計算工況：基坑外側地下水位深度0.9 m，基坑內側地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡頂施工荷載取20 kPa。

穩定分析計算采用瑞典條分法，計算公式為：

經計算，外河海漫段西岸邊坡穩定安全系數Ks=1.949＞Kz=1.3，內河連接段東岸邊坡穩定安全系數Ks=1.611＞Kz=1.3，滿足規范設計要求，表明基坑設計開挖邊坡是合理的。

3.2 外閘首及消力池段基坑

外閘首及消力池段基坑主體結構尺寸50.8 m×27.5 m?；游靼秷龅亻_闊，地勢平坦，場地主要為農田，基坑最大開挖深度8.3 m；東岸房屋建筑分布密集，房屋距離外閘首邊墻結構邊線最近處約7.6 m，基坑最大開挖深度6.3 m，基坑開挖作業需設置圍護結構后再行實施，以確保房屋建筑的穩定安全。

考慮本段基坑面積不大，基坑開挖深度較深，西岸施工場地較好，東岸施工場地條件受限，在選定基坑圍護方案時，應綜合考慮周邊房屋建筑結構的安全、施工便利性、現場有利場地條件、圍護結構投資等因素，滿足基坑開挖支護的要求。

3.2.1 基坑方案擬定

根據上述本段基坑主要特性，結合現場實際施工條件，本文擬定兩種設計方案，具體分述如下：

方案一：采用內支撐圍護結構型式，在基坑東西兩岸分別設置垂直圍護樁，兩側垂直圍護樁間再設水平向鋼管對撐結構，基坑在東西兩側圍護樁及對撐鋼管的圍護作用下實施垂直開挖，圍護樁采用鉆孔灌注樁。圍護結構型式斷面見圖3。

方案二：采用懸臂式雙排支護樁結構+放坡開挖的型式，在基坑東岸設置懸臂式雙排支護樁，進行基坑垂直開挖，基坑西岸場地開闊，采用分級放坡開挖，圍護樁采用鉆孔灌注樁。該方案對東側懸臂式圍護結構設計要求較高，圍護結構型式及放坡開挖斷面見圖4。

圖3 對撐圍護結構斷面圖

圖4 懸臂式雙排支護樁結構+放坡開挖斷面圖

3.2.2 方案比選

在本工程圍護結構確定時主要考慮以下因素：（1）圍護結構滿足空間布置要求；（2）充分利用現場有利場地條件；（3）施工方便快捷；（4）滿足基坑開挖支護要求；（5）圍護結構工程造價低。

上述初擬的兩種圍護結構型式均能滿足場地空間布置要求，均具有可行性。兩種圍護方案特點分述如下：

方案一：圍護結構占用施工場地面積小，場地適用性強，基坑土方開挖量較小，對撐支護結構受力條件好，結構穩定性好；但未充分利用西岸開闊的施工場地條件，施工工藝復雜，圍護結構施工工期長，對主體結構施工干擾較大，圍護結構工程量大，工程造價較高。

方案二：西岸放坡開挖占用施工場地面較大，基坑土方開挖量較大，基坑對東岸懸臂式圍護結構抗傾覆要求較高；但雙排支護樁為剛架結構，受力條件好，側向剛度大，受彎及抗傾覆性能好，樁頂位移小[1]，施工工藝簡單，施工方便、快捷，并可充分利用西岸可用場地條件進行放坡開挖，大大減少圍護工程量，加快施工進度，較低圍護結構工程造價。

根據上述兩方案自身特點及工程現場實際施工條件，本著因地制宜、布局合理、降低投資等原則，綜合經濟、技術等因素考慮，推薦方案二為外閘首及消力池段基坑圍護方案。

3.2.3 推薦方案結構設計

經上述綜合比選，外閘首及消力池段基坑東岸考慮設置懸臂式雙排支護樁結構后垂直開挖，西岸采用分級放坡開挖。

雙排灌注樁樁徑0.8 m，前排樁樁間距1.0 m，樁長19 m，后排樁樁間距1.5 m，樁長12 m，前后兩排灌注樁間距2.3 m。兩排灌注樁間設置高壓旋噴樁止水帷幕，樁徑0.8 m，樁間距0.5 m，樁長18.5 m，共設置兩排，排距0.5 m，前后排錯縫排列。

西岸采用三級放坡開挖，開挖深度8.3 m，第一級從地面3.9 m高程以1∶2.5邊坡開挖至0.0 m高程，設置2 m寬馬道，第二級從0.0 m高程以1∶1.5邊坡開挖至-2.0 m高程，設置2 m寬馬道，第三級從-2.0 m高程以1∶1.5邊坡開挖至-4.4 m高程，坡面掛鋼絲網噴混凝土護面。

3.2.4 結構穩定計算

（1）開挖邊坡穩定計算

邊坡穩定計算工況：基坑外側地下水位深度0.9 m，基坑內側地下水位高程取基坑底以下0.5 m，坡頂施工荷載取20 kPa。

穩定分析計算采用瑞典條分法，計算公式采用公式（1）。經計算，外閘首及消力池段西岸邊坡穩定安全系數Ks=1.940＞Kz=1.3，滿足規范設計要求。

（2）基坑穩定計算

1）計算條件

圍護結構沿基坑東岸取單位長度按彈性地基梁計算[2][3]。東岸房屋建筑作用力等效為豎向分布荷載及沿基坑方向作用的力矩。樁后施工荷載考慮20 kPa?；油鈧鹊叵滤簧疃?.9 m，基坑內側地下水位高程取基坑底以下0.5 m?；影踩燃墳槿?，環境保護等級為二級。

2）支護樁頂位移及沉降計算

根據《基坑工程技術規范》，確定東岸地面最大沉降量為15.75 mm，樁頂最大水平位移18.9 mm。

由計算結果知，地表最大沉降量為15 mm＜15.75 mm，樁頂最大水平位移為10.36 mm＜18.9 mm，滿足本工程設計位移及沉降要求。

經計算，前排樁最大彎矩205.26kN·m，最大剪力為106.74kN。后排樁最大彎矩339.26 kN·m，最大剪力為94.32 kN。結構內力位移包絡線及地表沉降線（三角形法）見圖5和圖6。

圖5 內力位移包絡圖

圖6 地表沉降曲線圖

3）整體穩定性驗算

整體穩定性驗算采用以下公式進行計算：

經計算，整體穩定安全系數Ks=2.934＞1.25（允許值），滿足設計整體穩定性起要求。

4）抗隆起穩定性驗算

抗隆起安全系數采用Prandtl(浦朗德爾)公式進行計算：

經計算，抗隆起安全系數Ks=2.818＞1.7（允許值），滿足設計抗隆起要求。

5）抗管涌驗算

抗管涌穩定安全系數按下式進行計算：

經計算，抗管涌穩定安全系數Ks=6.167＞1.5（允許值），滿足規范設計要求。

（3）對房屋建筑的影響

根據地表沉降曲線，而基坑東岸房屋近基坑側一端距基坑邊約3.4 m，沉降值為11 mm，房屋遠離基坑側一端距離基坑邊約59.4 m，沉降值為0 mm，則房屋的傾斜率為0.196‰，根據《上海市基坑工程技術規程》（DG/TJ08-61-2010）中有關規定，基坑附近建筑物的基礎允許傾斜值為4‰，因此基坑對環境的影響滿足基坑工程的環境保護等級要求。

綜上述，外閘首及消力池段采用的雙排支護樁圍護方案能夠保證本段基坑及東岸房屋建筑結構的穩定安全。

3.2.5 監測結果

通過在基坑周邊埋設沉降位移監測點，可以監測圍護結構的變位情況。基坑實測數據見表2。

表2 基坑監測成果與計算結果對比表 單位：mm

根據基坑監測數據，雙排支護樁結構樁頂水平位移及樁后地表沉降實測值與理論值接近，且均小于理論值，因此，推薦方案維護結構穩定性比較好。

4 結語

隨著城市化建設，水利工程基坑開挖可能會遇到更多的施工場地受限的問題，本文結合工程實例，將永久結構與臨時圍護結構有機結合，并采用單側懸臂式雙排支護樁替代內支撐圍護結構型式，同時充分利用可用場地進行放坡開挖，大大減小了臨時工程投資，且周邊房屋建筑結構的穩定安全也得到了保障，實現了工程設計目標，可為今后類似工程的設計和施工提供參考。