南新涇泵閘工程基坑圍護設計的應用分析

嚴麗芳

(上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200434)

由于水利建筑物位于城市建成區，施工場地極其狹窄，施工工序繁多、周邊環境及地質條件復雜，對周邊建筑物、管線、道路、原有護岸等建筑物保護要求高。鑒于中心城區水利工程深基坑設計的特殊性，城區水利工程如何在狹窄的場地內安全施工，基坑開挖圍護尤為重要，圍護結構既要確保施工過程中基坑的安全，又要控制結構的變形和周邊土體的沉降，以確保周邊建筑物的安全。

1 工程概況

南新涇泵閘位于新涇港河道南段與淀浦河交匯處，為拆除泵站重建節制閘和泵站工程，是城市防洪除澇工程的重要組成部分，節制閘凈寬12 m，泵站總流量40 m3/s。擬建泵閘位于南新涇河道上，東側為現有市政道路，現狀地面高程為5.0 m，泵站主泵房基坑開挖底高程為-5.40 m，基坑開挖深度為10.4 m；西側為居民住宅區，現狀地面高程為4.5 m，節制閘基坑開挖底高程為-2.6 m，基坑開挖深度為7.1 m，基坑安全等級均為二級。本工程采取修筑攔河圍堰進行干地施工。前期物探表明，工程建設場地周邊有多條市政管道分布，為工程施工期間基坑支護提出了更高要求。考慮周邊緊鄰市政道路及居民區，施工場地狹窄，泵閘基坑開挖不具備大放坡開挖條件，需要采取圍護措施。

2 工程水文地質條件

擬建場地為現有河道和堤岸旁綠化，地貌屬于濱海平原類型。在勘察深度范圍內，揭遇的地基土均屬第四紀沉積物。根據各地基土的成因、時代、結構特征及物理力學性質指標等因素，將其劃分為6個主要土層：①1雜填土；①2層浜土；②粉質黏土；③1淤泥質粉質黏土；③1 t黏質粉土；③2黏質粉土；⑤1-1粉質黏土；⑤1-2粉質黏土；⑥粉質黏土；⑦1砂質粉土；⑦2粉砂。

場地淺部土層中的地下水屬于潛水類型，其水位動態變化主要受控于大氣降水、地面蒸發及地表水系等，豐水期水位較高，枯水期水位較低。在勘察期間，實測陸域取土孔中的地下水初見水位埋深在2.10～2.50 m之間，相應標高為1.06～2.91 m；穩定水位埋深在1.10～2.40 m之間，相應標高為1.91～3.50 m。

3 基坑圍護方案的選擇

受工程區場地條件限制，施工場地條件較差。本工程位于市區，西岸主要為民居密集區，東岸為市政道路，且沿線地下有市政管線通過，基坑開挖不具備大放坡開挖條件，需采取基坑圍護措施，以減少對周邊建筑的影響。

本工程泵房段基坑開挖深度約10.4 m，閘室段基坑開挖深度約7.1 m，經綜合考慮安全、經濟、施工可操作性、周圍施工空間大小及施工對周圍環境影響等各種因素，基坑圍護型式最終從地下連續墻對撐、SMW工法對撐、灌注樁對撐+高壓旋噴樁等3種基坑圍護方案中進行分析比選確定。

3.1 地下連續墻對撐方案

地下連續墻寬800 mm，深度26 m，地下連續墻頂設置鋼筋混凝土冠梁，頂高程為4.50 m，地下連續墻墻底位于⑥層粉質黏土層。

3.2 SMW工法對撐方案

SMW工法方案采用φ850@600三軸水泥攪拌樁，樁長28 m，寬1.2 m，水泥摻量20%，攪拌樁內插H700×300型鋼，內插型鋼布置型式為密插。

SMW工法樁即在連續套接的三軸水泥土攪拌樁內插入型鋼形成的復合擋土止水結構，內插型鋼可在基坑施工完成后回收利用，造價較為經濟，型鋼拔出后的空隙，為減少周圍土體的變形，需要同步采用水泥漿灌入留下的孔洞。

3.3 灌注樁對撐+高壓旋噴樁方案

采用φ1 000@1 200鉆孔灌注樁，樁長25 m，樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，在灌注樁樁后設置雙排高壓旋噴樁止水帷幕。

3.4 方案比選

地下連續墻是在地下成槽后澆筑混凝土，建成具有較高強度的鋼筋混凝土擋墻。地下連續墻結構具有整體性好、剛度大、圍護結構水平位移較小且兼顧防滲結構及占用空間較少的優點，并可采用逆筑法或半逆筑法施工。

SMW工法圍護方案，因本工程基坑開挖最大深度超過9 m，基坑施工周期較長，容易造成型鋼水泥土攪拌樁圍護墻體在基坑開挖暴露過程中產生較大的變形(尤其是在拆撐工況下)，引起三軸水泥攪拌樁的開裂，從而影響止水帷幕的隔水性能，給基坑工程帶來安全隱患。另一方面，三軸水泥攪拌樁施工機械的尺寸大，重約100 t，因承重可能會造成排架失穩，亦存在安全隱患。因此，本工程基坑圍護不建議采用SMW工法圍護方案。

鉆孔灌注樁支擋結構是以鉆孔灌注樁組成排樁式擋墻，頂部澆筑鋼筋混凝土冠梁，適用于開挖深度6～13 m的基坑。鉆孔灌注樁具有施工噪聲和振動相對較小、就地澆筑施工、對周圍環境影響小等優點。

對于泵房段基坑而言，地下連續墻對撐及灌注樁對撐+高壓旋噴樁方案均能滿足本工程基坑圍護的要求，但是地下連續墻方案造價較高。對于閘室段基坑，由于周邊房屋密集，房屋與基坑的距離僅有10m左右，本工程不能破壞現有防汛墻，可供施工作業場地范圍有限，而地下連續墻方案的施工機械體積較大，且相對較重，場地條件不具備連續墻機械施工條件。

綜合考慮基坑開挖深度、基坑周邊環境及環境保護要求等因素，本工程基坑圍護結構推薦采用鉆孔灌注樁對撐結合樁后設置止水帷幕的圍護型式。該基坑圍護方案鉆孔灌注樁剛度大、控制變形能力強，樁外側采用截水帷幕截滲，能夠滿足本工程基坑安全等級與環境保護等級要求。

4 截滲帷幕選擇

基坑圍護樁后采用的止水帷幕主要有三軸水泥攪拌樁、雙軸水泥攪拌樁、高壓旋噴樁。三軸水泥攪拌樁止水帷幕效果最好，雙軸水泥攪拌樁止水帷幕效果較差?？紤]三軸水泥攪拌樁施工設備較大，施工過程中不能破壞現有防汛墻，基坑臨近居民區和市政道路，施工作業面有限，不宜采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕施工，同時為減少施工設備進場和方便施工，止水帷幕采用高壓旋噴樁。

5 基坑圍護方案及結構穩定性分析[1-2]

根據基坑深度、基坑周邊荷載和基坑周邊需保護對象距基坑遠近的不同，基坑圍護方案穩定性分析以泵房段、閘室段基坑為代表。

5.1 基坑圍護方案設計

基坑圍護型式采用C30鉆孔灌注樁+對撐結構。鉆孔灌注樁直徑1 000 mm，間距1 200 mm，東西岸樁長均為25 m，設置冠梁，鉆孔灌注樁樁后采用雙排直徑800 mm、間距500 mm高壓旋噴樁進行截滲處理。

基坑內設置兩道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，規格800 mm×1 000 mm(寬×高)，第二道支撐為直徑609 mm的雙拼鋼管支撐，支撐長度為41 m，第一道混凝土支撐中心線高程為3.60 m，第二道鋼管支撐中心線高程為0.00 m。由于支撐跨度較大，需在基坑中心沿基坑長度方向設置立柱，立柱采用格構式鋼立柱。

閘室段基坑底部采用φ700 mm@500 mm高壓旋噴樁加固處理，加固土深5 m，寬4.2 m。泵房段基坑和閘室段基坑存在2.8 m高差，因此考慮在泵房和閘室連接處采用φ700 mm@500 mm高壓旋噴樁加固處理。具體斷面見圖1。

圖1 泵房及閘室段基坑圍護斷面圖

5.2 整體穩定性

整體穩定性分析采用瑞典條分法進行計算，應力狀態計算方法采用總應力法分析，采用下式進行計算：

經計算，基坑兩側整體穩定安全系數Ks分別為1.91和1.82，均大于規范要求的二級基坑整體穩定安全系數允許值1.30，滿足整體穩定要求。

5.3 抗隆起穩定性

支擋式結構的嵌固深度應符合抗隆起穩定性要求，圍護結構按墻底地基承載力模式驗算坑底抗隆起穩定性。按以下公式進行計算：

經計算，泵房段坑底抗隆起安全系數為2.36，閘室段抗隆起安全系數為2.77，均大于規范要求的抗隆起安全系數允許值2.0，滿足坑底抗隆起穩定性要求。

5.4 各支護結構的內力計算

本工程圍護結構計算中，水壓力采用靜止水壓力進行計算，主動側土壓力計算采用朗肯主動土壓力計算方法，被動側基床系數采用“m”法，土體抗力不考慮極限土壓力限制。經計算分析，基坑兩岸圍護內力變形最不利工況為底板澆筑完，拆除下部第二道鋼管支撐工況，拆、換撐工況內力變形結果見圖2、圖3。

圖2 泵房段圍護內力變形結果

圖3 閘室段圍護內力變形結果

5.5 樁頂變位及地面沉降分析

根據基坑周圍環境的重要性及其與基坑的距離，基坑工程環境保護等級應分為三級，結合本工程結構布置，泵房段、閘室段環境保護等級均為二級，對應圍護結構最大位移為0.3%H,外側地表最大沉降為0.25%H。其中，泵房段圍護結構樁頂最大允許位移為31.2 mm，外側地表沉降最大允許值為26 mm。西岸閘室段圍護結構最大允許位移為21.3 mm，坑外地表沉降最大允許值17.8 mm。

經計算，東岸泵房段樁頂最大偏移位移為23 mm，外側地表最大沉降量為23.8 mm；西岸閘室段樁頂最大偏移位移為19.5 mm，外側地表最大沉降量為17.5 mm，均滿足規范要求。

5.6 抗滲流穩定

為避免基坑開挖過程中發生滲透破壞，圍護樁后設置雙排高壓旋噴樁止水帷幕?？節B流穩定計算采用臨界水力梯度法計算，東岸泵房段抗滲流穩定安全系數為2.81，西岸閘室段抗滲流穩定安全系數為3.20，均大于2.0，滿足規范要求。

根據以上計算分析，泵房、閘室段圍護結構位移、沉降和穩定安全系數均滿足要求，圍護結構設計是安全、可靠的。

6 基坑監測

基坑施工過程中，通過對基坑圍護體系的水平位移、沉降、測斜、圍護結構內力、支撐軸力以及坑外地下水位等的觀測來監控基坑圍護結構的安全，驗證基坑圍護結構設計和基坑開挖施工組織的正確性。通過分析監測數據的變化趨勢，對基坑圍護體系的穩定性、安全性及時進行預測，并結合現場實際情況，指導施工。根據實際監測數據，附近建筑物、地面沉降其變形量均在基坑監測預警值允許范圍內，支護結構式安全、可靠的。

7 結 語

基坑圍護結構是保障城市水利工程施工安全的重要組成部分，城市水利工程往往出現在場地狹窄、周邊環境復雜區域，基坑圍護結構采取鉆孔灌注樁加對撐結構圍護型式，具有安全可靠、經濟合理、施工方便、對周邊環境影響小等優勢。鉆孔灌注樁加對撐圍護結構在復雜環境條件下的深基坑具有較強的適應性，可為類似城市水利工程基坑開挖圍護設計積累經驗和提供參考依據。