某新建電排泵站工程中基坑開挖支護設計

賈小明

(塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

某項目區現狀排洪渠出口處無電排站，僅靠出口處的排澇涵閘自排。當外河水位低于排洪溝水位的時候，依靠水閘自排；當外河水位高于排洪溝水位的時候，水閘無法自排，受浸頻繁，受浸時間長。

因此，需通過新建電排站解決項目區內外河水倒灌排洪渠而無法自排的問題，與現狀排洪渠排澇閘共同承擔排除澇區澇水的任務。工程排澇面積4.19 km2，設計排澇流量6.82 m3/s，總裝機容量520 kW，裝機2臺。該工程屬于Ⅳ等小(Ⅰ)型電排泵站，排澇設計標準采用10年一遇最大24 h暴雨所產生的徑流量2 d排干設計，綜合排澇模數為1.493 m3/(s·km2)，排澇流量為6.26 m3/s。

新建電排站工程由引水渠、攔污柵、檢修閘、前池、泵站廠房、出水池組成。電排站基坑開挖深約4～5 m，為淺基坑，根據勘探揭露情況，各土層工程物理力學性質較差。因此，在工程施工時，對泵房的基坑和排水箱涵需采取基坑和坑壁支護處理措施。

2 工程地質條件

根據地質測繪及鉆孔揭露，泵站站址地層主要包括第四系人工填土層(Qs)、 河流沖積層(Qal)及海陸交互相沉積層(Qmal)。根據區內出露地層的巖性、成因及物質組成特征劃分為四大類，泵站站址土體自上至下為：①素填土、②-1粉質黏土層、②-2淤泥層、②-4粉質黏土層、③淤泥質土層、④-1中粗砂層、④-2粉質黏土層、④-3中粗砂層、④-4淤泥質土層、④-5中粗砂層、④-6粉質黏土層、④-7中粗砂層。箱涵地層與站基基礎基本一致，但上部人工填土層為松散狀，底下②-1粉質黏土層層厚較薄，其下為②-2淤泥軟土層，層厚3.40 m，稍厚，易產生較大沉降。根據地質條件情況，建議出水箱涵基底對表層松散表土進行清除并夯實，基礎若采用換填基礎，基坑開挖需超過5.0 m。因此可采用樁基礎，以下部④-1中粗砂層作為樁基礎持力層，但需對下部④-4淤泥質土層軟土層進行沉降穩定復核。基坑各土層工程物理力學性質較差，建議坑壁采用鋼板樁支護加固，基坑采用水泥攪拌樁處理。基坑支護設計巖土參數建議值見表1，土層邊坡開挖建議值見表2。

表1 基坑支護設計有關的巖土參數建議值

表2 建議土層開挖邊值

3 基坑支護設計方案

3.1 基坑坑壁支護方案

根據勘探揭露地質情況并結合基坑周邊環境，基坑的安全等級為二級，基坑周邊的環境相對復雜，不具備放坡條件，建議坑壁進行支護處理[1]。坑壁支護方案：本工程因受到場地限制因素制約，采用鋼板樁支護結構，在4～10 m支護條件下，入土深度約為支護高度的1.0～1.5倍。本工程支護高度3.95 m，因基礎下存在厚4.3 m的淤泥層，故入土深度按1.5倍計算為5.925 m，加地面露出0.3 m，總計長度 10.175 m。選用長度12 m拉森Ⅲ鋼板樁，前后排樁采用Φ30@1 200 mm鋼拉桿連接，拉桿兩端使用槽鋼固定，雙排鋼板樁支護的大樣圖見圖1，圍護周長共127 m。

擬建場地的地下水豐富，地下水位埋藏淺，本工程基坑建議采取基坑截水處理，并在基坑周圍挖排水溝、集水井進行明溝排水，確保基坑不被水浸泡。

圖1 雙排鋼板樁支護的大樣圖

鋼板樁穩定計算如下：工程計算范圍內，根據地質勘探自上而下存在雜填土、粉質黏土、淤泥、粉質黏土、淤泥質土、中粗砂層，鋼板樁為直墻背，采用加權平均法計算內摩擦角和重度。見圖2。

3.1.1 土壓力系數

墻后主動土壓力系數：

φcp=7.15°，γcp=16.88 kN/m3，H=11.7 m

主動土壓力系數：

圖2 計算簡圖

墻前被動土壓力系數：

φcp=8.02°，γcp=17.12 kN/m3，H=7.75 m

被動土壓力系數：

3.1.2 計算樁底土壓力強度

樁底主動土壓力強度：

qa=γHKa=16.88×11.7×0.78

=154.05 kN/m2

樁底被動土壓力強度：

qb=γHKb=17.12×7.75×1.32

=175.14 kN/m2

土壓力疊加后，通過試算得出主動土壓力強度和被動土壓力強度值代數疊加值為0點，得出t0點，t=h0-t0=6.724 m。

3.1.3 計算鋼板樁的穩定性

通過計算被動土壓力fco對樁底c點的力矩M1=2 480.64 kN·m；通過計算主動土壓力abod對樁底c點的力矩M2=190.78+767.01=957.79 kN·m，則穩定安全系數k=M1/M2=2 480.64/957.79=2.58≥2，滿足要求。

3.2 基坑支護方案

根據站址內地層分布情況和地基承載力大小，結合相關地基處理規范，針對站址地基淤泥軟弱土層的分布情況、物理力學特性及深度，本文采用水泥攪拌樁加固措施進行地基處理[2]。水泥攪拌樁具體布置方式如下：

根據地質情況，泵站采用直徑600水泥攪拌樁進行地基加固。圍封處理的水泥攪拌樁樁心距為450 mm，相鄰樁重合長度不小于150 mm；其余樁心縱橫間距均為1 200 mm。圍封處理及圍封處理范圍以內的攪拌樁水泥含量18%，水泥攪拌樁選用42.5R號普通硅酸鹽水泥，水泥攪拌樁直徑0.6 m，樁距1.2×1.2，采用正方形布樁，樁底穿過④-1中粗砂層(灰白色、淺灰色、淺黃色，含泥量3%～5%，局部砂質較純，級配一般～差，主要呈中密狀，局部稍密～中密，其層厚0.70～3.70 m，層底高程-14.11～-10.64 m)2.0 m，樁底高程-12.41。布置范圍為主泵房樁頂高程-2.90 m、箱涵樁頂高程-2.10 m，水泥攪拌樁布置形式見圖3。

圖3 水泥攪拌樁布置形式示意圖

水泥攪拌樁設計計算如下：

3.2.1 單樁承載力計算

加固后基礎按復合地基考慮，按照《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)中公式計算[2]：

(1-0.22)×13.84

=187.48(kPa)

(1)

=1.884×(0.51×4+4.3×13+

2×5.5+2×26.5)

=229.74(kN)

(2)

Ra=ηfcuAP

=0.3×1 500×0.32×3.14

=127.17(kN)

(3)

式中：fspk為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；λ為單樁承載力發揮系數，本次取λ=1.0；m為面積置換率，經計算為0.22；Ra為單樁豎向承載力特征值， 229.74 kN；Ap為樁的截面積，0.282 6m2；β為樁間土承載力發揮系數，本次取β=0.2；up為樁的周長，1.884 m；qsi為樁周第i層土的側阻力特征值，kPa；lpi為水泥樁樁長范圍內第i層土的層厚度，m；αp為水泥攪拌樁端端阻力發揮系數， 本次取值αp為0.4；qp為樁端地基未修正承載力，kPa；fcu為實驗室內按照攪拌樁樁身水泥漿土配比制作的加固土試塊在標準養護條件下(常溫，齡期 90 d)的立方體抗壓強度平均值，設計計算強度取值1 500 kPa；η為樁身強度折減系數，取值0.3；Ap為樁的面積，3.14 m2。

兩者計算結果取最小值，所以Ra=127.17 kPa。

3.2.2 復合地基承載力計算

(4)

式中：fspk為復合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率，經計算為0.234；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數，取值0.4；fsk為樁間天然地基土承載力特征值，kPa。

fspk=0.234×127.17÷0.2826+0.4×(1-0.234)×160=154.324(kPa)

泵站基底平均應力最大值106.85 kPa<154.324 kPa(修正后的地基承載力特征值)。因此，對地基進行打樁處理后，滿足地基承載力要求。

3.2.3 攪拌樁復合基礎變形

樁身壓縮量計算公式：

(5)

式中：s1為單樁樁身壓縮量，m；pz、pzl分別為攪拌樁復合土層頂面和底面的附加壓力值，kPa；Esp為攪拌樁復合土層的壓縮模量，kPa；l為攪拌樁長度，m；Ep為攪拌樁的變形模量，計算取值為(100～120)fcu(kPa)；Es為攪拌樁間土的壓縮模量，m。

3.2.4 復合樁基礎以下土的壓縮變形

復合樁基礎以下土的壓縮變形s2(即下列公式中的s′)采用《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007-2002)中的公式計算[3]，即：

(6)

式中：s為地基處理后最終沉降量，mm；s′為按分層總和法得到的地基沉降量，mm；Ψs為地基沉降量計算經驗系數，取值1.3；n為地基沉降變形計算深度范圍內按照地層巖性所劃分的土層數，數值為10；p0為對應于荷載效應的基礎底面處的附加壓力，kPa；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1分別為基礎底面距第i層土和第i-1層土底面之間的距離，m；ai、ai-1分別為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面范圍內平均附加應力系數。

表3 復合土壓縮模量及基礎變形計算表

根據上述沉降計算，主廠房沉降量小于天然土質地基上的地基最大允許沉降量15 cm。

3.3 施工技術工藝

3.3.1 鋼板樁施工技術

鋼板樁按照下列程序施工：根據施工圖及高程放設沉樁定位線→根據定位線控設沉樁導向槽→整修平整施工機械行走道路→沉設圍護樁→將圍護樁送至指定標高→挖土→砼施工→ 填土→拔除鋼板樁。

鋼板樁施工流程圖見圖4。

圖4 鋼板樁施工流程圖

具體施工步驟如下：①進行鋼板樁外觀檢查與檢驗，外觀檢查主要包括鋼板樁的長度、寬度等尺寸檢查，以及缺損、斷面等缺陷檢查，檢查合格后進行鋼板樁彎曲度、垂直度等性能檢驗，合格后方可施工；②施工前根據設計圖紙、高程放出鋼板樁成樁定位線；③打樁前設置鋼板樁導向圍檁支架，采用H型鋼，保證鋼板樁垂直于沉樁軸線位置，提高打樁精度，制作時先安裝導梁，再將鋼板梁與導梁焊接；④插樁采用履帶式機械手將鋼板樁吊裝至插樁點位置，插樁時采用經緯儀檢測樁在水平方向的位移，對不符合精度的樁及時矯正或拔出，重新插樁，樁頂高程必須保持在統一高程平面上；⑤拔除鋼板樁采用履帶式機械手，鋼板樁拔出拔樁順序應與打樁順序相反，鋼板樁離河堤、鄉村道路較近，為防止鋼板樁產生的位移、沉降等影響，鋼板樁拔除時采取每隔2～4根進行“跳拔”的方式，拔樁前先震動2 min，待松動后再拔出。

3.3.2 水泥攪拌樁施工技術

本工程選擇PH-5D型水泥攪拌樁機鉆進、攪拌成樁，主電機功率45 kW，進提鉆速度0.27～2.7 m/min。水泥攪拌樁施工分以下幾個步驟完成[4]：①樁機就位；②制備水泥漿；③攪拌噴漿下沉；④噴漿、攪拌提升；⑤重復攪拌下沉和提升；⑥重復①-⑤。

其主要施工工藝為：①將水泥攪拌樁機移到指定樁位，鉆頭對準設計樁位進行對中、校正，并保持樁機在水平方向水平、豎直方向保持垂直；②水泥漿液采用42.5R號普通硅酸鹽水泥，在集料斗按樁長、設計水灰配合比配制水泥漿，設計摻入比18%，確定用灰量每米55～60 kg；③啟動主機，使攪拌機鉆桿邊噴漿邊旋轉下沉；④當下沉到設計深度后，鉆機低速慢轉，在設計深度繼續轉動2 min左右，噴漿反轉提升樁頂位置；⑤再次將攪拌機鉆桿邊噴漿邊旋轉沉入樁底，以確保水泥漿和土攪拌均勻； 樁機下沉到樁底后噴漿攪拌提升到樁頂，距地面50 cm結束送漿，成樁；⑥移機，施工下一攪拌樁。

3.4 基坑施工監測

電排站周邊以河道堤防及村道為主，為了保證基坑開挖和周邊相鄰建筑物的安全，基坑開挖施工過程中應進行現場監測。監測項目包括基坑支護結構水平位移和豎向位移、邊坡坡頂水平及豎向位移、基坑周邊建筑物變形監測、地下水位監測等[3]。具體布置如下：在基坑東側邊坡頂部設置4個水平及豎向位移監測點，監測點間距約20 m；在灌注樁樁頂聯系梁上設置5個水平及豎向位移監測點，監測點間距約20 m；在灌注樁樁體內埋設測斜管，共埋設3支，每支間距約30 m，用于監測樁體的深層水平位移。在泵站基坑周邊內外側共埋設3 支測壓管，用于監測基坑開挖過程中地下水位變化情況。在基坑與東側管理房間設沉降、位移觀測水準點，共3個，用于觀測該部位土體變形情況。以上各項監測的時間間隔根據施工進程確定，當監測結果變化速率較大時，應加密觀測次數。

4 結論及建議

本文的排水箱涵和泵站基坑支護設計，結合了工程區地形地質條件、電排站工程布置型式、站址周邊建筑物等因素，并參照基坑支護設計與施工的相關規范和技術要求，結合已建類似工程基坑支護設計施工的成功經驗，分別采用水泥攪拌樁和鋼板樁兩種支護型式進行基坑設計。工程于2018年雨季來臨前完成施工， 經第三方現場監測，樁頂最大位移12 mm，地面最大沉降量225 mm，滿足設計要求。結果表明，該電排站工程支護體系合理有效，達到了支護預期效果，安全、經濟，為類似工程的設計和施工積累了經驗，可提供有益的參考和借鑒。