南水廠深度處理改造工程基坑圍護分析與應用

李 波，朱彩平，王偉濤

（上海宏渠工程咨詢監理有限公司，上海市 201301）

0 引言

基坑工程是一個古老而又具有時代特點的巖土工程課題，最早的放坡開挖及簡單木樁圍護可追溯到遠古時代[1]。伴隨著時代的發展與工程實踐的深入，基坑圍護已經成為了一項系統、關鍵性的工程。基坑圍護主要指對實地開挖的基坑進行支護，是為保證地下結構施工及基坑周邊環境的安全，對基坑側壁及周邊環境采用的支擋、加固與保護措施[2]。基坑形式多種多樣，有排樁支護，地下連續墻支護，灌注樁攪拌樁支護等等，使土體在支護結構、地下水以及周邊建筑物等共同作用下，能夠安全、穩定，以及坑內正常作業。尤其是有地鐵、隧道等地下結構的基坑圍護，有高樓大廈超深基坑圍護等等，基坑一旦失穩，造成的損失將是無法估量。

本文主要針對上海南水廠深度處理改造工程，在地下水位高，周邊環境復雜，原水管道影響的情況下，從基坑圍護方案的優化調整分析、計算、確立，到實施、后期監測展開論述，以期為今后類似工程提供一點參考性建議。

1 工程概況

南水廠深度處理改造工程，建設規模為44萬m3/d，采用臭氧生物活性炭深度處理工藝，與水廠現有常規處理規模相匹配。主要內容包括新建預臭氧接觸池、中間提升泵房及后臭氧接觸池、活性炭濾池及接觸消毒池、反沖洗泵房及臭氧發生器間、回收水池、液氧站，以及現狀20萬m3/d砂濾池出水總渠、鼓風機房及加氯加氨間局部改造等內容。

工程共有4個單體采用基坑圍護施工，分別為活性炭濾池、中間提升泵房及后臭氧接觸池、回收水池、反沖洗泵房；活性炭濾池基坑平面尺寸50.92m×97.56m，開挖深度在6.30m左右；提升泵房及后臭氧接觸池基坑平面尺寸41.90m×40.80m，開挖深度在6.70m左右；回收水池基坑平面尺寸44.20m×15.45m，開挖深度在3.2m左右；反沖洗泵房基坑平面尺寸20.97m×13.00m，開挖深度在3.15m左右。圍護結構選型：活性炭濾池、中間提升泵房及后臭氧接觸池、回收水池均采用鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水+一道鋼筋混凝土結構支撐的形式，反沖洗泵房采用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁重力式壩體圍護結構。

2 圍護方案分析論證

2.1 周邊環境情況

南匯南水廠深度處理改造工程建設場地主要位于廠區東北角，活性炭濾池、中間提升泵房及后臭氧接觸池、回收水池、反沖洗泵房四個單體構筑物相互臨近。

如圖1所示，擬建活性炭濾池邊線距離東側的房屋11.5～26.0m；距南側的二級泵房13.0～27.0m；距北側的房屋35.0～40.0m；西側為該次新建回收水池、反沖洗泵房、臭氧發生間及配電間和提升泵房及后臭氧接觸池用地。擬建回收水池、臭氧發生間和提升泵房及后臭氧接觸池邊線：距離北側的房屋40.0～46.0m；距南側的清水約18.7m；距西側的反沖洗廢水調節池10.5～12.3m；東側為該次新建活性炭濾池用地。

圖1 工程周邊地形圖

2.2 基坑圍護方案初步分析

該工程基坑規模中等，形狀規則，開挖深度普遍在7m之內，但經過現場實地查看分析，認為依然存在一定的復雜、困難之處：

（1）場地環境復雜，環境保護要求高。周邊有關乎水廠安全運行的出廠管、二號泵房、高壓線纜等限制了施工場地；

（2）水池類構筑物基坑，不同于房建基坑、地鐵基坑，水池類構筑物基坑中間沒有層間板，不方便設置換撐，常規多采用重力壩圍護，但該工程基坑深度超過重力壩使用范圍，周邊又有需保護的管線限制，且保護要求高，受場地及環境限制，無法采用重力壩等無內支撐的圍護方式；

（3）水池類構筑物閉水試驗與施工工藝的矛盾。地上、地下部分需整體澆筑完成，一次性做閉水試驗，這要求施工地上部分時，基坑還不能回填，且基坑內最好無水平支撐體系，以免影響水池上部施工；

（4）該工程四個單體構筑物集中在一處，相互毗鄰，基坑深淺不一。同時，底板高程不在一個水平面上，采用一個大基坑在底板處換撐困難。

結合場地實際情況、施工工藝特點，并考慮到活性炭濾池單體構筑物基坑及主體結構工程總量較大、工藝復雜，而且是該工程的關鍵工序，計劃在完成活性炭濾池主體結構施工并滿水實驗合格后，再開展毗鄰構筑物施工。基于總工期控制考慮，初步決定采用四個基坑分別圍護、同步實施，各基坑土方開挖及構筑物施工要先后有序、分步進行的方案。

2.3 基坑圍護方案調整、優化

隨著炭濾池下部結構的進展，發現如果按照原先的施工方案實施，毗鄰的提升泵房、后臭氧接觸池、回收水池三個單體，按原方案實施則存在一定安全隱患且無法確保按期完工。為此，經分析研究調整、優化方案如下：

（1）原濾池-3.0m混凝土傳力帶采用鋼筋混凝土構造措施，由于混凝土的養護時間處在關鍵線路上，調整為鋼支撐支護的形式，可以有效縮短工期。水平鋼支撐和土體加固平面圖如圖2所示，A-A及B-B剖面如圖3所示。

圖2 水平鋼支撐和土體加固平面圖

圖3 水平鋼支撐和土體加固剖面圖

（2）濾池圍護與回收水池以及提升泵房土體之間加固的措施，由原來單液水泥注漿，調整為水泥-水玻璃雙液注漿。水玻璃不但可以提高時效，亦可提高結石率（可達98%～100%），并且可提高結石的抗壓強度[3]。調整目的主要是提高水泥加固的早期強度，確保基坑間力的有效傳遞以及后續工序的提前介入。

（3）如圖4所示，調整基坑開挖工況之后的施工順序：考慮到基坑之間的受力平衡，科學設置換撐后方可展開后續施工。所謂換撐，指在穩定的條件下采用一定的技術措施來逐步取代內支撐結構體系，從而保證臨時內支撐拆除后，工程能安全保質地繼續施工，其實質是應力的安全有序的調整、轉移和再分配[4]。待活性炭濾池-3.0m層間板、管廊-2.86m換撐以及鋼支撐完成，同時活性炭濾池圍護結構與回收水池、提升泵房圍護結構之間土體加固完成并達到設計強度之后進行相鄰提升泵房、回收水池基坑開挖與后續結構施工。

圖4 基坑開挖順序對比圖

在提升泵房與回收水池基礎底板混凝土達到設計要求，滿足拆撐條件時（此處拆撐條件是指提升泵房與回收水池的底板混凝土并包含基礎換撐混凝土達到設計強度要求）方可進行拆撐。為節約工期特優化澆筑安排：將底板混凝土與換撐混凝土同時澆筑，并增大換撐混凝土與圍護結構的有效接觸面積使受力最優。從施工計劃安排來看，當時三個單體的支撐混凝土在同一施工階段澆筑的，所以拆撐的必須條件以底板與換撐混凝土強度控制為準。當底板與換撐混凝土同時達到設計強度時，具備拆撐的同時也創造了相鄰基坑同步平行施工的進度控制優勢。

后續提升泵房與回收水池混凝土支撐拆除與活性炭濾池的鋼支撐換撐拆除同步進行。至此，各基坑支撐體系全部拆除，分別按計劃開展后續施工。

2.4 理論計算分析

（1）加設臨時鋼支撐

當提升泵房基坑開挖深度達6.85m，產生的水土壓力通過頂撐傳遞到炭濾池基坑的懸臂支護結構，導致炭濾池基坑懸壁支護結構不穩定。

對炭濾池和提升泵房的圍護樁按雙排樁的模型進行模擬（見圖5和圖6），考慮雙排樁懸臂結構支擋提升泵房的水土壓力（三角形分布水土壓力），計算模擬施工荷載取30kP（據規范并結合施工現場情況選取）。根據計算結果，按雙排樁懸臂支護模型計算，支護結構位移不能滿足要求，如圖7所示。

圖5 結構圖（單位：mm）

圖6 計算簡圖（單位：m）

圖7 雙排樁計算結果簡圖

而實際工程中的，2排樁之間并未剛性連接，沒有形成雙排樁支護結構，且水土壓力不是三角形分布，而是頂部集中荷載，所以變形會更大。

為了控制基坑變形量，在炭濾池基坑懸臂支護結構中加一道臨時鋼支撐，目的控制基坑變形。按單排樁雙跨連續梁建模計算，連續梁設計（活性炭濾池基坑圍護樁懸臂）：

根據該工程基坑圍護計算結果，基坑頂圈梁最大支撐反力為200kN/m。

活性炭濾池基坑西側圍護樁樁徑?700mm，樁間距900mm，按連續梁計算，取梁截面600mm×600mm（面積約等于?700mm樁），取梁跨為3m+2m。

荷載：取梁端以下1m集中力200kN，取基坑圍護計算結果中的水土壓力和施工荷載20kPa產生的水平力，梁頂端為0kN，梁底端為65kN。為減少增設鋼支撐處的支座反力，取支座為彈性鉸支座，支座剛度300MN/m，梁（基坑頂）頂端位移控制在30mm以下。計算簡圖如圖8所示。

圖8 幾何尺寸及荷載標準值簡圖（單位：mm）

計算結果表明，結構安全，符合設計與規范要求，具體計算過程不再贅述。

（2）鋼連續梁計算(加設雙拼H型鋼鋼圍檁)

單根H型鋼荷載標準值取上述連續梁計算結果中支座反力的一半：615/2/1.27=242kN/m。

計算結果見表1～表4。

表1 端部H型鋼圍檁計算結果

表2 端部H型鋼圍檁各跨最大應力

表4 中間H型鋼圍檁各跨最大應力

（3）支撐壓彎構件強度與穩定計算（加設的鋼管支撐）

單根鋼管支撐荷載標準值取上述鋼連續梁計算結果中最大支座反力的兩倍1140.2×2/1.27=1795.6≈1800kN。鋼管支撐計算長度取最大長度14m。

按照《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010），《建筑結構荷載規范》（GB50009—2012），通過計算，構件穩定、強度均滿足要求。

繞X軸彎曲：

長細比:λx=66.75；

軸心受壓構件截面分類（按受壓特性）:b類；

軸心受壓整體穩定系數:?x=0.770；

最小穩定性安全系數:2.16；

最大穩定性安全系數:2.16；

最小穩定性安全系數對應的截面到構件頂端的距離:0.000m；

表3 中間H型鋼圍檁計算結果

最大穩定性安全系數對應的截面到構件頂端的距離：0.000m。

繞X軸最不利位置穩定應力按《鋼結構設計規范》（GB50017—2003）公式5.1.2-1。

式中：N為鋼管所受軸力，kN；?x為軸心受壓整體穩定系數；A為截面積，mm。

繞Y軸彎曲：

長細比:λy=66.75。

軸心受壓構件截面分類（按受壓特性）：b類。

軸心受壓整體穩定系數：?y=0.770。

最小穩定性安全系數：2.16。

最大穩定性安全系數：2.16。

最小穩定性安全系數對應的截面到構件頂端的距離：0.000m。

最大穩定性安全系數對應的截面到構件頂端的距離:0.000m。

繞X軸最不利位置穩定應力按《鋼結構設計規范》（GB50017—2003）公式5.1.2-1。

式中：N為鋼管所受軸力，kN；?y為穩定系數；A為截面積，mm2。

強度信息：

最大強度安全系數：2.80。

最小強度安全系數：2.80。

最大強度安全系數對應的截面到構件頂端的距離：0.000m。

最小強度安全系數對應的截面到構件頂端的距離：0.000m。

計算荷載：2286.00kN。

受力狀態:軸壓。

最不利位置強度應力按《鋼結構設計規范》（GB 50017—2003）公式5.1.1-1。

式中：N為鋼管所受軸力，kN；A為截面積，mm2。

3 施工與后期監測

基坑圍護施工嚴格按照優化后的方案，圍繞炭濾池施工這一關鍵工序全面展開。在增加下部支撐、調整工序以及壓密注漿等措施后，回收水池頂板混凝土于2021年3月28日完成混凝土澆筑，比原計劃提前了60d。提升泵房基礎于2021年2月2日完成混凝土澆筑，比原計劃提前了50d。

同時，施工期間請有資質的監測單位開展了沉降、位移等監測，如圖9所示，監測內容為：圍護結構墻頂位移、立柱垂直位移、地表沉降、坑外土體深層水平位移、圍護墻深層水平位移、坑外潛水水位、支撐軸力、周邊環境監測等。表5、表6、表7為設置鋼支撐1周后的典型日報數據，從監測數據分析看，日變化量數據及累計位移數據均在設計允許范圍內，未發生報警，且符合基坑圍護變形的一般規律：圍護結構的水平位移隨著深度增加而增大，到一定深度又逐漸減小；并隨著時間增加逐漸變小，最終趨于穩定。

表6 CX6墻體側向水平位移

表7 圍護樁頂監測報表

圖9 碳濾池監測點位平面布置圖

表5 CX5墻體側向水平位移

4 結 語

該工程調整的圍護結構所涉及到的鋼支撐施工，圍護體系中間土體加固，支撐的同步拆除，相鄰結構的同步實施等。確保了工程得以按調整的計劃有序開展，工程質量、安全、工期得到了保證，為通水節點目標的實現創造了先決條件。