多級支護在軟黏土地區排澇工程基坑中的應用

劉富達

(深圳市水務工程質量安全監督站,廣東 深圳 518000)

1 工程概況

橋頭片區排澇工程中擬建上寮河口泵站位于寶安大道以西舊箱涵西南側、上寮河與萬豐河之間的河間地塊，現狀有雜填土大面積堆積，大部分地表已被附近村民開墾為連片菜地或是水田地，堆積有棄渣填土的場地地面高程5.9～7.8m，靠近上寮河堤岸的帶狀場地地面高程3.2～4.2m，兩岸堤頂高程2.8～3.6m，堤頂斷續開墾為菜地。河底深泓高程-0.3～-1.0m。現狀水閘頂高程3.6m，箱涵頂高程3.2m，泵站結構示意圖如圖1所示。

圖1 上寮河口泵站結構及位置示意圖

1.1 周邊環境

基坑東北側為現狀河道，基坑東南側為二期擬改造箱涵；基坑西南側為村民菜地。二期基坑在一期基坑基礎上，對擬改造箱涵范圍進行圍閉，南側接老箱涵，東側為寶安大道。周邊環境圖如圖2所示。

圖2 上寮河口泵站結構周邊環境圖

1.2 工程地質條件

場區從上至下主要分布有人工填土、全新統沖湖積物及上更新統沖積層。和工程相關的土層的具體埋藏條件和特征見表1。

表1 基坑影響深度范圍內土層參數表

人工填土：素填土為主，夾部分雜填土。表層素填土主要為寶安大道地鐵開挖棄土，雜填土主要為建筑余泥、磚塊等垃圾。填土在場地內大面積分布，堆填時間不長。層厚約2～5.5m。河涌兩岸堤身分布素填土，灰色-灰黃色，以粉質黏土夾淤泥質土為主，厚約3m，軟可塑狀。

淤泥、夾砂淤泥、淤泥質土：成分以粉黏粒為主，夾粉細砂、中細砂，軟塑-流塑狀，上游局厚度略大，厚約2.5～3.3m。

泥質中細砂、淤泥質中粗砂：成分主要為中細砂及黏粒，局部夾中粗砂。飽和，一般為松散狀，標貫擊數一般為4～6擊。該層分布不連續，層厚一般1.7～2.8m。

花斑黏土：花斑色，呈褐紅夾淺白、灰黃條紋狀，主要成分為黏粒，鉆孔取芯切面光滑，該層下(底)部局部為粉質黏土或夾較多砂粒。軟塑～可塑狀，層厚約1.2～4.9m。

夾砂粉質黏土：灰白-淺灰色、褐黃色，主要成分為中粗砂、中細砂粒，次為粉粒，該層分布不連續，呈透鏡體狀，屬上覆③-1花斑黏土與下伏砂層或殘積土之間的過渡層。層厚約1.5～3.0m。

1.3 水文地質條件

工程區內的地表水系主要有排污溝、排澇河(上寮河、新橋河、潭頭河)、衙邊涌及下游的茅洲河。地下水類型主要有賦存在第四系覆蓋層中的孔隙性潛水和賦存在下伏基巖中的基巖裂隙水。孔隙性潛水和基巖裂隙水常具有統一的地下水位。地下水的主要補給來源為大氣降水[5]，從地表垂直下滲補給覆蓋層中的孔隙性潛水和基巖中的裂隙水，其中孔隙性潛水埋藏較淺，埋深1～4m。由于茅洲河直接入海，上游支流及排澇河均受潮汐影響，漲潮時對片區內地下水的補給、排泄及水位、水量變化均造成一定影響。階地沖積層(Q3al)下部砂層，由于含泥量較高、粒徑偏小且固結程度較高，滲透性相對較低，含水量少且分布不連續，未形成孔隙性承壓水。

2 工程特點

結合場地周邊環境和工程地質條件以及水文地質條件，進行總結后發現此泵站基坑有以下的特點：

(1)屬于深大基坑工程；在基坑開挖無內支撐施工具有一定的空間效應[6]。

(2)基坑的東北側為現狀河道。

(3)基坑南側后期改造箱涵

(4)基坑側壁不僅有交互的粉細砂土和軟黏土，易發生滲透破壞，軟黏土的承載力較低。

結合以上基坑的主要特點，圍繞設計方案進行深化研究，綜合分析和對比設計方案的經濟、技術、時間和施工作業難度，確定了均衡各方面需求和優勢的分段多級聯合支護體系的設計方案，該支護體系平面圖和典型剖面如圖3—4所示。基坑輪廓整體呈長條形，南北向較長，長寬分別約為173、51m。基坑開挖深度達16.68m，

圖3 上寮河口泵站基坑平面布置圖

分段多級支護體系結合基坑東側既有河道和西側二期改造箱涵的特點，將基坑工程劃分為：①基坑東側做雙排鉆孔灌注樁;②西側為雙排或單排鉆孔樁兼鋼板樁-鋼管支撐的箱涵基坑體系;③北側做水泥攪拌樁圍堰;④南側單排樁鏈接泵站進水口的四面分段式多級支護體系。

圖4 上寮河口泵站基坑典型剖面圖

3 分段多級支護體系設計

3.1 東側支護

東北側由于既有河堤的存在，為了防止開挖對河堤的影響，利用扶壁式擋墻對河堤壩進行加固，防止因基坑開挖引起堤壩的基底穩定性。擋墻與排樁間做回填6%的水泥土。同時由于坑底為泥質中西沙和軟黏土的交互錯層，防止河流地下水系發生管涌，做了雙排鉆孔灌注樁進行加固。坑內側在灌注樁間做了噴樁樁咬合，起到了側向止水止淤的效果。由于北側為既有河道的下游，作為泵站的后期出水口于此交匯，考慮經濟適用，做了水泥土攪拌加固止水。

3.2 西側支護

西側暨基坑平面正南側作為后期改造箱涵，為保證基坑整體的穩定性，又由于箱涵改造是小型明挖工程，使用工期較短，為了方便后期拆除和節約建造成本，故在箱涵間插入一定間距的拉森鋼板樁，雙排鋼板樁之間通過鋼管間距3m，直徑0.327m橫拉連接，形成臨時支護體系，底部做碎石回填。鋼板樁插入粉黏土層5m以上。

西南側為現狀農民菜地。花斑軟黏土分布較深厚，做了雙排鉆孔灌注樁加固，排樁間距6m，內側做粉噴樁咬合止水。

3.3 綜合分析

總結結合場地的工程地質條件和地下結構的復雜性，由于總體開挖不深，但是泵站地下廠房復雜，后期換撐不便，基坑開挖面較大，這種分段式多級支護體系很好的減少了內支撐的使用而控制了基坑的變形，節約了成本。

4 有限元分析

PLAXIS有限元分析軟件是用于解決巖土工程的通用的一款有限元分析軟件。小應變硬化模型為其中一種土體本構模型，該模型為等向硬化彈塑性模型，即適用于軟土也適用于較硬土層[7]。將計算模型的兩側邊界限制其法向位移，上邊界為自由邊界，底部邊界全約束。取5倍左右開挖深度為基坑模型的邊界距離，模型大小取為200m×50m。其中土體采用15節點土體單元模擬，用界面單元模擬土體和結構間的相互作用。鉆孔樁采用樁單元進行模擬。鋼板樁用板單元模擬，樁間鋼管撐采用錨桿單元模擬[8]。所選計算斷面有限元模型如圖5所示。結構構件的計算參數見表2。

圖5 基坑所選斷面有限元模型圖

表2 結構構件計算參數

基坑開挖的過程，隨著泵站基坑開挖至坑底，此時土體臨空面及卸荷量達到最大，由于沒有內支撐，鉆孔樁懸臂最大，此時支護結構體系將受周邊的土體荷載和水荷載壓力最大，支護結構處于最大負荷狀態。隨著二期改造箱涵的開挖，至坑底時此時基坑的支護結構體系受力達到最大，選取兩基坑開挖至坑底時的最不利工況進行分析。如圖6—7所示。

圖6 基坑開挖至坑底時各部位水平位移圖

基坑水平最大位移發生開挖至基坑底時，發生在泵站基坑單排鉆孔灌注樁側樁頂。垂直方向上位移最大發生在泵站基坑底；水平最大位移是由于泵站基坑的開挖，使得坑兩側土體向內擠壓，右側收擋土墻和雙排樁的支護，土壓力傳遞較小，而左側由于開挖至坑底后箱涵基坑的開挖，使得泵站基坑左側的土體反復擠壓和卸荷，變形達到最大；而垂直方向最大位移發生在泵站基坑坑底，這是由于基坑開挖面過大，坑底的軟黏土發生隆起擠壓。水平方向上最大位移為53mm，垂直方向上最大位移為30mm。泵站基坑左側樁體最大水平位移為53mm，箱涵基坑右側樁體最大水平位移為19mm。均在監測允許范圍內。說明此中支護體系得到了很好的節約成本和控制開挖變形的效果。

圖7 基坑開挖至坑底時的垂直位移云圖

5 變形監測

監測的主要項目包括地表沉降、建筑物及地下管線變形、水位觀測、樁頂水平位移及沉降、樁體測斜等量測。對開挖至基坑坑底時各最大變形處的監測值見表3。在整個開挖過程中遇到以下情況監測要預警：

表3 開挖至坑底監測數據極值表

(1)支護樁頂部水平位移、豎向沉降允許值為不大于60mm，預警值為48mm，或連續3d變形速率超過3mm/d。周邊道路地面沉降允許值為60mm，預警值為50mm或連續3d超過6mm/d。周邊管線位移及沉降允許值應按相應管線主管部門的變形要求控制，一般管線按10～30mm控制，連續3d超過3mm/d應預警。

(2)周邊建筑物沉降監測應根據各建筑要求進行。

(3)對深層水平位移(測斜)，若平滑曲線上出現明顯拐點時，即可預警，或連續3d變形速率超過3mm/d；

選取兩基坑開挖至坑底時，各自最大水平位置和垂直位移對比模擬和監測值，發現監測值和模擬值基本吻合，監測小于模擬值。

6 結論

橋頭片區排澇整治工程中的上寮河泵站箱涵高低水分離改造的基坑由于場地周邊環境復雜,起著保護既有河道、改造箱涵和建設地下泵站的多重作用，采用分段多級支護體系。

借助Plaxis 2D有限元模型計算，模擬了上寮河泵站基坑的在不同工況下其特征基坑支護剖面的變形位移。對比開挖過程中基坑的監測數據，與實際監測數據的變形接近擬合。為類似河道附近泵站基坑開挖換撐不便，對河堤變形和止水止淤要求高的泵站基坑提供了一種分段多級支護體系設計與施工技術作為參考。值得注意的是，相比強樁弱錨的支護高成本，在濱海地區目前可回收式內支撐如預應力魚腹梁支撐體系可很好地解決這一問題。