三排支護樁在天生河泵站軟土基坑工程中的應用

張繼芳，向 毅，李 匆，付 明，雷彩秀，劉萬浩

（湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064）

1 工程概況

天生河泵站為廣東省珠海市斗門區白蕉聯圍排澇整治工程中新建的一宗大（2）型排澇泵站,泵站設計流量為58 m3/s,裝機功率為2750 kW,裝機臺數為5 臺,采用全貫流潛水軸流泵。站址位于天生河入磨刀門水道河口處、現狀天生河水閘右側。泵站施工期間需保證天生河水閘的安全穩定和正常運行,受既有水閘及場地用地條件的限制,基坑緊臨水閘側難以采用傳統的放坡開挖方案,需采用支護結構,且支護高度及難度較大,一旦失事將會造成嚴重影響。原設計基坑支護方案為雙排樁支護結構,安全等級為一級。施工過程中因排樁坑內土體加固區內含有分布不規律埋石及砼塊,影響水泥土攪拌樁的正常施工,經補堪研究,決定增加一排坑內支護樁,避開加固區埋石影響,與既有雙排樁一起,形成三排支護樁結構體系,確保基坑安全。

2 支護方案

泵站基坑底高程最深處為-4.4 m（黃基,下同）,坑頂左岸臨水閘側引堤高程為5.0 m,坑頂右岸側地面高程約為2.0 m,基坑最大開挖深度接近10 m,場地淤泥（質）軟土層底板高程最深達-38.0 m。右岸場地不受限且無其他建筑物,可采用放坡開挖。左岸臨水閘側因場地受限且不得影響現狀天生河水閘安全和正常運行,需采取支護結構,支護結構所在處軟土層平均厚度約為30 m,原設計對支護結構經比選分析后采用了雙排護壁樁方案,樁體截面為500 mm×500 mm,樁底高程為-32.45 m,前后排距為8 m,樁頂引堤處地面高程由原5.0 m卸載開挖至2.5 m,排樁坑內側5 m 寬范圍內采用格柵式水泥土攪拌樁進行加固,基坑坑底及前后排樁間土體采用滿堂紅布置的水泥土攪拌樁散樁加固軟土,樁基施工作業面高程為0.0 m,待水泥土攪拌樁樁體強度滿足設計要求后再開挖坑內土體。原雙排樁基坑支護方案斷面見圖1。

圖1 原雙排樁基坑支護方案斷面圖

施工過程中,施工單位在施工完雙排樁后,進行排樁附近坑內加固區格柵式水泥土攪拌樁及坑底散體攪拌樁施工時出現難以鉆進的情況。經補充勘探分析,受影響的部位大多均位于原堤身,為原堤防及天生河水閘施工時的基坑道路所填塊石或砼塊,層頂標高-0.05 m～-3.0 m,層底標高-0.25 m～-4.4 m,層厚0.20 m～1.4 m,平均厚度0.85 m。由于分布范圍廣,局部深度較大,翻挖換填存在一定安全隱患,且延誤工期,如何在現狀條件下充分利用既有雙排樁支護體系,成為方案調整的關鍵因素。經研究決定,取消受影響范圍內的水泥土攪拌樁,新增第三排護壁樁,與第二排樁的樁距為10 m,樁頂高程為-1.0 m,樁底高程為-32.45 m,并通過連系梁及腰梁與既有雙排樁結合在一起,形成三排支護樁結構體系,分級支擋來確保基坑安全[1-2]。其中連系梁的間距為3 m,連系梁及腰梁與第二排樁的連接是設計重點,一定要確保連接牢固才能形成整體支護體系。調整后三排樁基坑支護方案斷面見圖2。

圖2 調整后三排樁基坑支護方案斷面圖

3 有限元計算復核

采用巖土專業有限元分析軟件Midas/GTS 軟件進行二維數值分析。土體本構模型采用修正摩爾-庫倫理論,使用二維平面應變單元進行數值模。樁采用一維梁單元模擬,坑內土彈簧采用曲面彈簧模擬,坑外土壓力及坑內初始土壓力直接分別加載在后排樁和前排樁上。整體模型見圖3。

圖3 有限元計算模型

按照實際施工工況,利用有限元軟件的網格組激活與鈍化功能進行模擬。模擬施工過程為第一步：自重應力場,位移清零；第二步：增加三排砼板樁及連梁,位移清零；第三步按坑內預留反壓土,開挖至基坑底。邊界條件：在模型的外圍施加法向的位移約束,樁底部設置為豎向約束[3]。具體工況及相應計算成果見圖4。

圖4 三排支護樁結構體系有限元位移內力計算成果

基坑穩定計算采用理正深基坑軟件,選擇基于增量法的雙排樁模型,通過對樁體施加線彈簧和轉角彈簧約束及坑底處施加分布力等,模擬三排樁支護體系的實際受力情況[4-5]。由于坑內反壓體的寬度范圍有限,難以計算其產生的水平方向的分布力大小及分布規律,所以偏安全考慮只計算其產生的垂直分布力,垂直分布力可按土力學中路基荷載計算,即等于單位面積上該計算點以上土柱的有效重度與土柱高度的乘積。理正排樁支護體系穩定計算結果見表1。

表1 理正排樁支護體系穩定計算成果

根據支護結構體系位移及內力計算結果可知,開挖至坑底時三排支護樁的整體位移略偏大,約8 cm～12 cm,但樁身計算彎矩均沒有超過樁體抗裂彎矩值。另外,根據支護結構體系穩定性計算成果,其最不利工況下抗傾覆、整體穩定性、抗隆起穩定系數均滿足規范要求。因此,設計認為該三排樁支護體系是滿足工程安全要求的,現場按調整后的三排樁支護方案進行施工。

4 監測數據分析

施工過程中由第三方監測單位對基坑安全進行全過程監測,具體監測項目及相關要求見表2。

表2 基坑監測技術要求

基坑工程監測期從基坑施工前開始,直至基坑回填為止,共137 天、共監測53 期。

4.1 樁頂沉降及位移

監測數據顯示：樁頂沉降52 個監測點的累計沉降量介于6.0 mm～8.9 mm 之間,樁頂位移52 個監測點的累計變化量介于9.0 mm～17.9 mm 之間。在基坑開挖階段各監測點累計沉降量及位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩定。

4.2 坡頂沉降及位移

監測數據顯示：坡頂沉降13 個監測點的累計沉降量介于5.7 mm～7.4 mm 之間,坡頂位移13 個監測點的累計沉降量介于7.6 mm～9.7 mm 之間。各監測點在基坑開挖階段累計沉降量及位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩定。

4.3 樁后地表位移

監測數據顯示：樁后地表位移3 個監測點的累計位移量介于8.9 mm～10.8 mm 之間。各監測點在基坑開挖階段累計位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩定。

4.4 地下水位

監測數據顯示：地下水位7 個監測點的累計變化量介于-65 mm～85 mm 之間。監測點地下水位總體變化較小,監測結果表明所測區域基坑水位穩定。

4.5 深層水平位移

監測數據顯示：深層水平位移9 個監測點的累計位移量介于0 mm～7.6 mm 之間。各監測點在基坑開挖階段累計變化量未超出報警值,后期變化量趨于穩定。

4.6 監測結論

通過對基坑樁頂沉降、樁頂位移、坡頂沉降、坡頂位移、樁后地表位移、地下水位、深層水平位移,得出各監測項目累計變形量及各期變形速率均未超出報警值,基坑支護工程支護結構在基坑開挖至回填過程中總體穩定,基坑開挖施工對周邊環境影響較小。

5 結論

（1）當前城鄉排澇泵站工程的建設,受既有水閘及周邊用地條件的限制,多采用基坑支護以減少傳統放坡開挖帶來的不利影響。由于站址多位于河口附近,且臨近既有水閘,場地廣泛分布深厚的淤泥（質）軟土層,基坑開挖深度大,基坑支護結構設計難度較大,需引起高度重視。

（2）本工程案例中結合基坑周邊環境條件,左岸臨水閘側采用雙排樁支護結構,右岸側采用放坡開挖。施工過程中因雙排樁內側坑內加固區含有埋石及砼塊,影響了加固區水泥土攪拌樁的正常施工,為了充分利用既有雙排樁支護結構體系,新增了第三排護壁樁,并通過連系梁與既有雙排樁結合在一起,形成三排支護樁結構體系,分級支擋來確保基坑安全。根據理論計算及現場監測和施工結果來看,本工程基坑支護方案是可行和成功的,具有很好的借鑒作用。現天生河泵站已經完建具備運行條件,即將全面發揮綜合效益。