廈門市北溪引水主干渠改造工程基坑及圍護設(shè)計

許勵耕

（廈門市市政建設(shè)開發(fā)有限公司，福建 廈門 361008）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，建筑高度不斷增加，隨之而來的基坑工程也逐漸加深、加大、加難。為滿足建構(gòu)筑物地下結(jié)構(gòu)的施工條件以及滿足對基坑周圍既有建構(gòu)筑物的保護，而采取的對基坑側(cè)壁的支擋和加固措施統(tǒng)稱為基坑支護[1]。深基坑支護通常采用圍護墻+拉錨的主動支護體系以及圍護墻+內(nèi)支撐的被動支護體系[2]。

隨著城市的建設(shè)和發(fā)展，大型深基坑工程越來越多，對于復(fù)雜的深大型基坑，單一的普通基坑支護方式已不能完全保證在復(fù)雜地區(qū)基坑支護的經(jīng)濟合理性[3]。近年不少研究學(xué)者通過針對工程中應(yīng)對不同的基坑幾何尺寸和周邊環(huán)境條件，分別采取多種基坑支護形式聯(lián)合支護應(yīng)用，并對其支護效果進行了部分的經(jīng)驗交流及探討，這些具體工程中的應(yīng)用均取得了較好的工程效果，也為類似工程提供了相關(guān)的參考意義[4-5]。

本文以北溪引水主干渠改造工程基坑及圍護設(shè)計為例，對深基坑支護結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)變形進行分析研究。

1 工程概況

本項目主要建設(shè)內(nèi)容為北溪引水主干渠改造工程（馬鑾灣新城段），設(shè)計流量為16 m3/s（即138.2 萬t/d），標(biāo)準(zhǔn)斷面（內(nèi)凈尺寸）為兩孔B×H=4.3×4.5（m）的箱涵，起于規(guī)劃過蕓溪濕地公園西側(cè)，沿孚蓮東二路與環(huán)灣大道向東延伸，途徑下尾、貞岱、陳井、地鐵4 號線、灌新路、浦林，終于深青溪東側(cè)，主要布置于蓮東二路與環(huán)灣大道北側(cè)的規(guī)劃綠地內(nèi)，全長約5.746 km（見圖1）。

圖1 工程總平面布置圖

2 工程地質(zhì)條件

擬建主干渠沿線地層主要由人工填土層、第四系全新統(tǒng)海積淤積層、沖洪積層和第四系殘積層組成。基底為燕山晚期各風(fēng)化帶中粗粒花崗巖。巖性自上而下主要為：素填土、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。土層物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

擬建場地地下水主要賦存和運移于素填土、中粗砂的孔隙及殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖、砂礫狀強風(fēng)化花崗巖的孔隙、網(wǎng)狀裂隙和碎塊狀強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖的裂隙中。素填土中的地下水屬上層滯水，其余各層中的地下水類型總體屬潛水～承壓水。

3 基坑支護設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

本工程中標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護結(jié)構(gòu)失效、土體過大變形對基坑周邊環(huán)境和主體結(jié)構(gòu)施工安全影響嚴重，屬二級基坑；倒虹段基坑支護結(jié)構(gòu)失效、土體過大變形對基坑周邊環(huán)境和主體結(jié)構(gòu)施工安全影響很嚴重，屬一級基坑。

本工程基坑周圍環(huán)境沒有明確的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)段環(huán)境保護等級為三級，倒虹段環(huán)境保護等級為二級。

二級基坑支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為：0.3%H，三級基坑支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為控制值為：0.7%H。基坑參數(shù)見表2。

表2 基坑參數(shù)

3.2 方案比選

本工程在周圍環(huán)境條件允許的情況下，采用放坡開挖法作業(yè)。由于工程范圍較大，部分區(qū)域沒有放坡條件，結(jié)合福建市水利工程常規(guī)的類似基坑圍護處理方式，對本工程圍護結(jié)構(gòu)提出以下方案進行比選，基坑支護方案的特點對比見表3。

表3 基坑支護方案對比

本工程部分箱涵段基坑由于距離道路較近，基坑圍護的形式應(yīng)在能保證安全性和經(jīng)濟性的同時盡可能減少土地占用。根據(jù)以上對比方案，從經(jīng)濟性角度考慮，放坡開挖具有明顯優(yōu)勢，因此箱涵基坑開挖優(yōu)先選擇放坡開挖的形式。部分箱涵放坡開挖觸及工程紅線的，需要考慮支護后開挖。

擬建主干渠大部分區(qū)段位于在建孚蓮東二路和環(huán)灣大道北側(cè)。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，孚蓮東二路、環(huán)灣大道及兩條道路下方的綜合管廊正在施工。因此，基坑施工時需注意對道路及綜合管廊的保護。

本工程箱涵長距離施工，考慮圍護結(jié)構(gòu)的可行性及經(jīng)濟性，在具備放坡開挖條件的區(qū)域采用放坡開挖的方式進行施工；不具備開挖界面時采用板式支護體系＋內(nèi)支撐的方式進行施工；過河段擬采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水進行基坑支護，兼有未來保護倒虹吸功能。

基坑及圍堰平面布置見圖2。

圖2 基坑及圍堰平面布置圖

3.3 圍護設(shè)計

3.3.1 開挖邊線內(nèi)無建構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)段

開挖邊線內(nèi)無建構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)段箱涵采用開挖放坡方案進行施工，基坑底寬10 m，底標(biāo)高-2.30 m，兩側(cè)分別按1∶1.5 兩級放坡，一級坡的水平長度為5.40 m，豎向長度為3.60 m，二級坡的坡頂至現(xiàn)狀地坪標(biāo)高。兩級坡間設(shè)置3m 寬馬道。放坡坡面采用掛φ8@20×20 鋼筋網(wǎng)噴8 cm 厚C20 混凝土進行邊坡支護。在坡頂和坡底各設(shè)一條30×30 排水溝，坡后設(shè)置攪拌樁樁隔水帷幕以防止坑外滲水進入坑內(nèi)。坡底設(shè)置間距30 m 的降水管井，水位降至基底1 m以下。

3.3.2 周圍有構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)段

當(dāng)周圍有構(gòu)筑物沒有開挖條件時，采用SP-四型單排拉森鋼板樁+兩道內(nèi)支撐的圍護方案。標(biāo)準(zhǔn)段引水箱涵設(shè)計坑底高程為-2.910～-3.156 m，基坑深度6.410～7.156 m。鋼板樁為拉森IV 型鋼板樁，樁長15 m；兩道內(nèi)撐均為φ500×14 鋼管樁支撐，支撐長度11.6 m，兩側(cè)通過鋼圍檁與鋼板樁相連。圍檁型號為雙排500×300×11×18 工字梁。箱涵底端兩側(cè)現(xiàn)澆800 mm 厚C35 傳力帶。

3.3.3 倒虹段

倒虹段引水箱涵設(shè)計基坑的底標(biāo)高為-5.40～-5.60 m，基坑深度8.90～9.90 m。擬采用φ800 鉆孔灌注樁+兩道內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)。該方案采用鉆孔灌注樁作為基坑支擋，樁長23 m，以單排樁型式布置，樁間設(shè)φ800 鉆孔灌注樁，間距1 000 mm。灌注樁后單排φ850@ 600 mm 水泥土攪拌樁止水，樁長15 m，使排樁具備擋水功能。工程完工后臨時支護不拆除，作為保護倒虹結(jié)構(gòu)的安全結(jié)構(gòu)。上層內(nèi)撐采用800×800 的C30 鋼筋混凝土撐，通過C30 鋼筋混凝土頂圈梁與灌注樁連接。下層內(nèi)撐采用φ609×16 鋼管撐，通過900×1 100 的C30 鋼筋混凝土圍檁與灌注樁相連。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)計算

3.4.1 放坡開挖整體穩(wěn)定復(fù)核

本工程按照《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013）的相關(guān)規(guī)定，根據(jù)地質(zhì)勘察報告提供的土質(zhì)物理力學(xué)指標(biāo)對各施工斷面在正常運用條件、施工期條件以及地震期條件下的抗滑穩(wěn)定進行計算，計算采用瑞典圓弧法，計算時，對凝聚力和內(nèi)摩擦角，采用快剪指標(biāo)。

計算方法如下：堤坡穩(wěn)定計算按瑞典圓弧滑動法計算，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，施工期、水位降落期采用總應(yīng)力法，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法進行。

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算

水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計算

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計算

式中：b 為條塊寬度，m；W 為條塊重力，kN，W=W1+W2+γwZb，W1為在堤坡外水位以上的條塊重力，kN；W2為在堤坡外水位以下的條塊重力，kN；Z 為堤坡外水位高出條塊底面中點的距離，m；u 為穩(wěn)定滲流期堤身或堤基中孔隙壓力，kPa；ui為水位降落期堤身的孔隙水壓力，kPa；β 為條塊重力線與通過此條塊底面中點的半徑之間的夾角，°；γw為水的重度，kN/m3；Cu、φu、Ccu、φcu、C＇、φ＇ 為土的抗剪強度指標(biāo)，kN/m3。

考慮有滲透水壓力作用，采用簡化的有效應(yīng)力計算。計算滑動力時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用飽和容重；計算抗滑力時，浸潤線以下、靜水位以上的土體采用浮容重；浸潤線以上的土體采用濕容重，靜水位以下的土體采用浮容重。

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013），各條件下的邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值見表4。計算工況參數(shù)見表5。

表4 邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值

表5 邊坡穩(wěn)定計算工況表

考慮到本工程新建箱涵長度較長，對沿線每個鉆孔不同土層進行邊坡整體穩(wěn)定計算，計算結(jié)果如圖3，可見各斷面在施工工況和地震工況下的計算值都大于標(biāo)準(zhǔn)值，滿足要求。

圖3 放坡開挖邊坡整體穩(wěn)定計算圖

3.4.2 鋼板樁基坑圍護結(jié)構(gòu)計算

選取各典型斷面進行計算。計算斷面見表6。

表6 基坑典型計算斷面表

通過表7 計算結(jié)果表明圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值均在控制范圍內(nèi)，滿足《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50286—2013）的要求。

表7 基坑圍護變形匯總表

通過圖4 和圖5 計算得到基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆性、抗隆起及抗管涌都能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

圖4 基坑計算系數(shù)對比圖

圖5 基坑墻底抗隆起系數(shù)對比圖

3.4.3 灌注樁基坑圍護結(jié)構(gòu)計算

選取各典型斷面進行計算，計算斷面見表8。

表8 基坑典型計算斷面表

通過表9 的計算結(jié)果表明圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值均在控制范圍內(nèi)，滿足《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50286—2013）的要求。

表9 基坑圍護變形匯總表

通過圖6 和圖7 計算得到基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆性、抗隆起及抗管涌都能滿足規(guī)范規(guī)定的要求。

圖6 基坑計算系數(shù)對比圖

圖7 基坑墻底抗隆起系數(shù)對比圖

3.5 基坑圍護降水減壓設(shè)計

根據(jù)擬建場地地質(zhì)特征，在基坑頂和±1.0 m 平臺設(shè)置輕型井點進行超前降水。以提高土體抗剪強度，并改善施工條件。降水標(biāo)高控制在坑底面以下約0.5～1.0 m（嚴禁過量降水），超前降水時間不宜小于20 d，降深盡可能地均勻。

抽水系統(tǒng)安置完畢后，應(yīng)進行試抽，達到要求后方可轉(zhuǎn)入正常抽水，除遇特殊情況外，一般應(yīng)連續(xù)工作。抽水期間，應(yīng)做好各種記錄，并與監(jiān)測單位密切配合，遇有情況應(yīng)立即請示業(yè)主及有關(guān)單位，及時協(xié)商并解決。基坑開挖期間應(yīng)每天測報抽水量及坑內(nèi)地下水位。

降水期需加強地面沉降及坑外地下水位監(jiān)測，并記錄相應(yīng)的抽水量。同時設(shè)回灌井，當(dāng)坑外水位降低較多時，宜采取回灌措施。降水井示意圖見圖8。

圖8 降水井示意圖

3.6 基坑圍護降水減壓設(shè)計

3.6.1 監(jiān)測點布置基本要求

（1）基坑每一開挖段（約15 m）應(yīng)設(shè)有一組變形監(jiān)測點，監(jiān)測墻頂水平位移和墻頂沉降。

（2）當(dāng)圍護體系出現(xiàn)肉眼可見裂縫時，宜及時布置監(jiān)測點，宜在裂縫中部和兩端各布置裂縫寬度監(jiān)測點。

（3）圍護墻側(cè)向變形監(jiān)測點宜布置在圍護墻中間部位，布置間距宜為20～50 m，每側(cè)邊監(jiān)測點至少1個，監(jiān)測點布置深度宜與圍護樁入土深度相同。

（4）基坑外地下水位監(jiān)測點宜布置在鄰近旋噴樁施工搭接處、轉(zhuǎn)角處、相鄰建（構(gòu)）筑物處、地下管線相對密集處等，并宜布置在止水帷幕外側(cè)約2 m 處；

（5）基坑內(nèi)地下水位監(jiān)測點宜布置在相鄰降水井近中間部位，其中潛水水位觀測管埋置深度不宜小于基坑開挖深度以下3 m；

（6）基坑周圍地表沉降，每一開挖段應(yīng)設(shè)一測量斷面，每一測量斷面在垂直基坑方向兩倍坑深范圍內(nèi)宜布設(shè)4～6 個沉降測點，每個開挖段土坡的坡頂上應(yīng)設(shè)2 個位移監(jiān)測點。

（7）鄰近建筑物的水平和豎向位移監(jiān)測點應(yīng)布置在基礎(chǔ)類型、埋深和荷載有明顯不同處及沉降縫、伸縮縫以及新老建筑連接處的兩側(cè)，且建筑物角點和中點應(yīng)布置測點，沿周邊布置間距宜6～20 m，且每邊不應(yīng)少于3 個；

（8）管線監(jiān)測點間距宜為15～25 m，設(shè)置的垂直和水平位移監(jiān)測點宜為共用點。

3.6.2 監(jiān)測頻率及報警值

在每個測試項目受基坑開挖施工影響之前，必須測得各項目的初始值。主槽開挖期，每2 d 監(jiān)測1次，遇臺風(fēng)、暴雨等異常情況應(yīng)每天監(jiān)測不少于1次；監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值而小于允許值時，每天監(jiān)測不少于1 次。水工結(jié)構(gòu)及景觀綠化施工期，每月一次頻率監(jiān)測直至工程竣工，遇臺風(fēng)、暴雨等異常情況應(yīng)每周監(jiān)測不少于2 次。竣工后每三個月一次頻率，直至不發(fā)生位移沉降變形保持1 a 以上。

二級基坑支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為：0.3%H，三級基坑支護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為控制值為：0.7%H。

4 結(jié)論

本文以北溪引水主干渠改造工程為實例，通過不同支護方案比選并結(jié)合基坑周圍具體情況，對基坑支護結(jié)構(gòu)進行分段設(shè)計。在具備放坡開挖條件區(qū)域采用放坡開挖的方式進行施工；不具備開挖界面時采用板式支護體系＋內(nèi)支撐的方式進行施工；過河段擬采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水進行基坑支護，同時兼有未來保護倒虹吸功能。