廈門市北溪引水主干渠改造工程基坑及圍護設計

許勵耕

（廈門市市政建設開發有限公司，福建 廈門 361008）

0 引言

隨著國民經濟的發展，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。為滿足建構筑物地下結構的施工條件以及滿足對基坑周圍既有建構筑物的保護，而采取的對基坑側壁的支擋和加固措施統稱為基坑支護[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+內支撐的被動支護體系[2]。

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

本文以北溪引水主干渠改造工程基坑及圍護設計為例，對深基坑支護結構及結構變形進行分析研究。

1 工程概況

本項目主要建設內容為北溪引水主干渠改造工程（馬鑾灣新城段），設計流量為16 m3/s（即138.2 萬t/d），標準斷面（內凈尺寸）為兩孔B×H=4.3×4.5（m）的箱涵，起于規劃過蕓溪濕地公園西側，沿孚蓮東二路與環灣大道向東延伸，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，主要布置于蓮東二路與環灣大道北側的規劃綠地內，全長約5.746 km（見圖1）。

圖1 工程總平面布置圖

2 工程地質條件

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化帶中粗粒花崗巖。巖性自上而下主要為：素填土、淤泥質土、粉質黏土、中粗砂、殘積砂質黏性土、全風化花崗巖、砂礫狀強風化花崗巖、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖。土層物理力學性質如表1 所示。

表1 土層物理力學性質

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黏性土、全風化花崗巖、砂礫狀強風化花崗巖的孔隙、網狀裂隙和碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖的裂隙中。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 基坑支護設計

3.1 設計參數

本工程中標準段基坑支護結構失效、土體過大變形對基坑周邊環境和主體結構施工安全影響嚴重，屬二級基坑；倒虹段基坑支護結構失效、土體過大變形對基坑周邊環境和主體結構施工安全影響很嚴重，屬一級基坑。

本工程基坑周圍環境沒有明確的變形控制標準，標準段環境保護等級為三級，倒虹段環境保護等級為二級。

二級基坑支護結構最大側移控制值為：0.3%H，三級基坑支護結構最大側移控制值為控制值為：0.7%H。基坑參數見表2。

表2 基坑參數

3.2 方案比選

本工程在周圍環境條件允許的情況下，采用放坡開挖法作業。由于工程范圍較大，部分區域沒有放坡條件，結合福建市水利工程常規的類似基坑圍護處理方式，對本工程圍護結構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，基坑圍護的形式應在能保證安全性和經濟性的同時盡可能減少土地占用。根據以上對比方案，從經濟性角度考慮，放坡開挖具有明顯優勢，因此箱涵基坑開挖優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段位于在建孚蓮東二路和環灣大道北側。根據現場踏勘，孚蓮東二路、環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，考慮圍護結構的可行性及經濟性，在具備放坡開挖條件的區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 圍護設計

3.3.1 開挖邊線內無建構筑物標準段

開挖邊線內無建構筑物的標準段箱涵采用開挖放坡方案進行施工，基坑底寬10 m，底標高-2.30 m，兩側分別按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，二級坡的坡頂至現狀地坪標高。兩級坡間設置3m 寬馬道。放坡坡面采用掛φ8@20×20 鋼筋網噴8 cm 厚C20 混凝土進行邊坡支護。在坡頂和坡底各設一條30×30 排水溝，坡后設置攪拌樁樁隔水帷幕以防止坑外滲水進入坑內。坡底設置間距30 m 的降水管井，水位降至基底1 m以下。

3.3.2 周圍有構筑物標準段

當周圍有構筑物沒有開挖條件時，采用SP-四型單排拉森鋼板樁+兩道內支撐的圍護方案。標準段引水箱涵設計坑底高程為-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；兩道內撐均為φ500×14 鋼管樁支撐，支撐長度11.6 m，兩側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。箱涵底端兩側現澆800 mm 厚C35 傳力帶。

3.3.3 倒虹段

倒虹段引水箱涵設計基坑的底標高為-5.40～-5.60 m，基坑深度8.90～9.90 m。擬采用φ800 鉆孔灌注樁+兩道內支撐的圍護結構。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，作為保護倒虹結構的安全結構。上層內撐采用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 圍護結構計算

3.4.1 放坡開挖整體穩定復核

本工程按照《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）的相關規定，根據地質勘察報告提供的土質物理力學指標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定進行計算，計算采用瑞典圓弧法，計算時，對凝聚力和內摩擦角，采用快剪指標。

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

施工期抗滑穩定安全系數可按下式計算

水位降落期抗滑穩定安全系數可按下式計算

穩定滲流期抗滑穩定安全系數按下式計算

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，kN/m3。

考慮有滲透水壓力作用，采用簡化的有效應力計算。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《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013），各條件下的邊坡抗滑穩定安全系數允許值見表4。計算工況參數見表5。

表4 邊坡抗滑穩定安全系數允許值

表5 邊坡穩定計算工況表

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定計算，計算結果如圖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準值，滿足要求。

圖3 放坡開挖邊坡整體穩定計算圖

3.4.2 鋼板樁基坑圍護結構計算

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 計算結果表明圍護結構的最大側移值均在控制范圍內，滿足《基坑工程技術規范》（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定性、抗傾覆性、抗隆起及抗管涌都能滿足規范規定的要求。

圖4 基坑計算系數對比圖

圖5 基坑墻底抗隆起系數對比圖

3.4.3 灌注樁基坑圍護結構計算

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 的計算結果表明圍護結構的最大側移值均在控制范圍內，滿足《基坑工程技術規范》（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定性、抗傾覆性、抗隆起及抗管涌都能滿足規范規定的要求。

圖6 基坑計算系數對比圖

圖7 基坑墻底抗隆起系數對比圖

3.5 基坑圍護降水減壓設計

根據擬建場地地質特征，在基坑頂和±1.0 m 平臺設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。

抽水系統安置完畢后，應進行試抽，達到要求后方可轉入正常抽水，除遇特殊情況外，一般應連續工作。抽水期間，應做好各種記錄，并與監測單位密切配合，遇有情況應立即請示業主及有關單位，及時協商并解決。基坑開挖期間應每天測報抽水量及坑內地下水位。

降水期需加強地面沉降及坑外地下水位監測，并記錄相應的抽水量。同時設回灌井，當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計

3.6.1 監測點布置基本要求

（1）基坑每一開挖段（約15 m）應設有一組變形監測點，監測墻頂水平位移和墻頂沉降。

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

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

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

（5）基坑內地下水位監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，每一開挖段應設一測量斷面，每一測量斷面在垂直基坑方向兩倍坑深范圍內宜布設4～6 個沉降測點，每個開挖段土坡的坡頂上應設2 個位移監測點。

（7）鄰近建筑物的水平和豎向位移監測點應布置在基礎類型、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，且建筑物角點和中點應布置測點，沿周邊布置間距宜6～20 m，且每邊不應少于3 個；

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

3.6.2 監測頻率及報警值

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 監測1次，遇臺風、暴雨等異常情況應每天監測不少于1次；監測數據超過預警值而小于允許值時，每天監測不少于1 次。水工結構及景觀綠化施工期，每月一次頻率監測直至工程竣工，遇臺風、暴雨等異常情況應每周監測不少于2 次。竣工后每三個月一次頻率，直至不發生位移沉降變形保持1 a 以上。

二級基坑支護結構最大側移控制值為：0.3%H，三級基坑支護結構最大側移控制值為控制值為：0.7%H。

4 結論

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合基坑周圍具體情況，對基坑支護結構進行分段設計。在具備放坡開挖條件區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。