富春江沿岸深基坑圍護(hù)和降水方案比選應(yīng)用

趙 海,王巨峰

(1.富陽市水利水電工程監(jiān)管中心,浙江 富陽 311400;2.浙江省錢塘江管理局,浙江 杭州 310016)

1 問題的提出

富陽市東大道區(qū)域山體排洪工程是東大道城市綜合體項(xiàng)目的組成部分,該工程位于老城東側(cè),北依山,南臨富春江,通過大塢坑、小塢坑箱涵將山洪排入富春江。工程在實(shí)施過程中,突出的技術(shù)難點(diǎn)為深基坑圍護(hù)及降水問題,通過前期調(diào)查,結(jié)合沿江同類項(xiàng)目的基坑和降水方案對比分析,到設(shè)計(jì)確定和后續(xù)順利實(shí)施,為今后富春江沿岸的相關(guān)項(xiàng)目建設(shè)積累了經(jīng)驗(yàn)。

箱涵工程I標(biāo)段工程范圍為0+337,096～0+560 m,主要內(nèi)容為:基坑土方開挖、鋼板樁圍護(hù)、邊坡噴混凝土支護(hù)、灌注樁基礎(chǔ)、混凝土墊層、混凝土截水溝、鋼筋混凝土箱涵、土方回填、施工圍堰、臨時導(dǎo)流、道路改道等。工程地面高程為9.5 m左右,0+417～0+500 m設(shè)計(jì)基坑底高程為2.37～0.05 m,0+500～0+560m設(shè)計(jì)基坑底高程為0.05m,基坑開挖深度為8.42～9.73m,左側(cè)有中國古代造紙印刷文化村,右側(cè)為項(xiàng)目部,基坑影響深度范圍內(nèi)的土層為填土、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、含黏性土碎石、中細(xì)砂等[1],淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂及中細(xì)砂透水性較強(qiáng),在高水位條件下易引起流砂、管涌,從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn);至0+417 m后,基坑接近富春江,基坑開挖地下水位很高,基坑開挖到3.55m高程時,基槽水位為4.35m,富春江水位4.38 m,施工單位連續(xù)幾天24 h抽水,基坑內(nèi)的積水無法徹底排干。而且在0+500 m左右有老箱涵周圍均為溏渣填筑,老箱涵底比新箱涵底高2 m左右,因此周邊的水又從填筑的溏渣位置匯入基坑內(nèi)?；铀饕獊碜灾苓吋暗叵滤?、富春江水,在局部地點(diǎn)出現(xiàn)涌土(砂)現(xiàn)象,工程無法繼續(xù)進(jìn)行。經(jīng)各方勘察分析,決定對0+417～0+560m段進(jìn)行基坑圍護(hù)及基坑降排水技術(shù)方案進(jìn)行分析選定,平面布置見圖1。

圖1 圍護(hù)平面圖 單位:m

2 基坑圍護(hù)方案選定

綜合該工程基坑形狀、面積、開挖深度、地質(zhì)條件及周圍環(huán)境等,該基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn):形狀呈規(guī)則狹長型,空間效應(yīng)好;開挖深度大,為8.42～9.73 m;位于施工場區(qū)內(nèi),施工荷載相對較大;周邊構(gòu)筑物較多,基坑開挖須考慮對其影響;工程局部已經(jīng)開挖,工期相對較緊。

根據(jù)這些特點(diǎn),結(jié)合類似圍護(hù)經(jīng)驗(yàn),經(jīng)分析后考慮如下圍護(hù)方案進(jìn)行比選:大放坡+掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)面、土釘墻、拉森鋼板樁+支撐、排樁+內(nèi)支撐+水泥攪拌樁帷幕。

2.1 大放坡+掛網(wǎng)噴混凝土護(hù)面

放坡開挖在所有的方法中經(jīng)濟(jì)性明顯,特別適合基坑周圍場地開闊、地基條件好、所處位置土方運(yùn)輸方便的工程,但占地范圍較大。

該工程基底位于地基承載力較差的淤泥質(zhì)土中,如采用大放坡開挖,為保證基坑安全,卸土范圍需很大。

2.2 土釘墻

土釘墻支護(hù)形式利用打入土中的土釘和鋼筋混凝土護(hù)坡,增強(qiáng)土坡的穩(wěn)定性和減小基坑變形,可有效控制基坑變形,是一種自立式支護(hù)結(jié)構(gòu),在杭州地區(qū)基坑工程中應(yīng)用較多。

土釘墻具有造價低,施工速度快,可邊挖土邊施工等優(yōu)點(diǎn),同時相對放坡開挖可有效減少開挖方量、施工用地范圍,但是土釘施工涉及基坑完成后遺留下的鋼筋或鋼管妨礙后期地下工程的施工,且淤泥質(zhì)土層中坡體變形較大。

2.3 拉森鋼板樁+內(nèi)支撐

拉森鋼板樁通過專業(yè)機(jī)械把型鋼相互咬合插入土層形成連續(xù)的擋土結(jié)構(gòu),待結(jié)構(gòu)施工完后,利用型鋼表面涂減摩劑可將型鋼拔出,回收再利用。其優(yōu)點(diǎn)為施工速度快、對周圍環(huán)境污染小、工程造價低廉、不留障礙物,且可以倒轉(zhuǎn)施工,材料利用率高,適合該工程分期施工的特點(diǎn)。

2.4 排樁+內(nèi)支撐+水泥攪拌樁帷幕

排樁+內(nèi)支撐+水泥攪拌樁帷幕方案施工工藝成熟,在工程實(shí)際中應(yīng)用廣泛,對該工程而言,支護(hù)結(jié)構(gòu)的樁身強(qiáng)度、穩(wěn)定及變形可以保證,圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立。但是工程造價高,施工工期長,且泥漿廢液污染環(huán)境。

綜合分析場地地理位置、土質(zhì)條件、基坑開挖深度、施工進(jìn)度及周圍環(huán)境等多種因素,在確保周圍建筑物安全和正常使用、確?；A(chǔ)和箱涵施工安全的前提下,依據(jù)“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工” 的原則,最后確定該工程圍護(hù)采取拉森鋼板樁+內(nèi)支撐方案。

基坑圍護(hù)支撐體系目前常用鋼筋混凝土支撐和鋼管支撐2種形式,通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,以及便于施工,加快進(jìn)度,確定采用鋼管支撐。

3 基坑降水方案選定

3.1 輕型井點(diǎn)降水

輕型井點(diǎn)降水形式特點(diǎn)是安裝方便,抽吸能力較大,排水能力較大,降水影響范圍較小。但設(shè)備多,如果工期長,耗電量大,機(jī)械易磨損,維修困難。

3.2 自流深井降水

自流深井降水具有排水量大,降水深,不受吸程限制,排水效果好;井距大,對平面布置干擾小;可用于各種情況,不受土層限制,施工速度快;井點(diǎn)制作、操作工藝、降水設(shè)備維護(hù)較簡單;尤其是當(dāng)施工工期較長時,其單位降水費(fèi)用低于其它降水方法。

因本工程基坑挖深大,結(jié)合周邊地塊的降水經(jīng)驗(yàn),確定采用自流深井降水方案,降水井經(jīng)計(jì)算后進(jìn)行布置。

4 計(jì) 算[2]

以0+500 m斷面為例計(jì)算(見圖2),整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.016。

4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算(見圖3):

式中:Mp為被動土壓力及支點(diǎn)力對樁底的抗傾覆彎矩,kN·m(對于內(nèi)支撐支點(diǎn)力由內(nèi)支撐抗壓力決定,對于錨桿或錨索,支點(diǎn)力為錨桿或錨索的錨固力和抗拉力的較小值);Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩,kN·m。

(1)工況1。第1期開挖,深度為5.5m。Ks=4.271≥1.200,滿足規(guī)范要求。

圖2 0+500 m斷面設(shè)計(jì)概化圖 單位:m

圖3 0+500 m整體穩(wěn)定驗(yàn)算圖 單位:m

(2)工況2。加內(nèi)撐:Ks=7.867≥1.200,滿足規(guī)范要求。

(3)工況3。第2期開挖,開挖深度9.45m。Ks=3.028≥1.200,滿足規(guī)范要求。

(4)工況4。剛性鉸:已存在剛性鉸,不計(jì)算抗傾覆。

(5)工況5。拆撐:已存在剛性鉸,不計(jì)算抗傾覆。

安全系數(shù)最小的工況為工況3。

最小安全Ks=3.028≥1.200,滿足規(guī)范要求。

4.2 抗隆起驗(yàn)算

(1)Prandtl(普朗德爾)公式 (Ks≥1.1～1.2),安全系數(shù)取自YB 9258—97《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》:

Ks=7.719≥1.1,滿足規(guī)范要求。

(2)Terzaghi(太沙基)公式(Ks≥1.15～1.25),安全系數(shù)取自 YB 9258—97《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》:17.808

Ks=9.360≥1.15,滿足規(guī)范要求。

經(jīng)計(jì)算0+500 m斷面采用12 m長的拉森鋼板樁Ⅳ型結(jié)合自流井排水可以滿足施工要求。

5 工程應(yīng)用

在前期地質(zhì)勘察、實(shí)地觀測、數(shù)據(jù)積累、分析比較的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)單位提出了施工圍護(hù)圖紙 (見圖4)。具體做法為:拉森鋼板樁一期樁端進(jìn)入黏性土碎石層大于3 m,打入鋼板樁長度9 m,二期樁端進(jìn)入黏性土碎石層大于0.5m,打入鋼板樁長度12 m(見圖4)。深井降水:管井成孔直徑800 mm,簡易管井直徑300 mm,采用加勁箍的波紋管,一期施工深井總長8 m,二期施工中深井深井總長12 m。沿鋼板樁墻全長設(shè)置圍囹,圍囹用型鋼通過拉桿固定于原已打好的鋼管錨桿上,支撐采用φ 609 mm×16 mm鋼管,圍囹采用雙拼H500 mm×300 mm×15mm型鋼;鋼圍囹與鋼板樁之間的空隙須采用鋼板鍥緊,以確保支撐軸力均勻傳遞。

圖4 0+500 m斷面成果圖 單位:cm

2010年11月中旬,施工單位開始按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行拉森鋼板樁圍護(hù),由于原江濱東大道及隧道工程通車道路受施工的影響需要進(jìn)行改道通車,工程在0+500 m段進(jìn)行分段施工。在2011年3月中下旬,開始第2次施工 (0+492～0+560 m)。采用拉森鋼板樁圍護(hù)開挖后,基坑水位與外江水位差達(dá)2.67 m以上,經(jīng)水泵抽水,基坑水位下降明顯。在基坑內(nèi)基本無水時,只采用自流井進(jìn)行排水就基本能保證基坑內(nèi)積水不上升,配合水泵排水即可做到基坑內(nèi)無水作業(yè)。在整個過程中沒有出現(xiàn)基坑內(nèi)涌土(砂)等現(xiàn)象,同時經(jīng)觀測拉森鋼板樁位移控制在5.2 cm以內(nèi),基坑兩側(cè)無明顯裂縫、沉降、塌陷等情況出現(xiàn)。該基坑圍護(hù)方案充分展示了拉森鋼板樁施工速度快、工程造價低、材料利用率高、自流井排水量大、降水深、平面布置干擾少、費(fèi)用低的特點(diǎn),提高了工程施工進(jìn)度、減少了政策處理的難度、節(jié)省了造價,使主體工程在主汛期來臨前順利結(jié)束,保證了工程在主汛期發(fā)揮防洪排澇作用。

6 結(jié) 語

經(jīng)過多種深基坑圍護(hù)和降水方案的比選,選擇了符合該工程實(shí)際的方案,解決了施工過程中基坑降水的困難,確保了基坑的安全。拉森鋼板樁深基坑圍護(hù)及降水設(shè)計(jì)的應(yīng)用,減少了開挖對周圍建筑物及環(huán)境的影響,保證了富陽市東大道交通暢通和安全,對周邊地區(qū)的防洪安全起到了決定性的作用,社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、安全效益明顯。

[1]羅煜平.富陽市東大道區(qū)域山區(qū)排洪工程初步設(shè)計(jì) [R].富陽:富陽市水利水電勘測設(shè)計(jì)有限公司,2009.

[2]周奇輝.富陽市東大道區(qū)域山區(qū)排洪工程基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案[R].杭州:中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院,2010.