城區(qū)泵閘工程的特殊基坑設(shè)計與應(yīng)用

陳璇

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

城區(qū)泵閘工程的特殊基坑設(shè)計與應(yīng)用

陳璇

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

位于市區(qū)的泵閘工程受到場地條件限制和周邊環(huán)境保護需要等因素影響，基坑設(shè)計難度較大，由于工程主體結(jié)構(gòu)坐落于河道上，導(dǎo)致泵閘工程的圍護結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)基坑工程。針對此類特殊基坑特點和難點進行分析，提出了相應(yīng)基坑設(shè)計策略，并結(jié)合工程實例的成功應(yīng)用經(jīng)驗，為類似工程的基坑設(shè)計和施工提供參考。

泵閘工程；基坑；設(shè)計策略；數(shù)值模擬

0　引言

基坑工程的作用即是為主體結(jié)構(gòu)提供安全穩(wěn)定的地下施工空間，并對周邊環(huán)境予以保護［1］。城市防洪排澇泵閘一般位于內(nèi)河與外河交叉口處，受到場地條件限制和周邊環(huán)境保護需要等因素影響，往往需要較為復(fù)雜的基坑圍護結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)施工的安全性保障。但主體結(jié)構(gòu)往往坐落于現(xiàn)狀河道上，又導(dǎo)致相應(yīng)的基坑設(shè)計邊界條件和基坑建設(shè)工藝與傳統(tǒng)的民用建筑基坑具有極大不同。因此，針對城區(qū)泵閘工程特殊基坑的設(shè)計和應(yīng)用，本文進行了研究。

1　特點、難點分析

城區(qū)泵閘工程的基坑與常規(guī)建筑基坑相比，具備以下工程特點和難點：

（1）泵閘工程坐落于河道之上，受泵閘平面總體布置的影響，其基坑形狀多呈不規(guī)則的條狀。受現(xiàn)狀河道下切的影響，基坑在垂直水流方向兩端的現(xiàn)狀河床位置無法施工圍護墻體，導(dǎo)致基坑無法形成封閉的圍護體系，基坑整體受力與常規(guī)基坑有所區(qū)別，止水帷幕的完整性也較難得到保證［2］。

（2）泵閘工程基坑由于位于河道入外河河口處，基坑內(nèi)、外河兩端需配套可靠的圍堰構(gòu)筑物，保證基坑與外圍河道水體的隔斷。

（3）泵閘基坑除需進行地下水疏干降水外，還需對基坑范圍內(nèi)老河道地表水進行抽排，從而為泵閘基坑的開挖創(chuàng)造干地施工條件。城區(qū)泵閘工程基坑的設(shè)計和施工需著重考慮基坑支護體系未形成前，老河道抽干地表河水后的現(xiàn)狀防汛墻穩(wěn)定性的復(fù)核，并據(jù)此選取特殊的基坑設(shè)計和施工工藝。

（4）泵閘基坑場地豎向在垂直河道方向呈凹形分布，場地不平整且不規(guī)則，水平、豎向支護體系施工和土方開挖的施工工藝均與常規(guī)基坑有所不同。

（5）城區(qū)河道防汛墻經(jīng)多次加高加固，防汛墻結(jié)構(gòu)以木樁、板樁和拋石基礎(chǔ)為主，基坑場地以下地下障礙物情況復(fù)雜。合理的圍護墻體選擇至關(guān)重要。

（6）泵閘工程基礎(chǔ)下工程樁型式和數(shù)量較多，主體結(jié)構(gòu)工程樁和圍護墻體樁基不同的施工順序也必然導(dǎo)致兩種樁基之間造成相互的影響。因此，合理安排復(fù)雜基坑條件下各類樁基（圍護樁、基礎(chǔ)樁）的施工工序也十分重要。

2　設(shè)計策略

針對城區(qū)泵閘工程的特點和難點，結(jié)合已成功實施的城區(qū)泵閘基坑工程案例，本文總結(jié)出相應(yīng)的技術(shù)路線和設(shè)計對策。

2.1圍護墻體的選取

（1）城區(qū)泵閘工程由于水泵選型、閘門選型和泵閘水文設(shè)計條件等的不同，基坑開挖深度多為6.0～12.0 m。根據(jù)基坑實際開挖深度和周邊環(huán)境保護要求，城區(qū)泵閘基坑圍護墻體宜選取SMW工法樁和鉆孔灌注樁排樁兩種型式。

（2）針對基坑開挖范圍內(nèi)河道現(xiàn)狀防汛墻和河床范圍內(nèi)地下障礙物情況一般比較復(fù)雜的情況，基坑開挖前，需委托專業(yè)物探單位對擬建基坑圍護墻體深度范圍以及基坑開挖深度范圍內(nèi)的地下障礙物進行探查。

（3）根據(jù)物探成果，當(dāng)?shù)叵抡系K物較少，基坑開挖深度適中時，從經(jīng)濟性角度出發(fā)，推薦采用SMW工法樁圍護墻體型式；根據(jù)物探成果，當(dāng)?shù)叵抡系K物較多時，推薦采用鉆孔灌注樁加攪拌樁止水帷幕的圍護墻體型式。基坑施工過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際地下障礙物分布情況，鉆孔灌注樁排樁可靈活調(diào)整為沖孔樁或咬合樁的施工工藝；止水帷幕也可靈活調(diào)整為高壓旋噴樁的止水帷幕型式。

2.2圍堰型式的選取

基坑施工時，內(nèi)、外河兩端配套可靠的圍堰構(gòu)筑物，對于基坑與外圍河道水體的隔斷，保證基坑安全施工十分重要。因此，城區(qū)泵閘工程基坑設(shè)計中，推薦采用雙排拉森鋼板樁的圍堰型式，且基坑的施工應(yīng)盡量安排在非汛期進行。

2.3止水帷幕設(shè)計要點

（1）受老河道影響，基坑在兩端垂直河道方向高程上無法與整個基坑的止水帷幕體系形成封閉。雖設(shè)置了內(nèi)外河圍堰，但排干基坑范圍內(nèi)河水后，河底以下仍存在繞滲的地下水，對基坑造成破壞。泵閘基坑設(shè)計中，務(wù)必保證在基坑兩端不封閉區(qū)域的河底設(shè)置可靠的止水帷幕，并與基坑止水帷幕體系在平面上封閉。

（2）在基坑止水帷幕的設(shè)計中，還務(wù)必保證基坑止水帷幕體系局部延長后與拉森鋼板樁圍堰之間形成封閉，從而形成完整的特殊止水帷幕體系。

2.4河道排水后防汛墻穩(wěn)定性對基坑設(shè)計工藝的影響

河道抽排水前，必須對現(xiàn)狀防汛墻在河水排干工況下的穩(wěn)定性進行復(fù)核，現(xiàn)狀防汛墻的穩(wěn)定性與否對基坑設(shè)計和施工工藝的選取具有較大的影響。

（1）河道排水后防汛墻穩(wěn)定

此類情況下，在基坑支護體系未形成前即可對河道內(nèi)水體進行抽排和對河底進行清淤，從而為下一步基坑干地施工提供便利條件；對于基坑圍護墻體兩側(cè)環(huán)境較為復(fù)雜，不具備圍護施工空間時，也可考慮對老河道進行回填處理，從而人為創(chuàng)造基坑圍護的施工作業(yè)空間，從而將特殊基坑問題轉(zhuǎn)化為常規(guī)基坑問題處理。

（2）河道排水后防汛墻失穩(wěn)

此類情況下，在基坑支護體系（第一道支撐）未形成前，不得對基坑內(nèi)河水進行抽排?；訃o墻體、第一道水平支撐和豎向支撐體系均需采取水上施工的工藝施工。待基坑圍護墻體施工完畢，第一道支撐體系完成后，老河道排水的卸荷可等效為第一層土方的開挖，從而利用已建成的支護體系保證周邊環(huán)境的安全。

2.5工程樁與圍護樁施工工序選取

在泵閘基坑施工時務(wù)必遵循先施工泵閘主體結(jié)構(gòu)工程樁，再施工泵閘基坑圍護樁的樁基施工工序和原則。

2.6數(shù)值模擬分析

由于基坑施工邊界的復(fù)雜性很難通過解析的方法來求解基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，而數(shù)值模擬分析則為這種問題的求解提供了有力的工具［3］。為了準(zhǔn)確預(yù)測城區(qū)泵閘基坑開挖引起鄰近建筑物的附加變形，推薦采用有限元分析軟件進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬，從而進一步確保基坑運行的可靠性。

3　城區(qū)泵閘基坑設(shè)計與應(yīng)用實例

3.1華漕港泵閘工程基坑

（1）基坑工程概況

華漕港泵閘工程位于上海市閔行區(qū)華漕港河道入蘇州河河口132 m處?；?xùn)|側(cè)有危險化學(xué)品倉庫，倉庫圍墻距基坑邊線最小距離6.8 m，墻后6 m處有6個化學(xué)品儲罐，河道護岸為漿砌塊石斜坡式。該工程泵閘主體結(jié)構(gòu)最大開挖深度9.00 m，屬二級基坑，環(huán)境保護等級確定為二級。地面最大沉降量及圍護墻水平位移控制要求如下：a.坑外地表最大沉降≤0.25%H；b.圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移≤0.3%H［4］。

基坑開挖采用明挖順作法作業(yè)，圍護墻體采用水泥土攪拌連續(xù)墻方案（SMW工法）。該工程選用三軸水泥土攪拌樁850@600，內(nèi)插H型鋼700×300，其中東岸型鋼密插，西岸間一插一?；觾?nèi)設(shè)置兩道水平鋼支撐系統(tǒng)。圖1為華漕港泵閘工程基坑平面布置和基坑典型設(shè)計斷面圖。

圖1　華漕港泵閘工程基坑平面布置和基坑典型設(shè)計斷面圖

（2）結(jié)構(gòu)計算及分析

圍護體系按支承在彈性地基上的梁系結(jié)構(gòu)計算，通過模擬實際開挖施工工序，對化學(xué)品倉庫側(cè)圍護墻體在不同工況下的內(nèi)力和變形結(jié)果進行綜合包絡(luò)。圖2為化學(xué)品倉庫側(cè)圍護墻內(nèi)力、變形及地表沉降計算成果圖。

根據(jù)計算結(jié)果圍護墻最大變形約為14.8 mm，最大的沉降值出現(xiàn)在距離圍護墻7.5 m左右的位置，約21.15 mm，均滿足規(guī)范的變形控制要求。

（3）特殊技術(shù)路線分析

華漕港泵閘工程河道老防汛墻以漿砌塊石斜坡護岸為主，河道抽水后，防汛墻不會發(fā)生失穩(wěn)，在內(nèi)外河雙排拉森鋼板樁圍堰施工完畢后，可直接抽排河道水體施工基坑圍護墻體?？紤]到東岸化學(xué)品倉庫圍墻無法臨時拆除，東岸圍護墻體無施工作業(yè)空間。結(jié)合該工程土方平衡后余土較多的情況，設(shè)計中考慮利用兩側(cè)已開挖余土對基坑圍護開挖范圍內(nèi)河床按設(shè)計壓實指標(biāo)進行了填筑，填筑至現(xiàn)狀地坪標(biāo)高，從而將特殊泵閘基坑的設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為常規(guī)基坑進行簡單處理。

3.2虹口港泵閘工程基坑

（1）基坑工程概況

虹口港泵閘工程位于虹口港河道入黃浦江河口112 m處，擬建站址位于北外灘核心區(qū)域，周邊建筑密集，以多層的磚木結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)為主。其中西北側(cè)兩層磚木結(jié)構(gòu)民居距離基坑最小距離4.20 m，東南側(cè)國客中心高層地連墻距離基坑最小距離7.8 m。該工程泵閘主體結(jié)構(gòu)最大開挖深度為9.50 m，屬二級基坑，環(huán)境保護等級確定為一級。地面最大沉降量及圍護墻水平位移控制要求如下：a.坑外地表最大沉降≤0.15%H；b.圍護結(jié)構(gòu)最大側(cè)移≤0.18%H［4］。

基坑開挖采用明挖順作法作業(yè)，圍護結(jié)構(gòu)主體采用單排鉆孔灌注樁排樁加單排三軸水泥土攪拌樁隔水帷幕的圍護體系和兩道支撐系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。圍護墻體采用單排800@950（局部1 000@1 150）鉆孔灌注樁排樁結(jié)構(gòu)作為擋土結(jié)構(gòu)，單排850@600三軸水泥土攪拌樁作為止水帷幕。第一道支撐為鋼筋混凝土對撐，水平間距一般為8 m；第二道支撐為鋼支撐對撐，水平間距一般為4 m。圖3為虹口港泵閘工程基坑平面布置和典型設(shè)計斷面圖。

圖3　虹口港泵閘工程基坑平面布置和典型設(shè)計斷面圖

（2）結(jié)構(gòu)計算及分析

圍護體系按支承在彈性地基上的梁系結(jié)構(gòu)計算，通過模擬實際開挖施工工序，對泵房主體結(jié)構(gòu)西側(cè)圍護墻體在不同工況下的內(nèi)力和變形結(jié)果進行綜合包絡(luò)（見圖4）。

圖4　虹口港泵房主體結(jié)構(gòu)西側(cè)圍護墻體內(nèi)力、變形及地表沉降計算成果圖

根據(jù)計算結(jié)果圍護墻最大變形約為10.9 mm，最大的沉降值出現(xiàn)在距離圍護墻8.0 m左右的位置，約12.8 mm，均滿足規(guī)范的變形控制要求。

（3）特殊技術(shù)路線分析

擬建基坑范圍內(nèi)老防汛墻建設(shè)年代久遠(yuǎn)，經(jīng)復(fù)核，在河道抽排水后老防汛墻將發(fā)生失穩(wěn)。因此，虹口港泵閘基坑圍護施工采取帶水施工的工藝。通過搭設(shè)水上排架，鋪設(shè)模板涉水進行格構(gòu)柱基礎(chǔ)、格構(gòu)柱豎向支撐體系、第一道支撐的施工。待圍護墻體和第一道支撐體系形成后，施工基坑兩端雙排拉森鋼板樁圍堰，并進行老河道水體抽排。通過鉆孔灌注樁排樁圍護墻后止水帷幕延伸與南、北兩側(cè)拉森鋼板樁的封閉以及南、北兩側(cè)老河道河底范圍的雙排高壓旋噴樁止水帷幕的設(shè)置，為基坑防滲體系提供了“雙保險”。準(zhǔn)確的物探工作也保證了圍護墻體的順利施工，遭遇鉆進困難的圍護墻體樁基也通過調(diào)整為沖孔樁或咬合樁工藝得到了解決?；舆\行期間未發(fā)生滲水情況，基坑支護水平和豎向支撐體系的澆筑質(zhì)量較高，圍護墻后的建筑變形也均在規(guī)范控制范圍內(nèi)?；拥某晒σ矠楹罄m(xù)復(fù)雜條件下的城市泵閘工程基坑開挖施工提供了成功范例。

4　數(shù)值模擬驗證

為了較準(zhǔn)確地預(yù)測該工程基坑開挖引起鄰近建筑物的附加變形，泵閘基坑設(shè)計過程中也采用有限元分析軟件進行基坑開挖過程的有限元數(shù)值模擬。

4.1技術(shù)路線

計算基坑開挖前土體初始應(yīng)力場分布，綜合考慮了原始河道和附近建筑對初始應(yīng)力場的影響。有限元數(shù)值計算中土體采用基于 Mohr-Coulomb的Hardening-Soil高級土體彈塑性模型進行模擬，圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系采用線彈性模型模擬，同時采用Goodman接觸單元考慮了土體和圍護墻體之間的相互作用。通過有限元軟件的“單元生死”來模擬基坑開挖到基底的全過程，并考慮分層開挖的影響。底部和對稱邊界均設(shè)置為封閉滲流邊界。水力計算時，打開接觸面單元可以阻止此處與之垂直的滲流，可以用來模擬止水帷幕的止水作用。

4.2華漕港泵閘基坑數(shù)值模擬計算成果

根據(jù)數(shù)值計算成果，基坑最大水平位移5 mm，輸油管處豎向位移約1.5 cm。結(jié)合實際基坑運行的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑周邊建筑實際變形均控制在1.5 cm范圍內(nèi)。圖5為華漕港泵閘工程化學(xué)品倉庫側(cè)圍護數(shù)值模擬計算成果圖。

圖5　華漕港泵閘工程化學(xué)品倉庫側(cè)圍護數(shù)值模擬計算成果圖（位移矢量圖、云圖）

4.3虹口港泵閘基坑數(shù)值模擬計算成果

根據(jù)數(shù)值計算成果，基坑最大水平位移6.4 mm，坑外地表最大豎向位移9.7 mm。結(jié)合實際基坑運行的監(jiān)測數(shù)據(jù)，基坑周邊建筑實際變形均控制在1.0 cm范圍內(nèi)。圖6為虹口港泵閘泵房西側(cè)圍護數(shù)值模擬計算成果圖。

圖6　虹口港泵閘泵房西側(cè)圍護數(shù)值模擬計算成果圖（位移矢量圖、云圖）

5　結(jié)語

作為城市內(nèi)防洪排澇重要構(gòu)筑物的泵閘結(jié)構(gòu)，往往受到場地條件限制存在較大的施工難度，而水利工程的特殊性又造就了城區(qū)泵閘基坑工程的特殊性。本文針對城區(qū)泵閘工程特殊基坑的特點和難點進行了論述，結(jié)合兩種不同設(shè)計策略下的城區(qū)泵閘基坑實例的成功建設(shè)經(jīng)驗的分析，提出了相應(yīng)的技術(shù)路線和設(shè)計策略，可為類似城區(qū)泵閘特殊基坑工程的設(shè)計和施工提供參考。

［1］劉國彬，王衛(wèi)東等.基坑工程手冊（第二版）［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］曹玉萍，王大齡.不同形式的基坑圍護結(jié)構(gòu)在泵閘工程中的應(yīng)用［J］.特種結(jié)構(gòu)，2002，19（2）:39-42.

［3］王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2004，25（增）:251-255.

［4］DG/TJ08-61-2010，基坑工程技術(shù)規(guī)范［S］.

TU992.25

B

1009-7716（2016）06-0180-04

2016-03-16

陳璇（1985-），男，湖北襄陽人，工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。