廈門(mén)市北溪引水主干渠改造工程基坑及圍護(hù)設(shè)計(jì)

許勵(lì)耕

（廈門(mén)市市政建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，福建 廈門(mén) 361008）

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，建筑高度不斷增加，隨之而來(lái)的基坑工程也逐漸加深、加大、加難。為滿(mǎn)足建構(gòu)筑物地下結(jié)構(gòu)的施工條件以及滿(mǎn)足對(duì)基坑周?chē)扔薪?gòu)筑物的保護(hù)，而采取的對(duì)基坑側(cè)壁的支擋和加固措施統(tǒng)稱(chēng)為基坑支護(hù)[1]。深基坑支護(hù)通常采用圍護(hù)墻+拉錨的主動(dòng)支護(hù)體系以及圍護(hù)墻+內(nèi)支撐的被動(dòng)支護(hù)體系[2]。

隨著城市的建設(shè)和發(fā)展，大型深基坑工程越來(lái)越多，對(duì)于復(fù)雜的深大型基坑，單一的普通基坑支護(hù)方式已不能完全保證在復(fù)雜地區(qū)基坑支護(hù)的經(jīng)濟(jì)合理性[3]。近年不少研究學(xué)者通過(guò)針對(duì)工程中應(yīng)對(duì)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(hù)形式聯(lián)合支護(hù)應(yīng)用，并對(duì)其支護(hù)效果進(jìn)行了部分的經(jīng)驗(yàn)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(lèi)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(hù)設(shè)計(jì)為例，對(duì)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

本項(xiàng)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(jì)流量為16 m3/s（即138.2 萬(wàn)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(guò)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(hào)線(xiàn)、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(zhǎng)約5.746 km（見(jiàn)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(xiàn)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?；诪檠嗌酵砥诟黠L(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(qiáng)風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強(qiáng)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(chǎng)地地下水主要賦存和運(yùn)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(qiáng)風(fēng)化花崗巖的孔隙、網(wǎng)狀裂隙和碎塊狀強(qiáng)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(lèi)型總體屬潛水～承壓水。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程中標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境和主體結(jié)構(gòu)施工安全影響嚴(yán)重，屬二級(jí)基坑；倒虹段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、土體過(guò)大變形對(duì)基坑周邊環(huán)境和主體結(jié)構(gòu)施工安全影響很?chē)?yán)重，屬一級(jí)基坑。

本工程基坑周?chē)h(huán)境沒(méi)有明確的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)段環(huán)境保護(hù)等級(jí)為三級(jí)，倒虹段環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)。

二級(jí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為：0.3%H，三級(jí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為控制值為：0.7%H?；訁?shù)見(jiàn)表2。

表2 基坑參數(shù)

3.2 方案比選

本工程在周?chē)h(huán)境條件允許的情況下，采用放坡開(kāi)挖法作業(yè)。由于工程范圍較大，部分區(qū)域沒(méi)有放坡條件，結(jié)合福建市水利工程常規(guī)的類(lèi)似基坑圍護(hù)處理方式，對(duì)本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出以下方案進(jìn)行比選，基坑支護(hù)方案的特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 基坑支護(hù)方案對(duì)比

本工程部分箱涵段基坑由于距離道路較近，基坑圍護(hù)的形式應(yīng)在能保證安全性和經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)盡可能減少土地占用。根據(jù)以上對(duì)比方案，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，放坡開(kāi)挖具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此箱涵基坑開(kāi)挖優(yōu)先選擇放坡開(kāi)挖的形式。部分箱涵放坡開(kāi)挖觸及工程紅線(xiàn)的，需要考慮支護(hù)后開(kāi)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(chǎng)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(shí)需注意對(duì)道路及綜合管廊的保護(hù)。

本工程箱涵長(zhǎng)距離施工，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可行性及經(jīng)濟(jì)性，在具備放坡開(kāi)挖條件的區(qū)域采用放坡開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工；不具備開(kāi)挖界面時(shí)采用板式支護(hù)體系＋內(nèi)支撐的方式進(jìn)行施工；過(guò)河段擬采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水進(jìn)行基坑支護(hù)，兼有未來(lái)保護(hù)倒虹吸功能。

基坑及圍堰平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 基坑及圍堰平面布置圖

3.3 圍護(hù)設(shè)計(jì)

3.3.1 開(kāi)挖邊線(xiàn)內(nèi)無(wú)建構(gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)段

開(kāi)挖邊線(xiàn)內(nèi)無(wú)建構(gòu)筑物的標(biāo)準(zhǔn)段箱涵采用開(kāi)挖放坡方案進(jìn)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(jí)放坡，一級(jí)坡的水平長(zhǎng)度為5.40 m，豎向長(zhǎng)度為3.60 m，二級(jí)坡的坡頂至現(xiàn)狀地坪標(biāo)高。兩級(jí)坡間設(shè)置3m 寬?cǎi)R道。放坡坡面采用掛φ8@20×20 鋼筋網(wǎng)噴8 cm 厚C20 混凝土進(jìn)行邊坡支護(hù)。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(jìn)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?chē)袠?gòu)筑物標(biāo)準(zhǔn)段

當(dāng)周?chē)袠?gòu)筑物沒(méi)有開(kāi)挖條件時(shí)，采用SP-四型單排拉森鋼板樁+兩道內(nèi)支撐的圍護(hù)方案。標(biāo)準(zhǔn)段引水箱涵設(shè)計(jì)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(zhǎng)15 m；兩道內(nèi)撐均為φ500×14 鋼管樁支撐，支撐長(zhǎng)度11.6 m，兩側(cè)通過(guò)鋼圍檁與鋼板樁相連。圍檁型號(hào)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(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)。該方案采用鉆孔灌注樁作為基坑支擋，樁長(zhǎng)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(zhǎng)15 m，使排樁具備擋水功能。工程完工后臨時(shí)支護(hù)不拆除，作為保護(hù)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(guò)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(guò)900×1 100 的C30 鋼筋混凝土圍檁與灌注樁相連。

3.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.4.1 放坡開(kāi)挖整體穩(wěn)定復(fù)核

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

計(jì)算方法如下：堤坡穩(wěn)定計(jì)算按瑞典圓弧滑動(dòng)法計(jì)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(jìn)行。

施工期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算

水位降落期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可按下式計(jì)算

穩(wěn)定滲流期抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按下式計(jì)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(diǎn)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(xiàn)與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)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(qiáng)度指標(biāo)，kN/m3。

考慮有滲透水壓力作用，采用簡(jiǎn)化的有效應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算滑動(dòng)力時(shí)，浸潤(rùn)線(xiàn)以下、靜水位以上的土體采用飽和容重；計(jì)算抗滑力時(shí)，浸潤(rùn)線(xiàn)以下、靜水位以上的土體采用浮容重；浸潤(rùn)線(xiàn)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(jì)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(jiàn)表4。計(jì)算工況參數(shù)見(jiàn)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(jì)算工況表

考慮到本工程新建箱涵長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)沿線(xiàn)每個(gè)鉆孔不同土層進(jìn)行邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖3，可見(jiàn)各斷面在施工工況和地震工況下的計(jì)算值都大于標(biāo)準(zhǔn)值，滿(mǎn)足要求。

圖3 放坡開(kāi)挖邊坡整體穩(wěn)定計(jì)算圖

3.4.2 鋼板樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

選取各典型斷面進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算斷面見(jiàn)表6。

表6 基坑典型計(jì)算斷面表

通過(guò)表7 計(jì)算結(jié)果表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值均在控制范圍內(nèi)，滿(mǎn)足《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50286—2013）的要求。

表7 基坑圍護(hù)變形匯總表

通過(guò)圖4 和圖5 計(jì)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(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

圖4 基坑計(jì)算系數(shù)對(duì)比圖

圖5 基坑墻底抗隆起系數(shù)對(duì)比圖

3.4.3 灌注樁基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

選取各典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算斷面見(jiàn)表8。

表8 基坑典型計(jì)算斷面表

通過(guò)表9 的計(jì)算結(jié)果表明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移值均在控制范圍內(nèi)，滿(mǎn)足《基坑工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50286—2013）的要求。

表9 基坑圍護(hù)變形匯總表

通過(guò)圖6 和圖7 計(jì)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(mǎn)足規(guī)范規(guī)定的要求。

圖6 基坑計(jì)算系數(shù)對(duì)比圖

圖7 基坑墻底抗隆起系數(shù)對(duì)比圖

3.5 基坑圍護(hù)降水減壓設(shè)計(jì)

根據(jù)擬建場(chǎng)地地質(zhì)特征，在基坑頂和±1.0 m 平臺(tái)設(shè)置輕型井點(diǎn)進(jìn)行超前降水。以提高土體抗剪強(qiáng)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(yán)禁過(guò)量降水），超前降水時(shí)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(jìn)行試抽，達(dá)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(cè)單位密切配合，遇有情況應(yīng)立即請(qǐng)示業(yè)主及有關(guān)單位，及時(shí)協(xié)商并解決?；娱_(kāi)挖期間應(yīng)每天測(cè)報(bào)抽水量及坑內(nèi)地下水位。

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

圖8 降水井示意圖

3.6 基坑圍護(hù)降水減壓設(shè)計(jì)

3.6.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置基本要求

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

（2）當(dāng)圍護(hù)體系出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂縫時(shí)，宜及時(shí)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，宜在裂縫中部和兩端各布置裂縫寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

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

（4）基坑外地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(xiàn)相對(duì)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(cè)點(diǎn)宜布置在相鄰降水井近中間部位，其中潛水水位觀測(cè)管埋置深度不宜小于基坑開(kāi)挖深度以下3 m；

（6）基坑周?chē)乇沓两担恳婚_(kāi)挖段應(yīng)設(shè)一測(cè)量斷面，每一測(cè)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(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，每個(gè)開(kāi)挖段土坡的坡頂上應(yīng)設(shè)2 個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

（7）鄰近建筑物的水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在基礎(chǔ)類(lèi)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(diǎn)和中點(diǎn)應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)，沿周邊布置間距宜6～20 m，且每邊不應(yīng)少于3 個(gè)；

（8）管線(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距宜為15～25 m，設(shè)置的垂直和水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)宜為共用點(diǎn)。

3.6.2 監(jiān)測(cè)頻率及報(bào)警值

在每個(gè)測(cè)試項(xiàng)目受基坑開(kāi)挖施工影響之前，必須測(cè)得各項(xiàng)目的初始值。主槽開(kāi)挖期，每2 d 監(jiān)測(cè)1次，遇臺(tái)風(fēng)、暴雨等異常情況應(yīng)每天監(jiān)測(cè)不少于1次；監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)警值而小于允許值時(shí)，每天監(jiān)測(cè)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(cè)直至工程竣工，遇臺(tái)風(fēng)、暴雨等異常情況應(yīng)每周監(jiān)測(cè)不少于2 次?？⒐ず竺咳齻€(gè)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(jí)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移控制值為：0.3%H，三級(jí)基坑支護(hù)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(shí)例，通過(guò)不同支護(hù)方案比選并結(jié)合基坑周?chē)唧w情況，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分段設(shè)計(jì)。在具備放坡開(kāi)挖條件區(qū)域采用放坡開(kāi)挖的方式進(jìn)行施工；不具備開(kāi)挖界面時(shí)采用板式支護(hù)體系＋內(nèi)支撐的方式進(jìn)行施工；過(guò)河段擬采用鉆孔灌注樁+攪拌樁止水進(jìn)行基坑支護(hù)，同時(shí)兼有未來(lái)保護(hù)倒虹吸功能。