多級(jí)水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻在泵閘基坑工程中的應(yīng)用

張欽杰

（上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

泵閘工程是較為常見的水利工程之一。近年來隨著城市的高速發(fā)展，地區(qū)防汛排澇壓力與日俱增。以泵閘工程為代表的水利工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，尤其是沿海地區(qū)出海入江口處的泵閘，往往承擔(dān)著周邊地區(qū)極其重要的防汛除澇及水資源調(diào)度任務(wù)。其規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基坑開挖深度較深，開挖面積較大。基坑工程作為泵閘工程中的重要組成部分，基坑設(shè)計(jì)時(shí)往往需要考慮結(jié)合泵閘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及周邊環(huán)境情況，既要保證基坑自身及周邊環(huán)境安全，又要施工便捷，投資費(fèi)用經(jīng)濟(jì)。

1 工程案例

1.1 工程概況

某大型泵閘工程位于上海市浦東新區(qū)某地區(qū)入長江口處，工程主要內(nèi)容為新建泵閘一座，泵站規(guī)模為設(shè)計(jì)流量90 m3/s，水閘規(guī)模為凈寬30 m。擬建的泵閘是浦東新區(qū)沿長江口重要引排水口門和通道之一，對(duì)防洪排澇和水資源調(diào)度的作用巨大，也是調(diào)節(jié)改善浦東新區(qū)內(nèi)河水質(zhì)的重要口門之一。擬建泵閘工程位置如圖1所示。

圖1 工程位置示意圖

1.2 基坑概況

泵閘基坑工程擬建場(chǎng)地位于七甲港預(yù)留口門中，基坑兩側(cè)為現(xiàn)狀大堤，堤頂高程約為8.0 m，擬建場(chǎng)地灘地高程約為3.0 m。泵閘工程內(nèi)外河海漫段因結(jié)構(gòu)埋深較淺，基坑開挖可結(jié)合現(xiàn)狀堤身進(jìn)行放坡開挖。泵閘工程的主體部分，包括站身閘首、進(jìn)水池、進(jìn)水前池、出水池及內(nèi)外河翼墻等，均為直立式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板埋置深度較深。為確保主體結(jié)構(gòu)施工安全，并考慮到基坑開挖會(huì)對(duì)周邊大堤產(chǎn)生一定影響，故采用基坑圍護(hù)措施保護(hù)主體結(jié)構(gòu)施工。

泵閘設(shè)計(jì)方案中基坑深度為5.05～9.50 m，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08-61—2018）[1]，基坑安全等級(jí)為二級(jí)?；又苓叚h(huán)境保護(hù)對(duì)象主要為現(xiàn)狀大堤，大堤堤腳距基坑邊緣最小距離約為17 m。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選及設(shè)計(jì)

本工程泵閘主體結(jié)構(gòu)采用“閘+泵+閘”布置，中間基坑深、兩側(cè)基坑淺。從結(jié)構(gòu)安全和經(jīng)濟(jì)合理方面考慮，可采取板式支護(hù)結(jié)構(gòu)方案或者水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)。下面按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性、基坑復(fù)雜性、施工難易程度、工程投資等方面對(duì)這兩種方案進(jìn)行比選（見表1）。

表1 主體結(jié)構(gòu)基坑圍護(hù)方案比選表

根據(jù)比較分析，在基坑安全性可保證及環(huán)境影響可接受的前提下，方案二具有施工便捷性好，與主體結(jié)構(gòu)施工相互影響小以及工程投資較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[2]。故推薦采用方案二（水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻）。

本次以泵閘站身閘首為例，基坑圍護(hù)采用放坡+兩級(jí)水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)形式。該斷面基坑開挖深度為9.5 m，首先對(duì)現(xiàn)狀地面進(jìn)行適當(dāng)放坡開挖，由3.0 m高程放坡至1.0 m高程，1.0 m高程設(shè)平臺(tái)，平臺(tái)寬度15 m。第一級(jí)重力式圍護(hù)墻采用3Φ850@600三軸攪拌樁圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)墻寬度為5.65 m，樁長21 m，墻前坑底采用三軸攪拌樁進(jìn)行裙邊加固，加固范圍寬4.8 m，深4 m。閘首和站身高差部位第二級(jí)重力式圍護(hù)墻采用3Φ850@600三軸攪拌樁圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)，圍護(hù)墻寬3.25 m，樁底高程為-11 m，墻前坑底采用三軸攪拌樁進(jìn)行抽條加固[3]。因泵站側(cè)開挖較深，根據(jù)施工工序安排，先實(shí)施泵站部位開挖，待泵站部位開挖完成且結(jié)構(gòu)實(shí)施穩(wěn)定后再進(jìn)行水閘部位基坑開挖。基坑斷面圖如圖2所示。

圖2 站身閘首段基坑斷面圖（單位：mm）

2 基坑安全及環(huán)境影響分析

對(duì)所推薦采用的圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行基坑安全穩(wěn)定分析及周邊環(huán)境影響分析評(píng)價(jià)。

2.1 圍護(hù)體系安全性分析

2.1.1 計(jì)算方法

圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算方法參照上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,采用同濟(jì)啟明星frws8.1軟件計(jì)算?；訃o(hù)計(jì)算中，土的c、值均采用固結(jié)快剪指標(biāo)，圍護(hù)樁變形、內(nèi)力計(jì)算和各項(xiàng)穩(wěn)定驗(yàn)算均采用水土分算原則。計(jì)算中地面超載原則上取20 kN/m2，墻后水位取地下0.5 m。

2.1.2 計(jì)算結(jié)果

對(duì)站身閘首段基坑的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全

2.2 基坑開挖對(duì)周邊大堤影響分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)保留大堤堤頂距離基坑邊緣最小距離約為17 m，采用有限元模擬分析的方法，分析基坑開挖對(duì)周邊現(xiàn)狀大堤的影響。

2.2.1 土體本構(gòu)模型選取

有限元分析采用PLAXIS 2D，土體本構(gòu)模型選用小應(yīng)變土體硬化模型[4]。因其考慮土體剪切硬化、壓縮硬化、加卸載、小應(yīng)變等，對(duì)上海軟土地區(qū)基坑開挖模擬較為合適。

2.2.2 土體本構(gòu)模型參數(shù)

小應(yīng)變土體硬化模型需要的不同分層土體的重度、黏聚力、摩擦角等參數(shù)由勘察報(bào)告提供，其他剛度參數(shù)和高級(jí)參數(shù)則根據(jù)大量類似工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演分析得到（見表3）。

表3 小應(yīng)變土體硬化模型參數(shù)表

2.2.3 分析成果

（1）泵閘主體基坑對(duì)大堤影響分析

泵閘主體基坑站身土體開挖至基坑底時(shí)，基坑圍護(hù)墻出現(xiàn)的最大水平位移為32.41 mm，此時(shí)大堤擋墻出現(xiàn)最大水平位移18.49 mm，沉降位移19.35 mm。基坑位移云圖如圖3所示。

圖3 基坑位移云圖（泵站施工期）

待站身部分開挖完成且主體結(jié)構(gòu)實(shí)施穩(wěn)定后，再進(jìn)行閘首側(cè)開挖。待開挖至坑底時(shí)，基坑圍護(hù)墻出現(xiàn)的最大水平位移為39.43 mm，此時(shí)大堤擋墻累計(jì)出現(xiàn)最大水平位移19.43 mm，沉降位移19.40 mm?；游灰圃茍D如圖4所示。

圖4 基坑位移云圖（水閘施工期）

3 結(jié)果分析

通過以上計(jì)算分析，多級(jí)水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)基坑相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)有限元計(jì)算分析可知，在整個(gè)基坑工程施工過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的水平位移小于允許值0.5%開挖深度47.5 mm，大堤擋墻出現(xiàn)的位移小于20 mm，能夠滿足基坑環(huán)境保護(hù)要求。本基坑工程開挖面及開挖深度較大，根據(jù)相關(guān)規(guī)定必須監(jiān)測(cè)基坑自身及周邊土體，進(jìn)行信息化施工，為基坑自身及周邊環(huán)境進(jìn)行及時(shí)有效的保護(hù)提供依據(jù)。

4 結(jié) 語

本文以某大型泵閘工程中基坑工程為例，針對(duì)水利工程泵閘結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出采用多級(jí)水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)。對(duì)于該圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)體系，通過安全穩(wěn)定分析計(jì)算及有限元模擬分析的方法，得出以下結(jié)論及意見，為類似泵閘基坑工程提供參考和借鑒。

（1）采用多級(jí)水泥土攪拌樁重力式圍護(hù)墻結(jié)構(gòu)，并結(jié)合基坑裙邊加固及坑底加固等措施，可保證自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）基坑工程施工期間，重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的水平變形小于允許值，對(duì)周邊環(huán)境影響變形也能控制在一定范圍內(nèi)，能夠滿足基坑環(huán)境保護(hù)要求。

（3）基坑施工期間必須有專業(yè)監(jiān)測(cè)單位對(duì)基坑自身及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為基坑自身及周邊環(huán)境進(jìn)行及時(shí)有效的保護(hù)提供依據(jù)。