多因素約束條件下中小型水利工程深基坑設(shè)計(jì)的探索與實(shí)踐

徐良寅 ，傅理文 ，彭 淵

（1.瑞安市水利工程建設(shè)中心，浙江 瑞安 325200；2.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

我國(guó)沿海地區(qū)水利工程數(shù)量眾多，受臺(tái)汛期、軟土地基的特殊性、周邊環(huán)境（包含管線、既有建筑物、周邊道路）等多重影響，使得城區(qū)的水利工程基坑在平衡造價(jià)、施工安全、工期優(yōu)化、節(jié)能環(huán)保等方面的設(shè)計(jì)難度較地域偏遠(yuǎn)的傳統(tǒng)水利工程基坑大幅增加[1]。

近年來(lái)，SMW 工法樁、灌注樁排樁、鋼板樁等基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式[2-5]，在水利工程中（水閘、泵站、水電站、河道整治等）應(yīng)用日益廣泛，但多局限于單種或局部支護(hù)且受外部條件約束不多。部分水利工程就多種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的基坑有一定的實(shí)例應(yīng)用及探討[6]，但其周邊環(huán)境影響相對(duì)單一常規(guī)，缺乏整體設(shè)計(jì)施工優(yōu)化方案，且對(duì)工程經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注、論述頗少。此外，建筑、交通等行業(yè)中的基坑雖多為深大基坑、或所處周圍環(huán)境復(fù)雜，但受工期、投資限額等約束相對(duì)較少，且基坑尺度相對(duì)規(guī)則，在設(shè)計(jì)中發(fā)揮及借鑒的自由度相對(duì)較大。

本文以沿海某軟土地基的閘泵工程深基坑設(shè)計(jì)為例，結(jié)合建設(shè)條件、周邊環(huán)境、場(chǎng)地條件等多種外部因素約束，提出施工時(shí)序合理安排、多種支護(hù)結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用、永臨結(jié)合等整體優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)性、綜合性地探索中小型水利工程深基坑的多目標(biāo)優(yōu)化建設(shè)方案。

2 基坑建設(shè)條件

2.1 基坑規(guī)模

工程建設(shè)場(chǎng)地位于溫州瑞安市城區(qū)，擬建一座中型閘站連通城區(qū)河道與外江進(jìn)行排澇。工程包含主體閘泵、交通橋、出水池、出水箱涵、內(nèi)河連接擋墻和河道。建設(shè)地塊近似組合長(zhǎng)方形，工程整體基坑面積為7 015 m2（各分區(qū)基坑）：基坑?xùn)|西長(zhǎng)179 m（沿水流方向），基坑南北向長(zhǎng)62 ～ 30 m（垂直水流方向）。根據(jù)現(xiàn)狀場(chǎng)地高程及結(jié)構(gòu)不同部位建基面高程，工程開(kāi)挖深度為5.200 ～ 7.585 m。

2.2 場(chǎng)地周邊環(huán)境

基坑西側(cè)為濱江大道和飛云江，東側(cè)為市政道路，南側(cè)為住宅小區(qū)，北側(cè)為施工管理用房（見(jiàn)圖1）。

圖1 工程基坑平面布置圖（含三期施工）圖

2.3 水文地質(zhì)條件

建設(shè)場(chǎng)地開(kāi)挖范圍內(nèi)土體由上至下分為9 層，各土層物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。場(chǎng)地軟弱土層較厚，約30 m，土層壓縮性較高，承載力、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)較低；場(chǎng)地土層滲透性弱；地下水水位2.80 ～ 3.42 m。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

3 基坑設(shè)計(jì)施工難點(diǎn)和對(duì)策

3.1 工程難點(diǎn)

（1）投資受限，結(jié)構(gòu)安全度設(shè)計(jì)不易。建設(shè)場(chǎng)地狹小，需進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，而臨時(shí)工程措施費(fèi)用極為有限；如何在滿足結(jié)構(gòu)安全、功能完整的基礎(chǔ)上，盡可能減少臨時(shí)工程費(fèi)用是本工程的主要難點(diǎn)。

（2）工期緊，施工對(duì)交通道路干擾大。工程建設(shè)范圍區(qū)域較長(zhǎng)且穿越城市道路，交通斷流影響大；減弱乃至消除工程施工對(duì)城市主干道的斷流影響，缺乏類似工程經(jīng)驗(yàn)。

（3）跨汛期施工，基坑需結(jié)合圍堰設(shè)計(jì)要求綜合考慮。工程出水口箱涵與外江框架式防洪堤銜接，如何結(jié)合工程建設(shè)條件、進(jìn)度設(shè)計(jì)，減小臺(tái)汛期對(duì)臨江基坑的施工影響較為關(guān)鍵。

（4）周邊環(huán)境復(fù)雜。高層建筑距離鄰近基坑支護(hù)邊線約30 m，且工程穿越沿江道路；應(yīng)合理考慮周邊建筑物、道路通行對(duì)基坑設(shè)計(jì)、施工的影響。

（5）場(chǎng)地條件不佳。工程主體結(jié)構(gòu)部位位于深厚軟土區(qū)，支護(hù)結(jié)構(gòu)可選型式較少，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加。

（6）節(jié)能環(huán)保要求較高。工程位于城區(qū)沿江重要區(qū)塊，社會(huì)關(guān)注度高，除主體建筑物作為水利工程形象標(biāo)識(shí)，應(yīng)滿足節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)要求，其施工作業(yè)期間也應(yīng)滿足相應(yīng)要求。

3.2 方案設(shè)計(jì)思路

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜、場(chǎng)地條件不佳，支護(hù)結(jié)構(gòu)不但要考慮基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物、道路及臨江施工的影響，也需要從經(jīng)濟(jì)合理的角度去探究?jī)?yōu)化。綜合各制約因素，優(yōu)化方案思路：

（1）分期施工。傳統(tǒng)的水工建筑物（水閘、泵站等水利樞紐工程）施工通常從閘、泵主體結(jié)構(gòu)入手，后分別施工上游、下游連接段。本工程構(gòu)筑物多，考慮工期緊迫、施工條件不佳（穿路、臨江），根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)道路情況分期分段施工，合理安排區(qū)段施工順序，可有效加快施工進(jìn)度、減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。

（2）多種支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合應(yīng)用。結(jié)合基坑不同部位尺度及其所處不同環(huán)境，采用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)以發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，在合理控制結(jié)構(gòu)安全度下控制造價(jià)。

（3）永臨結(jié)合。結(jié)合以往工程案例，常規(guī)水利工程中不考慮永臨結(jié)合，臨時(shí)工程僅為永久工程順利施工提供保證，特殊設(shè)計(jì)的永臨結(jié)合結(jié)構(gòu)也僅限于河道駁岸、水閘（泵站）樞紐連接段翼墻等[7]；本工程除連接段擋墻采用永臨結(jié)合，主體閘泵也結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)兩用（施工期與運(yùn)行期），以期滿足功能性和經(jīng)濟(jì)性要求。

4 基坑方案重點(diǎn)設(shè)計(jì)優(yōu)化

4.1 施工時(shí)序優(yōu)化

為減少對(duì)周圍交通的影響，依據(jù)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征及建設(shè)條件，基坑施工分3 期進(jìn)行：Ⅰ期施工出水池、1#箱涵、主體閘泵、交通橋及內(nèi)河翼墻；Ⅱ期施工2#、3#出水箱涵（利用非汛期有利條件）；Ⅲ期施工內(nèi)河連接段河道擋墻。Ⅰ期主體工程施工期，2 條市政道路保持通行，Ⅱ期施工下游箱涵，交通分流至沿江西路，Ⅲ期施工上游連接段，濱江大道恢復(fù)通行。施工總平面布置（含三期）及基坑周邊環(huán)境見(jiàn)圖1。施工I 期基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)平面見(jiàn)圖2。

圖2 Ⅰ期基坑典型支護(hù)平面圖

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化

組合結(jié)構(gòu)包含豎向支護(hù)組合形式和平面支護(hù)組合形式。

豎向組合：放坡開(kāi)挖（場(chǎng)地高程4.300 ～ 1.800 m）+支護(hù)結(jié)構(gòu)（支護(hù)結(jié)構(gòu)頂高程～相應(yīng)結(jié)構(gòu)建基面高程）；

平面組合：在平面上根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部位的變形要求和安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)。主體閘泵及內(nèi)河連接段結(jié)構(gòu)部位采用雙排樁結(jié)構(gòu)支護(hù)，濱江大道側(cè)采用鋼管樁，其余則選用鋼板樁。

工程各分期基坑剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 各剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)表

4.3 永臨結(jié)合設(shè)計(jì)優(yōu)化

本工程施工開(kāi)挖深度最深部位為主體閘泵，工程區(qū)存在深厚軟土層，而主體閘泵結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，涉及設(shè)備安裝等，施工時(shí)間較長(zhǎng)；雙排樁自身結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，能較好地控制支護(hù)結(jié)構(gòu)位移，提供較大的施工作業(yè)空間，同時(shí)其作為工程永久結(jié)構(gòu)（完工后作為主體結(jié)構(gòu)副廠房基礎(chǔ)）能節(jié)省工程投資、縮減工期，且支撐布置數(shù)量較單排圍護(hù)灌注樁減少，施工相對(duì)便捷，整體基坑的施工影響范圍較小。圖3 ～ 4 為雙排樁門架結(jié)構(gòu)作為永久與臨時(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。

圖4 完工后主體結(jié)構(gòu)剖面圖（副廠房基礎(chǔ)）

5 施工期控制

（1）設(shè)計(jì)方案和施工方案充分評(píng)審。邀請(qǐng)水利、建筑、市政基坑專家對(duì)基坑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行咨詢和審查，吸收各行業(yè)有益的工程經(jīng)驗(yàn)。

編制專項(xiàng)施工方案，邀請(qǐng)行業(yè)專家再次進(jìn)行評(píng)審，確保施工安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理。

（2）加強(qiáng)施工期監(jiān)測(cè)。編制專項(xiàng)基坑監(jiān)測(cè)方案，明確不同部位和階段的監(jiān)測(cè)措施，加強(qiáng)施工期的安全巡視和測(cè)量。施工實(shí)踐表明，基坑可靠，變形小，為工程順利安全施工打下良好的基礎(chǔ)。

（3）責(zé)任明確，領(lǐng)導(dǎo)重視。領(lǐng)導(dǎo)重視，業(yè)主、監(jiān)理、總承包、施工分包、監(jiān)測(cè)單位各司其職，群策群力，為工程施工創(chuàng)造良好的條件。

6 方案評(píng)價(jià)

（1）經(jīng)濟(jì)效益。以主體閘泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化為例，通過(guò)永臨結(jié)合的雙排樁結(jié)構(gòu)節(jié)約空間、成本且能滿足基坑穩(wěn)定和施工作業(yè)的安全要求；同時(shí)，與常規(guī)的“單排鋼筋混凝土排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)+鋼筋混凝土內(nèi)支撐圍護(hù)體系”相比，節(jié)省相應(yīng)部位臨時(shí)工程費(fèi)用約80%；工地少產(chǎn)生約800 t 建筑垃圾；施工周期的縮短使工程盡早發(fā)揮社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，令投資得以早日回報(bào)。對(duì)于需要深基坑支護(hù)的中小型水利工程而言，結(jié)構(gòu)形式整體優(yōu)化帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)大于局部精簡(jiǎn)所帶來(lái)的造價(jià)控制。

（2）施工工期。本工程各分期基坑施工均按計(jì)劃完成，鋼板樁、鋼管樁及鋼支撐的應(yīng)用節(jié)省了鋼筋、模板等加工時(shí)間，同時(shí)節(jié)省了混凝土結(jié)構(gòu)支護(hù)構(gòu)件的澆筑養(yǎng)護(hù)時(shí)間和拆除時(shí)間；工程實(shí)施過(guò)程順利，可較常規(guī)支護(hù)結(jié)構(gòu)施工周期縮短近2 個(gè)月（主體結(jié)構(gòu)部位），基坑工程相關(guān)工期數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比見(jiàn)表4。

表3 基坑工程工期數(shù)據(jù)表 d

表4 基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值對(duì)比表

（3）結(jié)構(gòu)安全。根據(jù)表4 的方案模型計(jì)算值與實(shí)際監(jiān)測(cè)值對(duì)比，可見(jiàn)本工程方案結(jié)構(gòu)可靠，滿足安全儲(chǔ)備要求，原相關(guān)參數(shù)取值基本合理。

計(jì)算值與監(jiān)測(cè)值存在差異，主要原因：理論計(jì)算模型中參數(shù)取值未考慮水泥土的加固作用，且對(duì)軟土層土體指標(biāo)有適當(dāng)折減；基坑水平位移計(jì)算值取值為支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形值，而部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑放坡坡頂；雙排樁內(nèi)支撐計(jì)算模型中，支護(hù)結(jié)構(gòu)以單排樁作為簡(jiǎn)化模型計(jì)算，未考慮雙排樁的空間受力對(duì)基坑內(nèi)支撐作用的有利影響。綜上，內(nèi)力、變形計(jì)算值較實(shí)際監(jiān)測(cè)值大。

（4）環(huán)保效益。永臨結(jié)合的方案實(shí)施節(jié)省了建筑材料，也縮減了常規(guī)單排樁支護(hù)方案所需的支撐數(shù)量；同時(shí)，鋼支撐的運(yùn)用避免了混凝土支撐拆除所造成的材料浪費(fèi)和環(huán)境污染。此外，工地棄土量的減少也體現(xiàn)了本工程設(shè)計(jì)方案的環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

7 結(jié) 語(yǔ)

（1）對(duì)于中小型水利工程（水閘、泵站）而言，深基坑合理的整體布置方案優(yōu)化較局部構(gòu)件的尺度、材料優(yōu)化，對(duì)工程整體的工期、造價(jià)影響更為關(guān)鍵。在施工工期、資金、場(chǎng)地條件、環(huán)保、周邊復(fù)雜環(huán)境等多因素約束條件下，建議進(jìn)行多種支護(hù)方案分析比較，擇優(yōu)方案進(jìn)行支護(hù)。

（2）水利工程因其組成建筑物的功能特點(diǎn)，配合不同部位的外部條件，其基坑工程具有多樣性、復(fù)雜性。多種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式的使用，對(duì)于造價(jià)和工期能起到有利的調(diào)節(jié)作用。

（3）在開(kāi)挖較深、周圍環(huán)境復(fù)雜、深厚軟土地區(qū)的開(kāi)敞式水利工程基坑，采用雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)是可行的方案，可減少基坑支撐設(shè)置，加快施工進(jìn)度，方便施工。

（4）限額設(shè)計(jì)的中小型水利工程，基坑永久與臨時(shí)結(jié)構(gòu)結(jié)合對(duì)于造價(jià)、工期的縮減提升明顯；條件允許時(shí)可采用雙排樁、鋼筋混凝土板樁等形式，結(jié)合主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮自身結(jié)構(gòu)在施工期與運(yùn)行期的效用，以大幅減少工期和造價(jià)。

（5）需要穿路阻斷交通的水利工程應(yīng)減少整體開(kāi)挖，合理安排施工時(shí)序、分段分期施工，利用已建的結(jié)構(gòu)作為交通分流通道緩解對(duì)環(huán)境影響，同時(shí)結(jié)合工程度汛要求安排結(jié)構(gòu)施工順序。相鄰施工區(qū)段，可利用前一區(qū)段的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重復(fù)利用，避免拆樁打樁，節(jié)省工序、節(jié)約用材，有益于節(jié)能環(huán)保。