某新建電排泵站工程中基坑開挖支護設(shè)計

賈小明

(塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆 阿克蘇 843000)

1 工程概況

某項目區(qū)現(xiàn)狀排洪渠出口處無電排站，僅靠出口處的排澇涵閘自排。當(dāng)外河水位低于排洪溝水位的時候，依靠水閘自排；當(dāng)外河水位高于排洪溝水位的時候，水閘無法自排，受浸頻繁，受浸時間長。

因此，需通過新建電排站解決項目區(qū)內(nèi)外河水倒灌排洪渠而無法自排的問題，與現(xiàn)狀排洪渠排澇閘共同承擔(dān)排除澇區(qū)澇水的任務(wù)。工程排澇面積4.19 km2，設(shè)計排澇流量6.82 m3/s，總裝機容量520 kW，裝機2臺。該工程屬于Ⅳ等小(Ⅰ)型電排泵站，排澇設(shè)計標準采用10年一遇最大24 h暴雨所產(chǎn)生的徑流量2 d排干設(shè)計，綜合排澇模數(shù)為1.493 m3/(s·km2)，排澇流量為6.26 m3/s。

新建電排站工程由引水渠、攔污柵、檢修閘、前池、泵站廠房、出水池組成。電排站基坑開挖深約4～5 m，為淺基坑，根據(jù)勘探揭露情況，各土層工程物理力學(xué)性質(zhì)較差。因此，在工程施工時，對泵房的基坑和排水箱涵需采取基坑和坑壁支護處理措施。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆孔揭露，泵站站址地層主要包括第四系人工填土層(Qs)、 河流沖積層(Qal)及海陸交互相沉積層(Qmal)。根據(jù)區(qū)內(nèi)出露地層的巖性、成因及物質(zhì)組成特征劃分為四大類，泵站站址土體自上至下為：①素填土、②-1粉質(zhì)黏土層、②-2淤泥層、②-4粉質(zhì)黏土層、③淤泥質(zhì)土層、④-1中粗砂層、④-2粉質(zhì)黏土層、④-3中粗砂層、④-4淤泥質(zhì)土層、④-5中粗砂層、④-6粉質(zhì)黏土層、④-7中粗砂層。箱涵地層與站基基礎(chǔ)基本一致，但上部人工填土層為松散狀，底下②-1粉質(zhì)黏土層層厚較薄，其下為②-2淤泥軟土層，層厚3.40 m，稍厚，易產(chǎn)生較大沉降。根據(jù)地質(zhì)條件情況，建議出水箱涵基底對表層松散表土進行清除并夯實，基礎(chǔ)若采用換填基礎(chǔ)，基坑開挖需超過5.0 m。因此可采用樁基礎(chǔ)，以下部④-1中粗砂層作為樁基礎(chǔ)持力層，但需對下部④-4淤泥質(zhì)土層軟土層進行沉降穩(wěn)定復(fù)核?；痈魍翆庸こ涛锢砹W(xué)性質(zhì)較差，建議坑壁采用鋼板樁支護加固，基坑采用水泥攪拌樁處理?；又ёo設(shè)計巖土參數(shù)建議值見表1，土層邊坡開挖建議值見表2。

表1 基坑支護設(shè)計有關(guān)的巖土參數(shù)建議值

表2 建議土層開挖邊值

3 基坑支護設(shè)計方案

3.1 基坑坑壁支護方案

根據(jù)勘探揭露地質(zhì)情況并結(jié)合基坑周邊環(huán)境，基坑的安全等級為二級，基坑周邊的環(huán)境相對復(fù)雜，不具備放坡條件，建議坑壁進行支護處理[1]?？颖谥ёo方案：本工程因受到場地限制因素制約，采用鋼板樁支護結(jié)構(gòu)，在4～10 m支護條件下，入土深度約為支護高度的1.0～1.5倍。本工程支護高度3.95 m，因基礎(chǔ)下存在厚4.3 m的淤泥層，故入土深度按1.5倍計算為5.925 m，加地面露出0.3 m，總計長度 10.175 m。選用長度12 m拉森Ⅲ鋼板樁，前后排樁采用Φ30@1 200 mm鋼拉桿連接，拉桿兩端使用槽鋼固定，雙排鋼板樁支護的大樣圖見圖1，圍護周長共127 m。

擬建場地的地下水豐富，地下水位埋藏淺，本工程基坑建議采取基坑截水處理，并在基坑周圍挖排水溝、集水井進行明溝排水，確?；硬槐凰?。

圖1 雙排鋼板樁支護的大樣圖

鋼板樁穩(wěn)定計算如下：工程計算范圍內(nèi)，根據(jù)地質(zhì)勘探自上而下存在雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、中粗砂層，鋼板樁為直墻背，采用加權(quán)平均法計算內(nèi)摩擦角和重度。見圖2。

3.1.1 土壓力系數(shù)

墻后主動土壓力系數(shù)：

φcp=7.15°，γcp=16.88 kN/m3，H=11.7 m

主動土壓力系數(shù)：

圖2 計算簡圖

墻前被動土壓力系數(shù)：

φcp=8.02°，γcp=17.12 kN/m3，H=7.75 m

被動土壓力系數(shù)：

3.1.2 計算樁底土壓力強度

樁底主動土壓力強度：

qa=γHKa=16.88×11.7×0.78

=154.05 kN/m2

樁底被動土壓力強度：

qb=γHKb=17.12×7.75×1.32

=175.14 kN/m2

土壓力疊加后，通過試算得出主動土壓力強度和被動土壓力強度值代數(shù)疊加值為0點，得出t0點，t=h0-t0=6.724 m。

3.1.3 計算鋼板樁的穩(wěn)定性

通過計算被動土壓力fco對樁底c點的力矩M1=2 480.64 kN·m；通過計算主動土壓力abod對樁底c點的力矩M2=190.78+767.01=957.79 kN·m，則穩(wěn)定安全系數(shù)k=M1/M2=2 480.64/957.79=2.58≥2，滿足要求。

3.2 基坑支護方案

根據(jù)站址內(nèi)地層分布情況和地基承載力大小，結(jié)合相關(guān)地基處理規(guī)范，針對站址地基淤泥軟弱土層的分布情況、物理力學(xué)特性及深度，本文采用水泥攪拌樁加固措施進行地基處理[2]。水泥攪拌樁具體布置方式如下：

根據(jù)地質(zhì)情況，泵站采用直徑600水泥攪拌樁進行地基加固。圍封處理的水泥攪拌樁樁心距為450 mm，相鄰樁重合長度不小于150 mm；其余樁心縱橫間距均為1 200 mm。圍封處理及圍封處理范圍以內(nèi)的攪拌樁水泥含量18%，水泥攪拌樁選用42.5R號普通硅酸鹽水泥，水泥攪拌樁直徑0.6 m，樁距1.2×1.2，采用正方形布樁，樁底穿過④-1中粗砂層(灰白色、淺灰色、淺黃色，含泥量3%～5%，局部砂質(zhì)較純，級配一般～差，主要呈中密狀，局部稍密～中密，其層厚0.70～3.70 m，層底高程-14.11～-10.64 m)2.0 m，樁底高程-12.41。布置范圍為主泵房樁頂高程-2.90 m、箱涵樁頂高程-2.10 m，水泥攪拌樁布置形式見圖3。

圖3 水泥攪拌樁布置形式示意圖

水泥攪拌樁設(shè)計計算如下：

3.2.1 單樁承載力計算

加固后基礎(chǔ)按復(fù)合地基考慮，按照《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)中公式計算[2]：

(1-0.22)×13.84

=187.48(kPa)

(1)

=1.884×(0.51×4+4.3×13+

2×5.5+2×26.5)

=229.74(kN)

(2)

Ra=ηfcuAP

=0.3×1 500×0.32×3.14

=127.17(kN)

(3)

式中：fspk為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，本次取λ=1.0；m為面積置換率，經(jīng)計算為0.22；Ra為單樁豎向承載力特征值， 229.74 kN；Ap為樁的截面積，0.282 6m2；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，本次取β=0.2；up為樁的周長，1.884 m；qsi為樁周第i層土的側(cè)阻力特征值，kPa；lpi為水泥樁樁長范圍內(nèi)第i層土的層厚度，m；αp為水泥攪拌樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)， 本次取值αp為0.4；qp為樁端地基未修正承載力，kPa；fcu為實驗室內(nèi)按照攪拌樁樁身水泥漿土配比制作的加固土試塊在標準養(yǎng)護條件下(常溫，齡期 90 d)的立方體抗壓強度平均值，設(shè)計計算強度取值1 500 kPa；η為樁身強度折減系數(shù)，取值0.3；Ap為樁的面積，3.14 m2。

兩者計算結(jié)果取最小值，所以Ra=127.17 kPa。

3.2.2 復(fù)合地基承載力計算

(4)

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；m為面積置換率，經(jīng)計算為0.234；Ra為單樁豎向承載力特征值，kN；Ap為樁截面積，m2；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取值0.4；fsk為樁間天然地基土承載力特征值，kPa。

fspk=0.234×127.17÷0.2826+0.4×(1-0.234)×160=154.324(kPa)

泵站基底平均應(yīng)力最大值106.85 kPa<154.324 kPa(修正后的地基承載力特征值)。因此，對地基進行打樁處理后，滿足地基承載力要求。

3.2.3 攪拌樁復(fù)合基礎(chǔ)變形

樁身壓縮量計算公式：

(5)

式中：s1為單樁樁身壓縮量，m；pz、pzl分別為攪拌樁復(fù)合土層頂面和底面的附加壓力值，kPa；Esp為攪拌樁復(fù)合土層的壓縮模量，kPa；l為攪拌樁長度，m；Ep為攪拌樁的變形模量，計算取值為(100～120)fcu(kPa)；Es為攪拌樁間土的壓縮模量，m。

3.2.4 復(fù)合樁基礎(chǔ)以下土的壓縮變形

復(fù)合樁基礎(chǔ)以下土的壓縮變形s2(即下列公式中的s′)采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2002)中的公式計算[3]，即：

(6)

式中：s為地基處理后最終沉降量，mm；s′為按分層總和法得到的地基沉降量，mm；Ψs為地基沉降量計算經(jīng)驗系數(shù)，取值1.3；n為地基沉降變形計算深度范圍內(nèi)按照地層巖性所劃分的土層數(shù)，數(shù)值為10；p0為對應(yīng)于荷載效應(yīng)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力，kPa；Esi為基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量，MPa；zi、zi-1分別為基礎(chǔ)底面距第i層土和第i-1層土底面之間的距離，m；ai、ai-1分別為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

表3 復(fù)合土壓縮模量及基礎(chǔ)變形計算表

根據(jù)上述沉降計算，主廠房沉降量小于天然土質(zhì)地基上的地基最大允許沉降量15 cm。

3.3 施工技術(shù)工藝

3.3.1 鋼板樁施工技術(shù)

鋼板樁按照下列程序施工：根據(jù)施工圖及高程放設(shè)沉樁定位線→根據(jù)定位線控設(shè)沉樁導(dǎo)向槽→整修平整施工機械行走道路→沉設(shè)圍護樁→將圍護樁送至指定標高→挖土→砼施工→ 填土→拔除鋼板樁。

鋼板樁施工流程圖見圖4。

圖4 鋼板樁施工流程圖

具體施工步驟如下：①進行鋼板樁外觀檢查與檢驗，外觀檢查主要包括鋼板樁的長度、寬度等尺寸檢查，以及缺損、斷面等缺陷檢查，檢查合格后進行鋼板樁彎曲度、垂直度等性能檢驗，合格后方可施工；②施工前根據(jù)設(shè)計圖紙、高程放出鋼板樁成樁定位線；③打樁前設(shè)置鋼板樁導(dǎo)向圍檁支架，采用H型鋼，保證鋼板樁垂直于沉樁軸線位置，提高打樁精度，制作時先安裝導(dǎo)梁，再將鋼板梁與導(dǎo)梁焊接；④插樁采用履帶式機械手將鋼板樁吊裝至插樁點位置，插樁時采用經(jīng)緯儀檢測樁在水平方向的位移，對不符合精度的樁及時矯正或拔出，重新插樁，樁頂高程必須保持在統(tǒng)一高程平面上；⑤拔除鋼板樁采用履帶式機械手，鋼板樁拔出拔樁順序應(yīng)與打樁順序相反，鋼板樁離河堤、鄉(xiāng)村道路較近，為防止鋼板樁產(chǎn)生的位移、沉降等影響，鋼板樁拔除時采取每隔2～4根進行“跳拔”的方式，拔樁前先震動2 min，待松動后再拔出。

3.3.2 水泥攪拌樁施工技術(shù)

本工程選擇PH-5D型水泥攪拌樁機鉆進、攪拌成樁，主電機功率45 kW，進提鉆速度0.27～2.7 m/min。水泥攪拌樁施工分以下幾個步驟完成[4]：①樁機就位；②制備水泥漿；③攪拌噴漿下沉；④噴漿、攪拌提升；⑤重復(fù)攪拌下沉和提升；⑥重復(fù)①-⑤。

其主要施工工藝為：①將水泥攪拌樁機移到指定樁位，鉆頭對準設(shè)計樁位進行對中、校正，并保持樁機在水平方向水平、豎直方向保持垂直；②水泥漿液采用42.5R號普通硅酸鹽水泥，在集料斗按樁長、設(shè)計水灰配合比配制水泥漿，設(shè)計摻入比18%，確定用灰量每米55～60 kg；③啟動主機，使攪拌機鉆桿邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)下沉；④當(dāng)下沉到設(shè)計深度后，鉆機低速慢轉(zhuǎn)，在設(shè)計深度繼續(xù)轉(zhuǎn)動2 min左右，噴漿反轉(zhuǎn)提升樁頂位置；⑤再次將攪拌機鉆桿邊噴漿邊旋轉(zhuǎn)沉入樁底，以確保水泥漿和土攪拌均勻； 樁機下沉到樁底后噴漿攪拌提升到樁頂，距地面50 cm結(jié)束送漿，成樁；⑥移機，施工下一攪拌樁。

3.4 基坑施工監(jiān)測

電排站周邊以河道堤防及村道為主，為了保證基坑開挖和周邊相鄰建筑物的安全，基坑開挖施工過程中應(yīng)進行現(xiàn)場監(jiān)測。監(jiān)測項目包括基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移、邊坡坡頂水平及豎向位移、基坑周邊建筑物變形監(jiān)測、地下水位監(jiān)測等[3]。具體布置如下：在基坑?xùn)|側(cè)邊坡頂部設(shè)置4個水平及豎向位移監(jiān)測點，監(jiān)測點間距約20 m；在灌注樁樁頂聯(lián)系梁上設(shè)置5個水平及豎向位移監(jiān)測點，監(jiān)測點間距約20 m；在灌注樁樁體內(nèi)埋設(shè)測斜管，共埋設(shè)3支，每支間距約30 m，用于監(jiān)測樁體的深層水平位移。在泵站基坑周邊內(nèi)外側(cè)共埋設(shè)3 支測壓管，用于監(jiān)測基坑開挖過程中地下水位變化情況。在基坑與東側(cè)管理房間設(shè)沉降、位移觀測水準點，共3個，用于觀測該部位土體變形情況。以上各項監(jiān)測的時間間隔根據(jù)施工進程確定，當(dāng)監(jiān)測結(jié)果變化速率較大時，應(yīng)加密觀測次數(shù)。

4 結(jié)論及建議

本文的排水箱涵和泵站基坑支護設(shè)計，結(jié)合了工程區(qū)地形地質(zhì)條件、電排站工程布置型式、站址周邊建筑物等因素，并參照基坑支護設(shè)計與施工的相關(guān)規(guī)范和技術(shù)要求，結(jié)合已建類似工程基坑支護設(shè)計施工的成功經(jīng)驗，分別采用水泥攪拌樁和鋼板樁兩種支護型式進行基坑設(shè)計。工程于2018年雨季來臨前完成施工， 經(jīng)第三方現(xiàn)場監(jiān)測，樁頂最大位移12 mm，地面最大沉降量225 mm，滿足設(shè)計要求。結(jié)果表明，該電排站工程支護體系合理有效，達到了支護預(yù)期效果，安全、經(jīng)濟，為類似工程的設(shè)計和施工積累了經(jīng)驗，可提供有益的參考和借鑒。