緊鄰曹娥江堤腳某泵站深基坑圍護(hù)方案研究

余建平，吳留偉，吳 蕾

（浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

1 問題的提出

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，開發(fā)建設(shè)中土地利用與河道、水面保護(hù)的矛盾突出，原有自然水系部分遭到破壞，河網(wǎng)水面分布不均，水體循環(huán)較差，而區(qū)域河道的排澇工程未配套，排澇出口偏少，排澇能力有限，洪水期容易受淹。且近年來，暴雨等災(zāi)害性天氣對人民群眾生產(chǎn)生活造成較大影響，水利排澇泵站工程是平原和城市“治澇水”的主要工程措施之一[1]。建設(shè)排澇泵站，一方面通過打通中心排澇河向外排，加強(qiáng)水系溝通，增強(qiáng)洪水排泄能力；另一方面，可進(jìn)一步提高片區(qū)調(diào)蓄能力。

由于工程布置需要，排澇泵站多建設(shè)在河道堤防內(nèi)側(cè)。建設(shè)初期，存在堤防內(nèi)側(cè)深大基坑開挖問題，為堤防的度汛安全帶來全新挑戰(zhàn)。堤防是抵御洪水的重要屏障，而基坑開挖對堤防沉降、變形都會產(chǎn)生影響，一旦出現(xiàn)事故，后果非常嚴(yán)重。且基坑圍護(hù)范圍內(nèi)存在大量粉土，粉土是一種工程性質(zhì)多變的土類，其物理力學(xué)性質(zhì)介于細(xì)粒無黏性土和黏性土之間，工作性態(tài)復(fù)雜[2]。江邊基坑地下水補(bǔ)給充分，地下水位高，再加上粉土滲透穩(wěn)定性差，抗?jié)B強(qiáng)度低，進(jìn)行深基坑開挖容易出現(xiàn)管涌等現(xiàn)象，引起土體流失，造成基坑變形過大和鄰近地面沉降[3]。此外，在臨江深基坑工程中，往往由于止水帷幕的選擇不當(dāng)或施工質(zhì)量控制不嚴(yán)，地下水滲漏和支護(hù)體系變形等事故經(jīng)常發(fā)生[4]。

本文結(jié)合緊鄰曹娥江堤腳某泵站深基坑工程，在保證堤防安全度汛的前提下，通過對工程地質(zhì)情況和施工條件的分析，結(jié)合基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，對基坑支護(hù)和地基中含有較深厚粉土層的降水措施進(jìn)行研究。考慮施工導(dǎo)流及工程度汛要求，提出主體工程不同區(qū)域分2期施工的深基坑圍護(hù)方案，并取得良好效果，可為緊鄰堤防的泵站深基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)、施工提供參考。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

本工程位于紹興市上虞區(qū)境內(nèi)曹娥江左岸，由內(nèi)河側(cè)護(hù)底、泵站（進(jìn)出水池、泵室、節(jié)制閘）、穿堤箱涵、外江側(cè)引河等組成。泵站為整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，泵室段長10.50 m，寬22.80 m。進(jìn)水池和出水池分別位于泵室段的西側(cè)和東側(cè)，平行布置，長6.00 m，寬22.80 m。進(jìn)水池、出水池南側(cè)接內(nèi)河護(hù)底，北側(cè)各自通過6.00 m×3.00 m（寬×高）混凝土箱涵穿過曹娥江堤防后與外江側(cè)引河連接。工程平面布置見圖1。

工程緊鄰曹娥江大堤，最大開挖深度約13.40 m，地質(zhì)條件復(fù)雜。為保證泵站施工期周邊環(huán)境及曹娥江堤防的安全，確保工程順利實(shí)施，結(jié)合施工導(dǎo)流方案，須在汛前完成泵站主體工程的施工。因此，根據(jù)施工組織考慮對開挖深度大的泵室施工區(qū)域、穿堤箱涵施工區(qū)域采取基坑圍護(hù)措施。

圖1 工程平面布置圖

2.2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)氣候溫和，雨量充沛，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。地下水類型主要為基巖裂隙水和第四系松散堆積物孔隙潛水?；鶐r裂隙水主要受斷層及節(jié)理控制，深部基巖一般為不透水層；孔隙潛水主要埋藏于第四系松散堆積層中。地下水一般受大氣降水補(bǔ)給，并向江、河等地表水體排泄。

根據(jù)工程地質(zhì)勘查成果，主要地層特性自上而下敘述如下：①層為素填土，由粉質(zhì)黏土及少量碎石等組成，厚1.40～2.80 m；②1層為黏質(zhì)粉土，以黏質(zhì)粉土為主，厚6.60～7.80 m；②2層為砂質(zhì)粉土，以砂質(zhì)粉土為主，厚3.10～5.00 m；③層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥為主，夾粉土，厚6.00～14.90 m；④層為粉砂，以粉砂為主，厚2.00～3.00 m；⑤層為粉質(zhì)黏土，以粉質(zhì)黏土為主，厚9.10～9.90 m。各土層主要物理力學(xué)特性指標(biāo)見表1。

表1 土層主要物理力學(xué)特性指標(biāo)表

3 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

綜合地理位置、地質(zhì)條件、基坑開挖深度及周圍環(huán)境條件，本基坑施工具有如下特點(diǎn)及難點(diǎn)：

（1）最大開挖深度約13.40 m，基坑開挖深。

（2）基坑開挖區(qū)間分布有厚度不等的砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具有高壓縮、低強(qiáng)度的特點(diǎn)，對基坑整體穩(wěn)定和變形控制不利。

（3）穿堤箱涵施工開挖過程中將挖穿曹娥江大堤，邊坡及基礎(chǔ)以粉土及粉砂為主，場地地下水位高于箱涵開挖底高程，粉土及粉砂在施工過程中易發(fā)生流土、管涌等現(xiàn)象，開挖時須做好降水、排水以及雨季的防水工作，防止坑壁坍塌、坑底流土、管涌、隆起等現(xiàn)象發(fā)生。

（4）基坑坑底高程變化大，底高程從-2.60～0.10 m，基坑內(nèi)涉及建筑物多，有泵站、出水箱涵等，須根據(jù)不同建筑物型式，不同底高程，進(jìn)行相應(yīng)的基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)。

（5）基坑緊鄰曹娥江，臨河側(cè)需要布置圍堰擋水；基坑地下水位埋深淺，需加強(qiáng)對水位的控制；基坑堤防側(cè)下部含有粉土、粉砂等，容易誘發(fā)滲透變形，需考慮設(shè)置防滲帷幕等，對基坑內(nèi)外地下水進(jìn)行封閉。

（6）基坑外江側(cè)為曹娥江大堤，因曹娥江大堤汛期承擔(dān)重要防洪作用，故基坑開挖須在非汛期施工，以減少汛期基坑開挖風(fēng)險。

4 基坑圍護(hù)方案

4.1 基坑施工分期及施工時段選擇

本工程基坑北側(cè)為曹娥江堤防，南側(cè)為江西路。由于曹娥江大堤為1級堤防，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，考慮到曹娥江大堤的重要性，結(jié)合工程施工難度、導(dǎo)流方案等因素，基坑圍護(hù)分2期實(shí)施。一期基坑為泵站主泵室段圍護(hù)，施工期間可利用曹娥江堤防擋水；二期基坑為穿堤箱涵圍護(hù)，施工時間較短，但考慮到穿堤箱涵底部開挖施工以及工程的防洪度汛問題，曹娥江側(cè)考慮采用臨時圍堰擋水。

根據(jù)工程所在地區(qū)的水文特征，結(jié)合施工進(jìn)度安排，一期基坑安排在2019年6月至2020年2月施工，二期基坑安排在2019年10月至2020年2月施工。

4.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總體方案

工程北側(cè)緊鄰曹娥江堤防，不具備放坡條件，同時涉及導(dǎo)流問題，考慮非汛期曹娥江大堤拆除后，基坑周邊具有一定空間，為減少垂直支護(hù)深度，降低基坑工程造價，在基坑上部土質(zhì)較好區(qū)域采用放坡開挖方案。而整個基坑開挖深度較深，開挖范圍內(nèi)土層復(fù)雜，且存在淤泥、淤泥質(zhì)土等深厚軟土結(jié)構(gòu)，為保證基坑安全，泵室主體段采用混凝土灌注樁加支撐圍護(hù)方案，穿堤箱涵段考慮部分放坡開挖結(jié)合灌注樁懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)方案。

4.2.1 一期基坑

泵室左右岸自進(jìn)口16.70 m范圍內(nèi)先將地面整平至5.00 m高程，然后按1:2放坡至3.00 m高程，邊坡底寬8.00 m。從3.00 m高程布置單排鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁間距1.00 m，左側(cè)樁長22.00 m，右側(cè)樁長18.00 m。

泵室左右岸自出口7.10 m范圍內(nèi)從地面8.00 m高程左右按1:2放坡至5.00 m高程，邊坡底寬2.00 m。從5.00 m高程布置單排鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁間距1.00 m，左側(cè)樁長28.00 m，右側(cè)樁長20.00 m。

泵室出口側(cè)靠近曹娥江堤防，不具備放坡開挖條件，考慮從堤頂10.80 m高程按1:1邊坡放坡至5.00 m高程，堤防放坡采用土釘墻支護(hù)。從5.00 m高程布置單排鉆孔灌注樁，樁徑800 mm，樁間距1.00 m，左側(cè)19.00 m范圍內(nèi)樁長30.00 m，右側(cè)8.50 m范圍內(nèi)樁長22.00 m。

排樁頂部均采用冠梁連接形成整體，寬1.00 m，高0.80 m。為控制基坑樁底位移、保證基坑穩(wěn)定，在鉆孔灌注樁中部（3.00 m高程）設(shè)置混凝土斜撐，在斜撐中間間隔設(shè)置格構(gòu)柱支撐。

4.2.2 二期基坑

從堤頂10.80 m高程按1:2邊坡放坡至2.50 m高程，邊坡底寬5.00 m，在7.10 m高程設(shè)置一級馬道，馬道寬2.00 m。在2.50 m高程布置單排鉆孔灌注樁，樁徑800 mm。左側(cè)樁長25.00 m，樁間距1.00 m；右側(cè)樁長15.00 m，樁間距1.20 m。排樁頂部采用冠梁連接形成整體，寬1.00 m，高0.80 m，均采用懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

由于基坑緊鄰曹娥江，地下水補(bǔ)給豐富，地層中有粉土、粉砂，滲透穩(wěn)定性差，抗?jié)B強(qiáng)度低，因此本基坑工程圍護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于地下水位控制。根據(jù)鄰近工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用帷幕截水和基坑降水相互結(jié)合的方案控制地下水位，在支護(hù)樁外側(cè)設(shè)置2道D700雙軸水泥攪拌樁止水帷幕，基坑內(nèi)采用管井和真空輕型井點(diǎn)降排水。

4.3 基坑穩(wěn)定分析

本工程圍護(hù)體系側(cè)壓力計(jì)算根據(jù)朗肯土壓力理論按砂土層水土分算、黏土層水土合算、分層計(jì)算的原則進(jìn)行；基坑整體穩(wěn)定驗(yàn)算采用瑞典圓弧條分法；排樁墻計(jì)算采用彈性地基梁法，土體彈簧常數(shù)采用m法確定。根據(jù)基坑挖土深度和周邊環(huán)境、地質(zhì)條件情況的不同，基坑共分8個設(shè)計(jì)剖面（見圖2），并對每個剖面不同的工況進(jìn)行分析。

對基坑整體穩(wěn)定、坑底抗隆起、墻底抗隆起、抗傾覆等安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（見表2），結(jié)果均符合規(guī)范要求。

表2 基坑剖面計(jì)算結(jié)果匯總表

圖2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)剖面布置圖

5 基坑開挖及基坑監(jiān)測

5.1 基坑開挖施工技術(shù)

5.1.1 一期基坑開挖

（1）對主泵室左右岸段基坑場地整平至5.00 m高程，基坑四周布置磚砌水溝，基坑邊坡表面噴混凝土防護(hù)，布設(shè)井點(diǎn)，對基坑進(jìn)行預(yù)降水，并施工外江側(cè)圍堰，靠近曹娥江段放坡開挖至5.00 m高程，坡面掛網(wǎng)噴護(hù)，施工土釘，并進(jìn)行輕型井點(diǎn)施工。

（2）以5.00 m高程為施工平臺，進(jìn)行雙軸攪拌樁、鉆孔灌注樁、立柱樁、主體結(jié)構(gòu)工程樁等施工，靠近出水池部分區(qū)域按照1:2放坡開挖至3.00 m高程后，進(jìn)行灌注樁冠梁施工。

（3）待壓頂梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以后，開挖到支撐頂高以下0.50 m高程。

（4）施工混凝土支撐和腰梁。

（5）待支撐和腰梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以后，分層開挖至底板墊層底高程。

5.1.2 二期基坑開挖

（1）將穿堤箱涵左右岸從堤頂10.80 m高程分2級放坡至2.50 m高程，坡度均為1:2，中間馬道高程為7.10 m高程。開挖至3.00 m高程后，基坑四周布置磚砌水溝，基坑邊坡表面噴混凝土防護(hù)，并進(jìn)行輕型井點(diǎn)的施工；

（2）以2.50 m高程為施工平臺，進(jìn)行雙軸攪拌樁、鉆孔灌注樁、主體結(jié)構(gòu)工程樁、冠梁等施工。

（3）待壓頂梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以后，分層開挖至底板墊層底高程。

5.2 基坑監(jiān)測及應(yīng)對措施

施工期監(jiān)測主要為泵站基坑開挖監(jiān)測及周邊環(huán)境監(jiān)測?；邮┕て诒O(jiān)測平面布置見圖3。

沉降位移觀測點(diǎn)的觀測周期為2019年10月30日至11月25日，施工開挖周期為2019年11月15——25日。根據(jù)監(jiān)測資料，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)各沉降位移觀測點(diǎn)累計(jì)沉降為6.1～10.2 mm，位移變化為2.1～2.8 mm，施工開挖期間最大沉降量為10.2 mm；基坑左側(cè)邊坡沉降位移觀測點(diǎn)累計(jì)沉降為8.7～14.2 mm，位移變化量為2.5～2.8 mm，施工開挖期間最大沉降量為13.7 mm；基坑右側(cè)邊坡沉降位移觀測點(diǎn)累計(jì)沉降為7.7～9.9 mm，位移變化量為2.2～3.3 mm，施工開挖期間最大沉降量為8.4 mm；曹娥江側(cè)圍堰沉降位移觀測點(diǎn)累計(jì)沉降為45.1～45.9 mm，位移變化量為13.1～13.6 mm，施工開挖期間最大沉降量為14.8 mm；江西路沉降位移觀測點(diǎn)累計(jì)沉降為18.0 mm，位移變化量為3.1 mm，施工開挖期間最大沉降量為9.3 mm。樁號泵站0+008.35 m、樁號泵站0-012.00 m、大廠0+011.00 m處支撐軸力應(yīng)力變化穩(wěn)定。圖4為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降變化曲線圖， 圖5為深層土體水平位移曲線圖，圖6為各觀測點(diǎn)沉降變化曲線圖。

圖3 基坑施工期監(jiān)測平面布置圖

圖4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降變化曲線圖

圖5 深層土體水平位移曲線圖

圖6 各觀測點(diǎn)沉降變化曲線圖

經(jīng)過分析，曹娥江側(cè)圍堰沉降觀測點(diǎn)JK-3、JK-4沉降量偏大，因堰基主要為粉土、淤泥，沉降量偏大屬正?，F(xiàn)象。JK-7為江西路沉降位移觀測點(diǎn)，此處基坑采取放坡開挖的方式，主要為基坑內(nèi)運(yùn)輸通道，且江西路與基坑之間為內(nèi)河?？紤]到基礎(chǔ)主要為粉土、砂質(zhì)粉土，易發(fā)生流土等不利基坑穩(wěn)定的影響，結(jié)合觀測資料，在江西路側(cè)增加鋼板樁支護(hù)。實(shí)施后，江西路側(cè)觀測點(diǎn)趨于穩(wěn)定。

6 結(jié) 論

工程施工期間基坑未發(fā)生較大位移、變形以及其他安全隱患，達(dá)到安全支護(hù)、安全施工的預(yù)期目標(biāo)，同時也滿足設(shè)計(jì)要求?？偨Y(jié)本次緊鄰堤防深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)有幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

（1）在保證堤防安全度汛的前提下，通過對工程地質(zhì)情況和施工條件的分析，結(jié)合施工導(dǎo)流方案，可將泵站主體工程不同區(qū)域分為2期施工，確保汛前將原堤防恢復(fù)。

（2）由于粉土滲透性較大，易形成流土，因此應(yīng)加強(qiáng)基坑防滲措施，開挖深基坑時止水帷幕應(yīng)盡可能深入至相對不透水層。

（3）緊鄰堤防的深基坑開挖施工時，須通過監(jiān)測隨時掌握周邊土體的變化情況，將監(jiān)測數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)預(yù)估值進(jìn)行對比分析，以判斷施工工藝和施工參數(shù)是否需要優(yōu)化，為施工開展及時提供反饋信息，達(dá)到信息化施工的目的。