超大型半地下污水處理廠基坑設(shè)計(jì)與分析

孫仕敏

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

0 引言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加快，集約化土地利用觀念的深入和環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，地下式污水廠近年來在國內(nèi)得到迅速推廣[1]。

地下式集約化污水處理廠的設(shè)計(jì)，尤其是基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)地上的、分散式的污水處理廠，開挖面積和深度更大，建設(shè)復(fù)雜程度也更大[2]，本文以上海市某集約化半地下式污水處理廠超大基坑為實(shí)例，結(jié)合此類基坑的特點(diǎn)與難點(diǎn)，詳細(xì)介紹了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型，基坑設(shè)計(jì)方案，包括圍護(hù)樁（墻）選型，支撐選型，分區(qū)實(shí)施等措施，并著重分析了基坑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，為今后軟土地區(qū)類似深大基坑工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程結(jié)構(gòu)概況

本集約化半地下式污水處理廠位于上海市郊區(qū)，主體結(jié)構(gòu)為一層加蓋鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，包括生物反應(yīng)池、二沉池、反硝化深床濾池、提升泵房及高效沉淀池、加氯接觸池，均半埋于地下。主體結(jié)構(gòu)層高為5.10～9.00 m，局部層高10.00 m，底板自西向東由高到低，底板頂標(biāo)高為-6.90～1.55 m，現(xiàn)狀地面標(biāo)高除東側(cè)為3.80m 外，其余側(cè)為3.00 m?；虞喞獮椴灰?guī)則形狀，平面尺寸為166m ×282 m，基坑開挖深度為1.85～11.9 m?；娱_挖深度分區(qū)平面見圖1，基坑主要區(qū)域開挖深度剖面見圖2。

圖1 基坑開挖深度分區(qū)平面圖

圖2 基坑開挖深度分區(qū)剖面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，本工程基坑開挖影響范圍內(nèi)存在較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，且越靠近場地東側(cè)（底板埋深大處） 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層越厚，普遍達(dá)10.30～11.00 m，場地內(nèi)主要土層基本參數(shù)見表1。

表1 土層基本參數(shù)表

場地內(nèi)淺層地下水屬潛水，勘察期間穩(wěn)定地下水位標(biāo)高在1.96～3.15 m 之間。場地內(nèi)承壓水為第⑥2層承壓水及第⑦1、⑦2層承壓水，其中第⑥2層承壓水勘察期間水位標(biāo)高為-0.79～-0.87m，在基坑開挖場地范圍南側(cè)(A 坑與B 坑交界處附近)呈透鏡體分布，經(jīng)驗(yàn)算，基坑第⑥2層承壓含水層突涌安全系數(shù)為1.128，滿足抗承壓水穩(wěn)定性要求。

1.3 周邊環(huán)境條件

主體基坑周邊環(huán)境以廠區(qū)內(nèi)空地及新征空地為主，箱體北側(cè)、西側(cè)為廠區(qū)內(nèi)空地，南側(cè)原有房屋已拆遷，周邊無重要管線和建（構(gòu)）筑物。主體基坑?xùn)|側(cè)為該污水處理廠二期工程建（構(gòu)）筑物及管線，兩根DN150 水管距離基坑?xùn)|側(cè)分別約為10.4 m 和11.4 m，DN150 水管均為給水PE 管，埋深約1 m；高效沉淀池距離基坑?xùn)|側(cè)最近處約13.7 m，該池體平面尺寸34.7 m×35.2 m，底板埋深6.35 m，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)；圓形二沉池距離基坑?xùn)|側(cè)最近處約14.7 m，池體結(jié)構(gòu)外直徑46.4 m，底板埋深3.30～6.85 m，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)；鼓風(fēng)機(jī)房距離基坑?xùn)|側(cè)約20.2 m，其為單層廠房，平面尺寸60.7 m×15.2 m，基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，內(nèi)配有控制室、配電所、變壓器室、橋式起重機(jī)等?；又苓叚h(huán)境條件見圖3。

圖3 基坑周邊環(huán)境平面布置圖

2 基坑設(shè)計(jì)特點(diǎn)與難點(diǎn)

集約化地下式污水處理廠通常采用一體化箱體設(shè)計(jì)，此類污水處理廠基坑一般具有以下一個(gè)或多個(gè)特點(diǎn)。

（1）基坑面積超大。此類污水處理廠將主要污水處理設(shè)施集中起來布置于地下，且考慮到土建分期實(shí)施難度較大，往往采取后期土建與現(xiàn)期一并實(shí)施，設(shè)備分期安裝的策略，因此集約化地下式污水處理廠基坑開挖面積巨大。本新建工程設(shè)計(jì)規(guī)模為11×104m3/d，基坑面積近37 000 m2。

（2）基坑開挖深度較大，且開挖深度相差大。地下式污水處理廠將整個(gè)水處理構(gòu)筑物池體層置于地下，對全地下廠，生產(chǎn)管理操作層及地面層也位于地下。由于廠區(qū)地面綠化要求，地面層往往需一定厚度的覆土。因此，一般對于半地下式污水處理廠基坑開挖深度大多在10 m 以上，而對于全地下式污水處理廠可達(dá)15 m 以上。半地下式污水處理廠沒有將生產(chǎn)管理操作層及地面層一并放入地下，因此基坑開挖深度一般比全地下污水處理廠要小，由于工藝處理需求的不同，基坑開挖深度相差往往較大，本工程基坑開挖深度為1.85～11.90 m，這就決定了基坑支護(hù)需采用多種型式。

（3）基坑支撐換撐困難。地下污水處理廠由于各個(gè)專業(yè)設(shè)施占用空間的需要，層高一般較大，基坑回筑階段利用樓板換撐困難。本工程為地下一層結(jié)構(gòu)，普遍層高9 m，局部達(dá)10 m，無可利用樓板換撐的條件。

（4）工程地質(zhì)條件。土層性質(zhì)和水文地質(zhì)條件根據(jù)建設(shè)場地不同而不同，污水處理廠一般靠近河道選址，需特別注意地下水與基坑的貫通情況。本工程中場地東側(cè)軟弱土層普遍達(dá)10.30～11.00 m。

（5）周邊環(huán)境相對較為簡單，但不絕對。污水處理廠一般選址于城市郊區(qū)，相較于城市建（構(gòu)）筑物密集區(qū)的基坑周邊環(huán)境較為簡單，但根據(jù)選址不同，基坑開挖影響范圍內(nèi)也存在諸如地鐵、河道防汛墻、廠區(qū)內(nèi)既有建（構(gòu)）筑物和管線，居民樓等建（構(gòu)）筑物。

3 基坑設(shè)計(jì)方案

根據(jù)地質(zhì)條件，基坑周邊環(huán)境和基坑開挖深度差異大等特點(diǎn)，基坑設(shè)計(jì)考慮采用不同支護(hù)型式，且分坑支護(hù)與開挖的方案。A 基坑平面尺寸142 m×164 m，開挖深度為1.85～6.8 m，B 基坑平面尺寸127 m×151 m，開挖深度為10.1～11.9 m，見圖4。

圖4 主體基坑圍護(hù)平面圖

結(jié)合基坑開挖深度和周邊環(huán)境條件，A 基坑安全等級和環(huán)境保護(hù)等級均為三級，圍護(hù)體最大水平位移控制值為0.7%H（H 為基坑開挖深度，下同），地面最大沉降控制值為0.55%H[3]；B 基坑?xùn)|側(cè)安全等級與環(huán)境保護(hù)等級均為二級，圍護(hù)體最大水平位移控制值為0.55%H（H 為基坑開挖深度，下同），地面最大沉降控制值為0.25%H[3]；B 基坑其余側(cè)安全等級為二級，環(huán)境保護(hù)等級為三級，圍護(hù)體最大水平位移控制值為0.7%H，地面最大沉降控制值為0.55%H[3]。

A 坑周邊環(huán)境條件簡單，平面形狀不規(guī)則，開挖深度小于3 m 的基坑采用放坡開挖，開挖深度為5.6～6.8 m 的基坑采用頂部放坡2.5 m 結(jié)合重力式擋墻開挖，重力式擋墻采用直徑850 mm，間距600 mm的水泥土三軸攪拌樁，坑底采用4.2 m 寬雙軸攪拌樁裙邊加固，5.8 m 深基坑重力式擋墻寬5.05 m，長9.5 m，6.8 m 深基坑重力式擋墻寬5.65 m，長12.5 m。

結(jié)合基坑周邊環(huán)境，B 坑采用頂部放坡，SMW 工法樁結(jié)合內(nèi)支撐支護(hù)型式開挖，基坑北側(cè)、南側(cè)與西側(cè)工法樁采用直徑850 mm，間距600 mm 的水泥土三軸攪拌樁，內(nèi)插H700×300×13×24 型鋼，插二跳一?？紤]到基坑?xùn)|側(cè)開挖深度為10.9 m，局部坑深11.9 m，場地內(nèi)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度達(dá)10 m 以上，原廠區(qū)內(nèi)二期建（構(gòu)）筑物距離基坑?xùn)|側(cè)較近，保護(hù)要求較高，該側(cè)工法樁采用直徑1 000 mm，間距750 mm 的水泥土三軸攪拌樁，密插H800×300×14×26 型鋼。內(nèi)支撐采用豎向兩道混凝土支撐，支撐系統(tǒng)采用對撐+ 角部斜撐的邊桁架支撐體系，典型剖面見圖5。為方便施工，B 坑第一道混凝土支撐設(shè)置環(huán)形施工棧橋，棧橋板厚300 mm。非棧橋板和棧橋板支撐下立柱樁分別采用直徑800 mm 和1 000 mm鉆孔灌注樁，其中棧橋板下方立柱樁樁端采用后注漿加固。B 坑換撐采取兩種方法：方法1，能利用永久隔墻換撐處采用短直鋼支撐或傳力板的方式；方法2，無永久隔墻可利用處采用鋼管斜拋撐換撐，斜拋撐一端支撐于已澆筑底板。

圖5 B 基坑典型剖面圖（單位:mm）

A 坑與B 坑施工順序如下：B 坑圍護(hù)樁、工程樁、立柱樁、地基加固及格構(gòu)柱施工，降水井施工（A 坑重力式擋墻、坑底加固于B 坑圍護(hù)樁完成后實(shí)施）→B 坑隨挖隨澆注第一、二道混凝土支撐→B 坑開挖至坑底澆筑底板→拆除第二道支撐后換撐→拆除第一道支撐（A 坑距離B 坑由遠(yuǎn)及近開挖）→A 坑開挖至坑底澆筑底板→澆筑剩余內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

A 基坑與B 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)主要剖面穩(wěn)定性驗(yàn)算和變形計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)主要剖面穩(wěn)定性驗(yàn)算和變形計(jì)算結(jié)果匯總

4 基坑設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 A、B 坑交界處處理

A 坑與B 坑交界處基坑底標(biāo)高相差4.3 m，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該處實(shí)施完成后底板為一整體板。A 坑底板澆筑前需拔除B 坑西側(cè)SMW 工法樁內(nèi)型鋼，并鑿除水泥攪拌樁，但拔除過早會因兩側(cè)土體高差過大導(dǎo)致土壓力過大而影響基坑安全。經(jīng)計(jì)算，交界處型鋼應(yīng)在B 坑底板澆筑完成，素砼回填后，A 坑開挖至接近坑底時(shí)（挖深離設(shè)計(jì)坑底小于1 m）拔除，見圖6。

圖6 A 坑與B 坑交界處處理措施（單位:mm）

4.2 超大型基坑換撐技術(shù)

本工程為地下一層結(jié)構(gòu)，層高9 m，局部層高為10 m，無可利用樓板換撐的條件，且廠房頂板高出地面，頂板需在第一道支撐拆除后才能澆筑?；踊刂A段換撐時(shí)一方面利用已澆筑永久隔墻采用短直鋼支撐或傳力板換撐，另一方面采用鋼管斜拋撐換撐。

4.3 分塊開挖

本工程基坑開挖面積巨大，若一次性大面積開挖對控制基坑圍護(hù)變形不利，設(shè)計(jì)要求A 坑每次土方開挖重力式擋墻暴露的水平長度不大于40 m，待結(jié)構(gòu)底板澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度85%后方可開挖相鄰?fù)馏w；B 坑在第二道支撐澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%后，剩余土方分塊開挖，開挖要求與A 坑相同。

5 結(jié)語

本文通過對上海市某集約化半地下式污水處理廠超大基坑設(shè)計(jì)的詳細(xì)介紹和分析，得出以下結(jié)論：

（1）歸納總結(jié)了集約化地下式污水處理廠的一般特點(diǎn)，如基坑開挖面積超大，基坑開挖深度與坑底高差均較大，基坑支撐換撐困難，周邊環(huán)境相對較為簡單，但不絕對。

（2）對于集約化地下式污水處理廠基坑往往需要采取多種基坑支護(hù)型式，本工程綜合運(yùn)用了放坡開挖、三軸攪拌樁重力式擋墻和鉆孔灌注樁結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)型式。

（3）通過對本污水處理廠超大基坑設(shè)計(jì)方案的詳細(xì)介紹，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，為類似工程基坑設(shè)計(jì)提供參考。