水利工程中深基坑支護結(jié)構(gòu)的計算與施工方案研究

劉偉萍

深基坑支護結(jié)構(gòu)主要包括兩大部分，即擋土墻和內(nèi)支撐。前者又可分為混凝土擋土墻、排樁擋土墻等類型，后者則包括鋼管支撐、鋼筋混凝土支撐等類型。在實際工程中，應(yīng)提前開展地質(zhì)勘察，明確工程所屬范圍內(nèi)的土質(zhì)類型、巖土結(jié)構(gòu)、水文條件，然后結(jié)合工程建設(shè)要求，明確深基坑支護結(jié)構(gòu)的類型，編制支護施工方案。在支護設(shè)計中，內(nèi)力計算、穩(wěn)定性分析是兩項核心內(nèi)容。在后續(xù)施工中，地下連續(xù)墻的施工方法、鋼筋混凝土支撐的現(xiàn)場布局等，是施工管理的焦點。只有統(tǒng)籌做好各項工作，實行精細化的支護施工管理，才能保證水利工程高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)完成。

1 工程概況

某水利樞紐工程基坑開挖最大深度為20.3m，基坑為長方形，尺寸為127.6m×41.7m，屬大型深基坑。設(shè)計支護方案為“地下連續(xù)墻+鋼管支撐”。其中，地下連續(xù)墻的厚度為950mm，高度在1.6m-3.8m 不等。按照基坑開挖深度，確定鋼管內(nèi)支撐的數(shù)量，從2-5 根不等。其中，2#、3#用直徑為500mm 的鋼管，4#、5# 用直徑為600mm 的鋼管。2# 和3# 鋼管的間隔距離為2.5m，4#和5#鋼管的間隔距離為3.0m。另外用直徑為800mm的鉆孔灌注樁作為支撐中間立柱。

2 深基坑支護結(jié)構(gòu)的計算

2.1 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

支護結(jié)構(gòu)發(fā)揮的作用是承受上部建筑荷載和外側(cè)巖土壓力，并將力傳遞到基坑底部的巖石、土體上。除此之外，還有一部分擋水、防滲的功能。因此，為了保證支護結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，必須要開展內(nèi)力計算，根據(jù)計算結(jié)果確定地下連續(xù)墻的厚度、支撐鋼管的直徑，才能達到預(yù)期的支護效果。常用的內(nèi)力計算方法有受力平衡法、解析法、有限單元法等幾種。本次工程中選擇解析法中的彈性地基梁法，其原理是將支護結(jié)構(gòu)看作一條具有彈性支撐的地基梁，把基坑面以上的支撐看作一個彈性支點，基坑面以下的土層用若干土彈簧代替，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 彈性地基梁法示意圖

在此基礎(chǔ)上，利用彈性支點法計算各處支護結(jié)構(gòu)的最大抗彎強度。根據(jù)這一計算結(jié)果，作為支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型的參考依據(jù)。其中，基坑開挖面以上計算公式為：

基坑面以下計算公式為：

上述兩式中，E 為支護結(jié)構(gòu)的抗彎剛度，y 為水平位移，hn為第n 次工況時基坑深度，bs為側(cè)向土壓力計算寬度，b0為土的抗力計算寬度，m 為地基水平抗力系數(shù)。

2.2 深基坑穩(wěn)定性計算

影響深基坑穩(wěn)定性的因素有多種，例如地下水、巖土結(jié)構(gòu)、開挖深度等。因此，在進行穩(wěn)定性計算是要綜合考慮多方面因素的影響，并針對其中的一些關(guān)鍵指標(biāo)進行單獨計算。（1）抗覆穩(wěn)定性計算。該指標(biāo)表示在覆土情況下，基坑內(nèi)墻在不發(fā)生裂縫、變形等破壞的前提下，所能夠承受的最大土壓力?？筛鶕?jù)公式計算得出：

式（3）中K 為抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，M1 為抗傾覆力矩，M2 為傾覆力矩。

（2）管涌穩(wěn)定性分析。隨著基坑開挖深度增加，周邊地下水向基坑內(nèi)部滲透的水壓力也會相應(yīng)提升。為避免出現(xiàn)地下水突涌事故，需要進行管涌穩(wěn)定性分析?？构苡坑嬎闳鐖D2 所示。

圖2 抗管涌計算示意圖

結(jié)合上圖，根據(jù)以下公式計算墻體入土深度（D）：

式（4）中，γω與γ 表示地下水和土的有效重度，h′為地下水位與基坑之間的高度差。

3 深基坑支護結(jié)構(gòu)的施工方案

鑒于該水利工程所在地區(qū)的地質(zhì)條件較差，同時基坑開挖最大深度達到了20.3m，為保證工程基礎(chǔ)的穩(wěn)定性、承載力，因此深基坑支護方案上選擇了地下連續(xù)墻與內(nèi)支撐相結(jié)合的形式。

3.1 地下連續(xù)墻施工

該部分施工流程及技術(shù)為：（1）修筑導(dǎo)墻。根據(jù)設(shè)計方案劃出導(dǎo)墻位置，使用挖掘機沿著邊線進行導(dǎo)墻開挖。將挖出的棄土集中堆放，后期做統(tǒng)一處理。開槽之后，整平槽底與槽壁，然后放入鋼筋后，選擇C30 混凝土進行澆筑。待強度達到90%后，拆除模板并在導(dǎo)墻外側(cè)重新回填素土。（2）泥漿護壁。在地下連續(xù)墻施工中，泥漿起到了保護槽壁、清理土渣、冷卻潤滑等多重功用。使用經(jīng)過篩選后的黏土，以及CMC、水等原材料，按照恰當(dāng)比例，充分拌勻后得到泥漿。（3）挖槽。挖槽前根據(jù)施工方案進行槽段劃分，每個槽段長度控制在3-5m 之間。使用回轉(zhuǎn)式挖槽機進行成槽施工，挖槽期間注意控制深度、寬度，禁止超挖。（4）吸泥清底。由于開挖槽段時使用了泥漿護壁技術(shù)，加上槽底有少部分沉渣，因此需要將槽底淤泥、沉渣全部處理干凈，從而為下一步提高混凝土澆筑質(zhì)量創(chuàng)設(shè)有利條件。本次工程中采用砂石吸力泵排泥、清底。（5）吊放鋼筋籠。按照地下連續(xù)墻設(shè)計尺寸現(xiàn)場組裝鋼筋籠，要求焊接牢固且形狀規(guī)整，用汽車吊將鋼筋籠吊起并放入到槽段內(nèi)。利用接口將鋼筋籠固定好，避免移動。（6）澆筑混凝土。將導(dǎo)管一端沿著鋼筋籠的側(cè)壁插入，直到接近槽底50cm 處。導(dǎo)管另一端與注漿機相連。使用C45 混凝土澆筑地下連續(xù)墻，澆筑前應(yīng)對混凝土進行復(fù)拌，并檢查其和易性，確定性能良好后再開展?jié)仓鳂I(yè)。按照“邊澆邊拔”的方法，將接頭管向上拔起，在澆筑至標(biāo)高后完全拔出。整個流程如圖3 所示。

圖3 地下連續(xù)墻施工流程

3.2 鋼筋混凝土內(nèi)支撐施工

原設(shè)計方案采用鋼管內(nèi)支撐，但是考慮到鋼管提供的支撐力有限，后期水利工程上部施工產(chǎn)生荷載較大，可能會造成支護鋼管出現(xiàn)不均勻沉降的問題，因此在支撐施工時用鋼筋混凝土代替鋼管，以提供更大的支撐力。另外，鋼筋混凝土的整體剛度更大，在保證深基坑支護安全的前提下，可適當(dāng)增加支撐間距，對提高作業(yè)效率和控制施工成本也有積極幫助。其施工流程及技術(shù)為：（1）土方開挖。采用機械為主、人工為輔的方式，開挖至混凝土梁支撐高程后，開始測量放樣。參考設(shè)計方案，在已經(jīng)完成處理的基礎(chǔ)上劃出標(biāo)線。（2）人工清理基礎(chǔ)。由于常年受到地下水浸泡，形成了一定厚度的淤泥軟基。為保證基礎(chǔ)穩(wěn)定，將淤泥軟土全部挖出，并重新?lián)Q填一層厚度為30cm 的細砂。（3）鋼筋材料經(jīng)現(xiàn)場檢查，無銹蝕、變形問題后，按照設(shè)計方案進行綁扎。檢查綁扎是否牢固，對于多條鋼筋相接的，綁扎長度不低于20cm。（4）在完成驗收后的鋼筋框架上，安裝模板。采用厚度為10mm 的膠合板，側(cè)模使用5×10 方鋼進行加固。檢查模板拼接縫有無明顯縫隙，若有則需要填塞止水膠條，避免砼滲漏。（5）將運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場的商品混凝土，倒入泵送機的料斗內(nèi)，泵送入倉。分兩次澆筑，每次澆筑時要注意做好振搗和養(yǎng)護。兩次澆筑完畢后采取保溫、保濕養(yǎng)護，待強度達到90%以上后，繼續(xù)進行下一層施工。其流程如圖4 所示。

圖4 鋼筋混凝土支撐施工流程

結(jié)束語

深基坑施工中，支護結(jié)構(gòu)的受力分析、施工設(shè)計和質(zhì)量控制，除了直接決定深基坑作業(yè)環(huán)境的安全性，還會對水利工程基礎(chǔ)部分的承載力，乃至整個工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生深遠影響，因此對于水利工程的施工企業(yè)來說，必須要引起重視。其中，內(nèi)力計算、抗傾覆穩(wěn)定性、管涌穩(wěn)定性等是支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計要點；而地下連續(xù)墻施工、鋼筋混凝土支撐施工，則是支護結(jié)構(gòu)施工要點。把握好這兩方面，對高標(biāo)準(zhǔn)完成深基坑作業(yè)，進而為水利工程上部結(jié)構(gòu)順利施工創(chuàng)設(shè)良好條件。