排澇泵站水閘基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

安書(shū)萱 廣州市宏濤水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司

在建設(shè)工程當(dāng)中，基坑部分的建設(shè)與施工是工程當(dāng)中最為重要的環(huán)節(jié)之一，也是建筑穩(wěn)定性能夠得到保障的基礎(chǔ)，因此在基坑設(shè)計(jì)以及施工過(guò)程中必須嚴(yán)格按照工程實(shí)際需求的情況進(jìn)行，以保證基坑支護(hù)的有效性以及基坑自身的穩(wěn)定性。基坑施工工程本身即包括多個(gè)具體的工程項(xiàng)目：基坑挖掘的設(shè)計(jì)與施工、基坑工程施工的安全監(jiān)測(cè)、基坑施工過(guò)程中的圍護(hù)以及鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安裝。為維持基坑的穩(wěn)定性在進(jìn)行基坑施工時(shí)，需要首先進(jìn)行安全支護(hù)，安全支護(hù)的施工流程一般為：測(cè)量與放線——鋼管樁的設(shè)計(jì)施工——圍護(hù)樁的施工環(huán)境測(cè)量、設(shè)計(jì)以及施工——基坑主體挖掘——兩層支撐結(jié)構(gòu)的安裝[1]。

1.深基坑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

不同類型的工程，由于地表以上建筑主體存在差別，因此基坑的設(shè)計(jì)以及基坑支護(hù)的要求存在較大的差別，需要根據(jù)工程的實(shí)際需求情況確定。作為排澇站匹配的水閘工程，由于建筑所處的地域土層的含水量極高，且土層的變形度同樣較大，因此在基坑施工過(guò)程中對(duì)支護(hù)穩(wěn)定性的要求較高。在水閘工程的基坑支護(hù)施工中，一般需要采用鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)的施工作業(yè)。本文案例當(dāng)中的支護(hù)工程共計(jì)包括五個(gè)主要的組成部分，分別為：鋼管材質(zhì)的樁柱、鋼結(jié)構(gòu)的圍擋、鋼材質(zhì)圍檁、鋼材質(zhì)的支撐以及格構(gòu)柱支撐。施工時(shí)首先應(yīng)當(dāng)搭建基本的支撐體系，體系完成后需要搭建第一道支撐，使用吊車搭建第一道支撐時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先穩(wěn)定其中一端后，緩慢確定另一端的位置。后續(xù)的活動(dòng)一端在固定時(shí)需要采用高強(qiáng)度的螺栓對(duì)鋼管部分進(jìn)行連接[2]。鋼結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)搭建完成后，應(yīng)當(dāng)超過(guò)圍檁的位置，并采用千斤頂對(duì)鋼結(jié)構(gòu)施加壓力，提供預(yù)應(yīng)力。在預(yù)應(yīng)力施加的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)給施加的節(jié)奏、施加的時(shí)間等進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，以便于預(yù)應(yīng)力能夠按照設(shè)定施加，避免不均勻的作業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度或結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不必要的影響。預(yù)應(yīng)力施加是基坑支護(hù)施工過(guò)程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是影響最大的環(huán)節(jié)。

由于案例屬于水閘的基坑建設(shè)施工，因此在進(jìn)行預(yù)應(yīng)力施加時(shí)必須采用分級(jí)施加的形式。由于水閘所處區(qū)域的土質(zhì)硬度較低且同時(shí)含水量較高，因此一次性施加不僅可能對(duì)土質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，同時(shí)可能造成預(yù)應(yīng)力施加完成后穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)、出現(xiàn)沉降的情況。在執(zhí)行預(yù)應(yīng)力分級(jí)施加時(shí)，第一次施加預(yù)應(yīng)力的總值應(yīng)當(dāng)為設(shè)計(jì)總值的50%到80%左右，預(yù)應(yīng)力施加完成經(jīng)檢測(cè)基坑部分并未發(fā)生特殊情況時(shí)，方能夠進(jìn)行下一級(jí)的施加。若預(yù)應(yīng)力施加過(guò)程中或施加完成后發(fā)生沉降等特殊情況，則應(yīng)當(dāng)使用螺栓對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行加固，使其達(dá)到穩(wěn)定要求。

2.降水工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)大部分排澇泵站而言，其建設(shè)的區(qū)域土層均存在含水量較高，且建設(shè)所在區(qū)域的地下水位同樣較高的問(wèn)題，因此在施工進(jìn)行時(shí)如何有效降低建設(shè)區(qū)域的水位對(duì)施工的影響巨大。排水工程施工的目的為排除土層中存在的水分，使得土層的強(qiáng)度得到提升，在土層彈性降低且穩(wěn)定性提升的情況下，建筑的安全能夠得到保障，另外由于土層當(dāng)中的含水量降低，包括基坑在內(nèi)的位移以及沉降的風(fēng)險(xiǎn)能夠得到有效的控制。尤其建筑各結(jié)構(gòu)的坡體部分，邊緣不會(huì)受到位移等的影響，能夠保證位置的穩(wěn)定。土層當(dāng)中的砂質(zhì)以及沙礫等能夠維持地下土層的穩(wěn)定性，以避免基坑施工作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的力對(duì)土層的影響超過(guò)土層的承受上限。排水完成后，基坑部分的土層應(yīng)當(dāng)能夠接近地表施工的狀態(tài)，在未施工的情況下基坑的底部應(yīng)當(dāng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，即基坑的底部不會(huì)主動(dòng)出現(xiàn)沉降或位移等情況，且在施工作業(yè)的影響下位移的范圍同樣符合設(shè)計(jì)要求。

3.支護(hù)樁確定

確定基坑支護(hù)的整體結(jié)構(gòu)時(shí)需要參考多方面因素的影響，主要包括：工程所處自然環(huán)境的影響，即施工場(chǎng)地的土層情況以及施工期間的氣候條件影響等；工程自身的影響，即施工設(shè)計(jì)的方案以及施工方案與基坑支護(hù)方案之間的匹配情況；工程成本的影響，即基坑施工允許的成本上限以及成本控制的要求等。當(dāng)施工區(qū)域環(huán)境的穩(wěn)定性較好，同時(shí)施工的基坑深度較淺時(shí)，能夠采用土釘墻或重力式的擋土墻等較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)完成基坑的支護(hù)；當(dāng)施工區(qū)域環(huán)境的穩(wěn)定性較差，或施工的基坑深度較深時(shí)，則一般需要采用支護(hù)效果更好的懸臂式或拉錨式的支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完成對(duì)基坑的支護(hù)；當(dāng)施工區(qū)域的整體穩(wěn)定性較差時(shí)，則應(yīng)當(dāng)采用內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)滿足支撐的需求；而針對(duì)要求更高、施工環(huán)境更差的工程，則一般需要采用逆作的形式進(jìn)行施工作業(yè)[3]。

無(wú)論排澇泵站主體部分，或者與其匹配的水閘部分，由于均需要在軟土的環(huán)境中進(jìn)行施工，因此必須通過(guò)在基坑當(dāng)中加入支撐樁的形式保證基坑的穩(wěn)定性。針對(duì)軟土的施工環(huán)境，一般需要使用灌注樁或者鋼筋樁等穩(wěn)定性以及強(qiáng)度更高的樁體，才能夠給予地表的建筑主體必要的支撐性，且同時(shí)能夠避免軟土的土層發(fā)生變形以及沉降等風(fēng)險(xiǎn)。從樁體的類型而來(lái)，上述兩種樁體均屬于摩擦的類型。

當(dāng)建設(shè)施工的區(qū)域土層屬于沙土類型，同時(shí)施工影響范圍內(nèi)存在承壓水影響時(shí)，則需要采用鋼筋混凝土的預(yù)制樁，打入式的預(yù)制樁相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)澆筑樁而言，由于一般均由工廠集中生產(chǎn)，生產(chǎn)的質(zhì)量要求以及后續(xù)的檢測(cè)規(guī)范更為明確，因此樁的強(qiáng)度以及質(zhì)量更加能夠保證。采用打入式預(yù)制樁進(jìn)行施工時(shí)，需要根據(jù)施工設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的實(shí)際情況，確定需要使用的預(yù)制樁的基本參數(shù)，交由具備生產(chǎn)資質(zhì)的預(yù)制樁生產(chǎn)單位進(jìn)行生產(chǎn)。另外當(dāng)施工需要樁體的長(zhǎng)度較長(zhǎng)、超過(guò)預(yù)制樁的上限時(shí)，則能夠以現(xiàn)場(chǎng)澆筑配合的形式進(jìn)行。打入式的預(yù)制樁使用的最大問(wèn)題在于施工的噪音影響顯著，無(wú)法通過(guò)控制措施完全避免，因此該種打樁技術(shù)并不適于城市人口密度較高的區(qū)域使用。由于本文案例屬于排水泵站的施工，排水泵站大都遠(yuǎn)離人口密集區(qū)，因此適合采用該技術(shù)。

灌注樁的技術(shù)，適用范圍較廣，由于能夠通過(guò)預(yù)先的注漿處理，對(duì)含水量較高的土層以及軟土土層進(jìn)行處理，因此在軟土環(huán)境中能夠發(fā)揮較好的施工效果。該種技術(shù)一般不適于土層當(dāng)中存在承壓水的環(huán)境，承壓水對(duì)灌注樁的鋼護(hù)筒等都能夠造成沖擊以及影響，在土層當(dāng)中的承壓水水層較深、壓力較大能夠產(chǎn)生顯著沖擊的環(huán)境當(dāng)中，采用灌注樁的技術(shù)施工甚至存在一定的護(hù)筒等在施工中被沖擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此在土層當(dāng)中確實(shí)存在承壓水的情況下并不適于采用灌注樁的技術(shù)進(jìn)行施工，必須采用灌注樁時(shí)，則應(yīng)當(dāng)定期檢測(cè)灌注樁地下護(hù)筒等部分的情況，避免其出現(xiàn)漏漿或斷裂等影響施工質(zhì)量的情況。與打入式的預(yù)制樁不同，采用灌注樁進(jìn)行施工對(duì)周圍的環(huán)境影響相對(duì)較小，一般不會(huì)對(duì)周圍的居民造成影響，因此適合大部分建筑打樁作業(yè)。

軟土環(huán)境中的施工，預(yù)制樁以及灌注樁在施工達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下均能夠滿足施工的基本要求，因此在確定樁類型時(shí)，需要按照施工工程所處的區(qū)域、支護(hù)強(qiáng)度要求的實(shí)際情況等確定適當(dāng)?shù)臉扼w類型。施工區(qū)域與居住區(qū)距離較近時(shí)，一般需要采用灌注樁進(jìn)行施工，而工程對(duì)樁體的強(qiáng)度要求較高時(shí)，則應(yīng)當(dāng)采用預(yù)制樁的技術(shù)進(jìn)行施工。施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)避免基坑支護(hù)作業(yè)對(duì)周圍環(huán)境造成過(guò)于顯著的影響。

4.工程案例

4.1 工程概況

本文案例的工程，是城市內(nèi)澇排澇的工程。工程所在的城市，由于內(nèi)澇較為嚴(yán)重，并且在降雨集中的季節(jié)該城市內(nèi)部積水的情況較為嚴(yán)重，能夠?qū)Τ鞘芯用竦纳畎踩斐蓢?yán)重的影響。因此，本文進(jìn)行的排澇泵站工程主要目的是改善城市內(nèi)部的排澇情況。經(jīng)城市勘測(cè)，最終確定于該城市內(nèi)河的河口部分建設(shè)用于排出內(nèi)澇的排澇泵站。根據(jù)該泵站的總體設(shè)計(jì)，泵站共計(jì)包括如下基本組成：泵站主體的排澇泵站部分、泵站運(yùn)行配套的引流明渠以及攔河水閘兩個(gè)組成部分。根據(jù)工程所在城市降雨季節(jié)排水的基本需求情況，預(yù)計(jì)建設(shè)的排水泵站高峰期每秒的排水量應(yīng)當(dāng)達(dá)到169m3，且該泵站應(yīng)當(dāng)采用豎井泵機(jī)。該泵站配套的水閘運(yùn)營(yíng)期間需要承擔(dān)的功能包括排澇以及防洪，為滿足水閘修建的基本需求，該水閘除應(yīng)當(dāng)滿足五級(jí)通航的需求外，同時(shí)高峰期每秒的排水量應(yīng)當(dāng)達(dá)到221m3以上[4]。

4.2 截水帷幕

考慮到水閘設(shè)施的攔水需求情況，案例工程中采用高壓旋噴樁的帷幕作為支護(hù)樁外排的樁體，實(shí)現(xiàn)攔水的目的。這一類型的樁按照絕對(duì)避免滲水以及漏水的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工時(shí)，必須同時(shí)避免繞流情況的出現(xiàn)，因此在深度方面該類型樁體的施工深度必須嚴(yán)格控制在24m以內(nèi)。高壓旋噴樁的具體施工工藝應(yīng)當(dāng)根據(jù)案例所在地區(qū)的實(shí)際情況確定，并對(duì)施工的流程以及施工的環(huán)節(jié)進(jìn)行必要的調(diào)整。根據(jù)案例工程所在區(qū)域的條件，以及該工程的設(shè)計(jì)要求情況，最終確定施工的流程以及要求如以下表1所示。在施工設(shè)計(jì)方面，該工程的截水帷幕應(yīng)當(dāng)分為東西兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行施工，兩個(gè)區(qū)域的具體施工方案應(yīng)當(dāng)通過(guò)分別勘測(cè)、分別實(shí)驗(yàn)確定，兩側(cè)的施工方案無(wú)需完全一致。在進(jìn)行樁基礎(chǔ)施工時(shí)，需要采用地質(zhì)鉆機(jī)以及雙管旋噴樁機(jī)兩種類型的設(shè)備，且現(xiàn)場(chǎng)加工的樁樁芯部分強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)達(dá)到4.7MPa到11.7MPa之間。

表1 設(shè)計(jì)與施工方案

4.3 排樁與錨索

施工過(guò)程中，基坑的支護(hù)依然需要采用鋼筋混凝土材質(zhì)的灌注樁，用于支護(hù)的樁基礎(chǔ)其標(biāo)定的部分高度應(yīng)當(dāng)與鉆孔中淤泥的高度保持一致，因此該用于支護(hù)的樁長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)控制在17m，在深度要求方面，樁的底部必須嵌入沙礫層當(dāng)中，且進(jìn)入沙礫層的深度應(yīng)當(dāng)達(dá)到5m。支護(hù)完成進(jìn)行錨索施工時(shí)，需要根據(jù)樁基礎(chǔ)深度的差別確定錨索的排布密度情況。設(shè)置錨索時(shí)，第一排的錨索應(yīng)當(dāng)于樁頂部的梁上，這一排的間距應(yīng)當(dāng)在3.5m；第二排以及第三排腰部的錨索則應(yīng)當(dāng)采用槽鋼，本文案例工程根據(jù)相關(guān)軟件的計(jì)算，最終確定傾覆的安全系數(shù)Ks為1.783；樁體的穩(wěn)定系數(shù)Ks為3.251；樁頂部的位移與設(shè)計(jì)值之間差異應(yīng)當(dāng)控制在49.93mm之內(nèi)。滿足以上參數(shù)則能夠達(dá)到建筑安全的需求，在錨索的施工方面同時(shí)需要考慮到施工環(huán)境的影響。

由于本文案例工程的土質(zhì)屬于軟塑到流塑類型的土質(zhì)，因此在錨索的摩阻強(qiáng)度確定方面，應(yīng)當(dāng)考慮到安裝于淤泥當(dāng)中的錨索，存在穩(wěn)定性較差的問(wèn)題。淤泥的施工環(huán)境導(dǎo)致錨索變形的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高，且能夠造成一定程度的預(yù)應(yīng)力損失情況。本文案例當(dāng)中淤泥部分的摩阻強(qiáng)度取值為1kPa，且淤泥對(duì)錨索造成的錨固力能夠忽略不計(jì)。本文案例施工環(huán)境的淤泥下層為沙礫層，砂礫層的厚度為7m到10m左右，砂礫層能夠?yàn)殄^索提供一定的錨固力，以此提升錨索的固定效果。因此在錨索進(jìn)行固定時(shí)，砂礫層當(dāng)中的固定深度需要較深，一般應(yīng)當(dāng)達(dá)到20m以上，且應(yīng)當(dāng)采用鋼絞線作為錨桿的材料。在抗剪強(qiáng)度方面，最終計(jì)算本文工程的φ值應(yīng)當(dāng)為4。

5.結(jié)語(yǔ)

排澇泵機(jī)的施工建設(shè)以及水閘的施工建設(shè)均屬于水利工程建設(shè)的類型，對(duì)水利工程而言，基礎(chǔ)建設(shè)的重要性更為顯著。由于水利工程大都必須在含水量較高且土質(zhì)較軟的環(huán)境中進(jìn)行，因此在基礎(chǔ)施工技術(shù)不當(dāng)?shù)那闆r下，水利建設(shè)工程出現(xiàn)整體性沉降、甚至不均勻沉降導(dǎo)致建筑發(fā)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)均較高。在此情況下，進(jìn)行排澇泵站以及水閘的施工建設(shè)時(shí)，必須通過(guò)更為有效的基坑支護(hù)措施，保障基礎(chǔ)部分的穩(wěn)定性。一般情況下水利工程由于距離集中居住區(qū)較遠(yuǎn)，因此能夠采用更為穩(wěn)固的打入式樁基礎(chǔ)進(jìn)行支護(hù)，而工程施工環(huán)境不適于打入式施工時(shí)，則需要采用能夠穩(wěn)定基坑邊緣區(qū)域的樁基礎(chǔ)，對(duì)基坑進(jìn)行更為有效的保護(hù)。