三排支護樁在天生河泵站軟土基坑工程中的應(yīng)用

張繼芳，向 毅，李 匆，付 明，雷彩秀，劉萬浩

（湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430064）

1 工程概況

天生河泵站為廣東省珠海市斗門區(qū)白蕉聯(lián)圍排澇整治工程中新建的一宗大（2）型排澇泵站,泵站設(shè)計流量為58 m3/s,裝機功率為2750 kW,裝機臺數(shù)為5 臺,采用全貫流潛水軸流泵。站址位于天生河入磨刀門水道河口處、現(xiàn)狀天生河水閘右側(cè)。泵站施工期間需保證天生河水閘的安全穩(wěn)定和正常運行,受既有水閘及場地用地條件的限制,基坑緊臨水閘側(cè)難以采用傳統(tǒng)的放坡開挖方案,需采用支護結(jié)構(gòu),且支護高度及難度較大,一旦失事將會造成嚴(yán)重影響。原設(shè)計基坑支護方案為雙排樁支護結(jié)構(gòu),安全等級為一級。施工過程中因排樁坑內(nèi)土體加固區(qū)內(nèi)含有分布不規(guī)律埋石及砼塊,影響水泥土攪拌樁的正常施工,經(jīng)補堪研究,決定增加一排坑內(nèi)支護樁,避開加固區(qū)埋石影響,與既有雙排樁一起,形成三排支護樁結(jié)構(gòu)體系,確?；影踩?。

2 支護方案

泵站基坑底高程最深處為-4.4 m（黃基,下同）,坑頂左岸臨水閘側(cè)引堤高程為5.0 m,坑頂右岸側(cè)地面高程約為2.0 m,基坑最大開挖深度接近10 m,場地淤泥（質(zhì)）軟土層底板高程最深達-38.0 m。右岸場地不受限且無其他建筑物,可采用放坡開挖。左岸臨水閘側(cè)因場地受限且不得影響現(xiàn)狀天生河水閘安全和正常運行,需采取支護結(jié)構(gòu),支護結(jié)構(gòu)所在處軟土層平均厚度約為30 m,原設(shè)計對支護結(jié)構(gòu)經(jīng)比選分析后采用了雙排護壁樁方案,樁體截面為500 mm×500 mm,樁底高程為-32.45 m,前后排距為8 m,樁頂引堤處地面高程由原5.0 m卸載開挖至2.5 m,排樁坑內(nèi)側(cè)5 m 寬范圍內(nèi)采用格柵式水泥土攪拌樁進行加固,基坑坑底及前后排樁間土體采用滿堂紅布置的水泥土攪拌樁散樁加固軟土,樁基施工作業(yè)面高程為0.0 m,待水泥土攪拌樁樁體強度滿足設(shè)計要求后再開挖坑內(nèi)土體。原雙排樁基坑支護方案斷面見圖1。

圖1 原雙排樁基坑支護方案斷面圖

施工過程中,施工單位在施工完雙排樁后,進行排樁附近坑內(nèi)加固區(qū)格柵式水泥土攪拌樁及坑底散體攪拌樁施工時出現(xiàn)難以鉆進的情況。經(jīng)補充勘探分析,受影響的部位大多均位于原堤身,為原堤防及天生河水閘施工時的基坑道路所填塊石或砼塊,層頂標(biāo)高-0.05 m～-3.0 m,層底標(biāo)高-0.25 m～-4.4 m,層厚0.20 m～1.4 m,平均厚度0.85 m。由于分布范圍廣,局部深度較大,翻挖換填存在一定安全隱患,且延誤工期,如何在現(xiàn)狀條件下充分利用既有雙排樁支護體系,成為方案調(diào)整的關(guān)鍵因素。經(jīng)研究決定,取消受影響范圍內(nèi)的水泥土攪拌樁,新增第三排護壁樁,與第二排樁的樁距為10 m,樁頂高程為-1.0 m,樁底高程為-32.45 m,并通過連系梁及腰梁與既有雙排樁結(jié)合在一起,形成三排支護樁結(jié)構(gòu)體系,分級支擋來確保基坑安全[1-2]。其中連系梁的間距為3 m,連系梁及腰梁與第二排樁的連接是設(shè)計重點,一定要確保連接牢固才能形成整體支護體系。調(diào)整后三排樁基坑支護方案斷面見圖2。

圖2 調(diào)整后三排樁基坑支護方案斷面圖

3 有限元計算復(fù)核

采用巖土專業(yè)有限元分析軟件Midas/GTS 軟件進行二維數(shù)值分析。土體本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫理論,使用二維平面應(yīng)變單元進行數(shù)值模。樁采用一維梁單元模擬,坑內(nèi)土彈簧采用曲面彈簧模擬,坑外土壓力及坑內(nèi)初始土壓力直接分別加載在后排樁和前排樁上。整體模型見圖3。

圖3 有限元計算模型

按照實際施工工況,利用有限元軟件的網(wǎng)格組激活與鈍化功能進行模擬。模擬施工過程為第一步：自重應(yīng)力場,位移清零；第二步：增加三排砼板樁及連梁,位移清零；第三步按坑內(nèi)預(yù)留反壓土,開挖至基坑底。邊界條件：在模型的外圍施加法向的位移約束,樁底部設(shè)置為豎向約束[3]。具體工況及相應(yīng)計算成果見圖4。

圖4 三排支護樁結(jié)構(gòu)體系有限元位移內(nèi)力計算成果

基坑穩(wěn)定計算采用理正深基坑軟件,選擇基于增量法的雙排樁模型,通過對樁體施加線彈簧和轉(zhuǎn)角彈簧約束及坑底處施加分布力等,模擬三排樁支護體系的實際受力情況[4-5]。由于坑內(nèi)反壓體的寬度范圍有限,難以計算其產(chǎn)生的水平方向的分布力大小及分布規(guī)律,所以偏安全考慮只計算其產(chǎn)生的垂直分布力,垂直分布力可按土力學(xué)中路基荷載計算,即等于單位面積上該計算點以上土柱的有效重度與土柱高度的乘積。理正排樁支護體系穩(wěn)定計算結(jié)果見表1。

表1 理正排樁支護體系穩(wěn)定計算成果

根據(jù)支護結(jié)構(gòu)體系位移及內(nèi)力計算結(jié)果可知,開挖至坑底時三排支護樁的整體位移略偏大,約8 cm～12 cm,但樁身計算彎矩均沒有超過樁體抗裂彎矩值。另外,根據(jù)支護結(jié)構(gòu)體系穩(wěn)定性計算成果,其最不利工況下抗傾覆、整體穩(wěn)定性、抗隆起穩(wěn)定系數(shù)均滿足規(guī)范要求。因此,設(shè)計認(rèn)為該三排樁支護體系是滿足工程安全要求的,現(xiàn)場按調(diào)整后的三排樁支護方案進行施工。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

施工過程中由第三方監(jiān)測單位對基坑安全進行全過程監(jiān)測,具體監(jiān)測項目及相關(guān)要求見表2。

表2 基坑監(jiān)測技術(shù)要求

基坑工程監(jiān)測期從基坑施工前開始,直至基坑回填為止,共137 天、共監(jiān)測53 期。

4.1 樁頂沉降及位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：樁頂沉降52 個監(jiān)測點的累計沉降量介于6.0 mm～8.9 mm 之間,樁頂位移52 個監(jiān)測點的累計變化量介于9.0 mm～17.9 mm 之間。在基坑開挖階段各監(jiān)測點累計沉降量及位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩(wěn)定。

4.2 坡頂沉降及位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：坡頂沉降13 個監(jiān)測點的累計沉降量介于5.7 mm～7.4 mm 之間,坡頂位移13 個監(jiān)測點的累計沉降量介于7.6 mm～9.7 mm 之間。各監(jiān)測點在基坑開挖階段累計沉降量及位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩(wěn)定。

4.3 樁后地表位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：樁后地表位移3 個監(jiān)測點的累計位移量介于8.9 mm～10.8 mm 之間。各監(jiān)測點在基坑開挖階段累計位移量變化較大,但未超出報警值；后期變化較緩,趨于穩(wěn)定。

4.4 地下水位

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：地下水位7 個監(jiān)測點的累計變化量介于-65 mm～85 mm 之間。監(jiān)測點地下水位總體變化較小,監(jiān)測結(jié)果表明所測區(qū)域基坑水位穩(wěn)定。

4.5 深層水平位移

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：深層水平位移9 個監(jiān)測點的累計位移量介于0 mm～7.6 mm 之間。各監(jiān)測點在基坑開挖階段累計變化量未超出報警值,后期變化量趨于穩(wěn)定。

4.6 監(jiān)測結(jié)論

通過對基坑樁頂沉降、樁頂位移、坡頂沉降、坡頂位移、樁后地表位移、地下水位、深層水平位移,得出各監(jiān)測項目累計變形量及各期變形速率均未超出報警值,基坑支護工程支護結(jié)構(gòu)在基坑開挖至回填過程中總體穩(wěn)定,基坑開挖施工對周邊環(huán)境影響較小。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)前城鄉(xiāng)排澇泵站工程的建設(shè),受既有水閘及周邊用地條件的限制,多采用基坑支護以減少傳統(tǒng)放坡開挖帶來的不利影響。由于站址多位于河口附近,且臨近既有水閘,場地廣泛分布深厚的淤泥（質(zhì)）軟土層,基坑開挖深度大,基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大,需引起高度重視。

（2）本工程案例中結(jié)合基坑周邊環(huán)境條件,左岸臨水閘側(cè)采用雙排樁支護結(jié)構(gòu),右岸側(cè)采用放坡開挖。施工過程中因雙排樁內(nèi)側(cè)坑內(nèi)加固區(qū)含有埋石及砼塊,影響了加固區(qū)水泥土攪拌樁的正常施工,為了充分利用既有雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系,新增了第三排護壁樁,并通過連系梁與既有雙排樁結(jié)合在一起,形成三排支護樁結(jié)構(gòu)體系,分級支擋來確?；影踩８鶕?jù)理論計算及現(xiàn)場監(jiān)測和施工結(jié)果來看,本工程基坑支護方案是可行和成功的,具有很好的借鑒作用?，F(xiàn)天生河泵站已經(jīng)完建具備運行條件,即將全面發(fā)揮綜合效益。