某大型污水處理廠深基坑設(shè)計(jì)方案研究

作者簡介：李春曉（1992-），女，碩士，結(jié)構(gòu)工程師。研究方向?yàn)槭姓Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.029

摘? 要：為保證城市污水處理廠基坑的安全，該文先分析深基坑各種常見支護(hù)方案的特點(diǎn)和選擇原則，并以某城市污水處理廠為研究對象，將其劃分為A和B 兩個區(qū)域，分別制定“單排樁+預(yù)應(yīng)力錨索+內(nèi)支撐”“放坡+土釘墻”的支護(hù)方案，利用數(shù)值軟件分析支護(hù)后基坑的穩(wěn)定性和變形。同時，為防止深基坑突涌，制定降水方案，研究成果可供類似項(xiàng)目借鑒。

關(guān)鍵詞：深基坑支護(hù)；有限元；基坑設(shè)計(jì)；變形計(jì)算；支護(hù)方案；降水方案

中圖分類號：TU753? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0128-04

Abstract： In order to ensure the safety of the foundation pit of the urban sewage treatment plant， the characteristics and selection principles of various common support schemes for the deep foundation pit are analyzed， and taking a municipal sewage treatment plant as the research object， it is divided into A and B areas. The support schemes of single-row pile + prestressed anchor cable + internal support and slope + soil nailing wall are established respectively， and the stability and deformation of the foundation pit after support are analyzed by numerical software. At the same time， in order to prevent the inrush of deep foundation pit， a dewatering scheme is made， and the research results can be used as a reference for similar projects.

Keywords： deep foundation pit support; finite element; foundation pit design; deformation calculation; support scheme; dewatering scheme

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，城市人口不斷增加，產(chǎn)生的日均污水總量日益增加，許多現(xiàn)有污水廠處理能力已不能滿足要求，需擴(kuò)建大型污水處理廠來提升污水處理能力。大型污水處理廠大多為地埋式，需進(jìn)行基坑開挖且大部分為深基坑。污水處理廠中的深基坑屬于臨時工程，其深度一般大于5 m，其變形機(jī)理復(fù)雜。深基坑開挖后，容易因卸載導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、坑底隆起、周邊地表沉降過大等問題，破壞周邊建、構(gòu)筑物、道路及管道等，嚴(yán)重的會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[1]。因此，進(jìn)一步研究污水處理廠深基坑的支護(hù)和降水設(shè)計(jì)方案具有重要的工程意義。

1? 污水處理廠深基坑支護(hù)類型選擇

1.1? 支護(hù)方案選擇原則

為了保證污水處理廠的深基坑設(shè)計(jì)方案達(dá)到最佳，必須堅(jiān)持以下原則：一是安全性原則，安全是深基坑設(shè)計(jì)要考慮的首要原則，不僅要保證基坑自身開挖的安全性，還要保證基坑周邊建、構(gòu)筑物，道路等設(shè)施的安全；二是經(jīng)濟(jì)性原則，深基坑設(shè)計(jì)要在保證工程安全的前提下，盡量選擇投資金額小的方案，以提高項(xiàng)目的投資效益；三是工期性原則，選擇合適的深基坑支護(hù)和降水方案，能加快施工進(jìn)度，縮短施工工期。

1.2? 支護(hù)方案對比

1.2.1? 放坡+土釘墻

如果深基坑周邊場地空闊，且無大面積的建筑物或地下管線，可采用放坡方案，放坡高度、級數(shù)、平臺寬度等參數(shù)應(yīng)根據(jù)基坑深度確定。放坡方案對基坑邊坡的水平位移要求嚴(yán)格，在巖土體性質(zhì)較差的區(qū)域需采用土釘墻進(jìn)行支護(hù)[2]。

土釘墻支護(hù)是利用鋼筋打入基坑側(cè)壁，并注入水泥漿液，利用鋼筋自身的抗拉強(qiáng)度、鋼筋與水泥漿液之間的黏結(jié)力等來加固基坑邊坡。結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究成果，對土釘墻支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行闡述：一是直徑和長度，土釘直徑和長度越大，其承載力越高，但過大會導(dǎo)致成本增加。二是角度，為了便于施工，防止水泥漿液在自身重力作用下流出鉆孔，土釘與基坑邊坡坡面的角度宜控制在5～20°。三是間距，土釘間距不宜過大或過小，間距過大無法充分發(fā)揮支護(hù)作用，間距過小存在“群錨效應(yīng)”。大量工程實(shí)踐表明，建議土釘間距取1.0～2.0 m。

1.2.2? 地下連續(xù)墻

當(dāng)深基坑周邊有重要的建、構(gòu)筑物，對基坑變形控制嚴(yán)格時，可采用地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻的剛度大、整體好，可承擔(dān)較大的水土壓力，控制基坑變形。同時，地下連續(xù)墻的抗?jié)B性能較大，可減小基坑內(nèi)降水的影響。一般情況下，地下連續(xù)墻的厚度越大，其擋土和防滲效果越好。如果因場地限制，無法加厚地下連續(xù)梁，可通過加肋來提高強(qiáng)度、高度，比如設(shè)計(jì)一字型槽段、T字型槽段、轉(zhuǎn)角槽段，地下連續(xù)墻與外墻相連接時可采用單一墻、復(fù)合墻、疊合墻等。需注意，地下連續(xù)墻在施工時會產(chǎn)生較多的廢棄泥漿、廢棄土等，在環(huán)保要求高的地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎使用[3]。

1.2.3? 排樁支護(hù)

排樁是深基坑最常用的支護(hù)方案之一，其按樁體材料不同可劃分成鉆孔灌注樁、鋼板樁、鋼管樁等，按排列方式不同可劃分成單排樁、雙排樁等等。為了更好地控制深基坑變形，排樁通常與預(yù)應(yīng)力錨索、內(nèi)支撐聯(lián)合使用，形成樁錨聯(lián)合支護(hù)，此時加固機(jī)理為：水土有效應(yīng)力作用先作用在排樁上，隨后沿著預(yù)應(yīng)力錨索的自由端傳遞至錨固段，再由錨固段傳遞至穩(wěn)定的巖土層中，以保證深基坑的安全性。

由規(guī)范可知，作用在排樁上的土反力ps（圖1）可按式（1）計(jì)算[4]

ps=ksv+ps0，（1）

式中：ps0為初始土反力強(qiáng)度，kPa；ks為土的水平反力系數(shù)；v為水平位移值，m。

1.2.4? 內(nèi)支撐

目前，城市污水處理廠深基坑的內(nèi)支撐形式主要有鋼筋混凝土、鋼支撐2種類型。鋼筋混凝土支撐的各節(jié)點(diǎn)各通過混凝土澆筑成一個整體，穩(wěn)定性較好，支護(hù)效果好，但其施工工期較長、投入資金高，且深基坑施工完成后要將鋼筋混凝土破除，造成了一定的資源浪費(fèi)；鋼支撐是利用鋼制構(gòu)建與圍護(hù)體系相互作用，具有安裝拆卸速度快、成本低等優(yōu)勢，但是由于鋼結(jié)構(gòu)的抗拉和抗壓能力的限制，其多用于狹長的深基坑。

圖1? 支護(hù)樁土反力分布

2? 工程概況

2.1? 污水處理廠規(guī)模

研究對象為某城市大型全埋式地下污水處理廠，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，設(shè)計(jì)規(guī)模18萬m3/d，地下箱體呈不規(guī)則矩形，最大尺寸300 m×120 m，面積約45 000 m2。按處理工藝流程，地下箱體劃分為A和B

兩個區(qū)域，其中A區(qū)包含污水預(yù)處理、調(diào)節(jié)池、生化池和膜池等區(qū)域，地下2層，基坑開挖深度較大，約12 m。B區(qū)為污泥脫水及尾水處理區(qū)域，地下1層，基坑開挖深度約7.5 m。箱體A區(qū)和B區(qū)的基坑深度均大于5 m，屬于深基坑。

2.2? 設(shè)計(jì)等級

該污水處理廠基坑周邊的場地相對較簡單，周邊無現(xiàn)狀建、構(gòu)筑物。目前，基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)分別為規(guī)劃路、拆遷空地、河道、河道。因此，基坑設(shè)計(jì)時的主要保護(hù)對象為周邊的道路和河道。箱體A區(qū)的基坑為一級，箱體B區(qū)的基坑為二級。

2.3? 計(jì)算參數(shù)

由勘察資料可知，該場地巖土層自上而下分別為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂等。各巖土層的工程特性指標(biāo)建議值見表1[5]。

深基坑周邊地表水系較發(fā)育，且存在細(xì)砂層，會受到承壓水作用。同時，地下水的補(bǔ)給主要是大氣降水。為了防止深基坑在開挖期間出現(xiàn)突涌問題，需制定降水措施。

3? 污水處理廠深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1? 支護(hù)方案確定

3.1.1? 箱體A區(qū)支護(hù)方案

箱體A區(qū)的基坑開挖深度過大，為了更好地控制其變形，擬采用“單排樁+預(yù)應(yīng)力錨索+內(nèi)支撐”的支護(hù)方案。單排樁選擇C30鋼筋混凝土樁、樁徑為1.0 m、樁間距為1.5 m、樁長為20 m，預(yù)應(yīng)力錨索采用3Φ s21.6鋼絞線，設(shè)置4排，豎向間距為2.5 m，錨索傾角為15°、錨索長度為18 m，設(shè)計(jì)拉力為1 100 kN；內(nèi)支撐設(shè)置1道，材料為鋼筋混凝土，采用“對撐+角撐+邊桁架”的支撐體系。

表1? 邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

3.1.2? 箱體B區(qū)支護(hù)方案

箱體B區(qū)周邊地勢較開闊，擬采用放坡+土釘墻的支護(hù)方案，放坡共一級，坡率為1∶1。土釘采用鋼管土釘，直徑110 mm，長度為10 m，角度為15°，土釘雙向間距為1.5 m。對于安全等級為二級的土釘墻，可按式（2）計(jì)算單根土釘?shù)臉O限抗拔承載力[6]

，（2）

式中：Rk，j為第j層土釘?shù)某休d力，kN；dj為第j層土釘?shù)腻^固體直徑，m；qsk為土釘與基坑巖土體的黏結(jié)強(qiáng)度，kPa；l為土釘在滑動面以外的長度，m。

經(jīng)計(jì)算，箱體B區(qū)的基坑所用的錨釘承載力取200 kN。

3.2? 深基坑支護(hù)方案計(jì)算

3.2.1? 箱體A區(qū)基坑穩(wěn)定性

由JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》可知，錨拉式支擋結(jié)構(gòu)的整體滑動穩(wěn)定性應(yīng)采用圓弧滑動條分法計(jì)算，見式（3）

式中：K為基坑安全系數(shù)；qi為第i個土條的附加分布荷載，kPa；bi、li為分別為第i個土條寬度和滑弧長度，m；？駐Gi為第i個土條自重，kN；？茲i為第i個土條滑弧面中點(diǎn)處的法線與垂直面夾角（°）；ui為第i個土條滑弧面的孔隙水壓力，kPa；ci、？漬i為為第i個土條滑弧面處土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)；R■■為第k層錨索承載力，kN；？茲k為滑弧面在第k層錨桿處的法線與垂直面的夾角（°）；？琢k為第k層錨索傾角（°）；？鬃v為計(jì)算系數(shù)；Sx，k為第k層錨索的水平間距，m。

將箱體A區(qū)支護(hù)方案數(shù)值代入公式（3）中，求解出深基坑的整體安全系數(shù)為1.52＞1.35，滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.2.2? 箱體A區(qū)基坑支護(hù)樁變形

為了進(jìn)一步確定深基坑支護(hù)方案的可行性，利用有限元軟件建立計(jì)算模型，分析了箱體A區(qū)基坑的支護(hù)樁變形規(guī)律及其對周邊地表沉降的影響。

由于有限元軟件建模難度大，計(jì)算時先在CAD軟件中繪制好基坑線條模型，在另存為DXF文件后導(dǎo)入有限元軟件中。箱體A區(qū)基坑的巖土體用實(shí)體單元模擬，支護(hù)樁和預(yù)應(yīng)力錨索用一維桿件單元模擬。由于深基坑模型復(fù)雜，為了保證計(jì)算準(zhǔn)確性和計(jì)算速率，劃分網(wǎng)格時宜采用“近密遠(yuǎn)疏”的原則，即基坑周邊一倍開挖深度范圍內(nèi)的網(wǎng)格加密處理，尺寸取0.5 m，其他位置的網(wǎng)格尺寸取1.0 m，共劃分了12 568個單元和13 669個節(jié)點(diǎn)，如圖2所示[7]。

圖2? 箱體A區(qū)基坑模型網(wǎng)格劃分

此外，基坑模型的底部邊界完全約束，模型四周約束X方向位移，模型頂面不施加約束，設(shè)置為自由邊界。

以支護(hù)樁樁底為坐標(biāo)原點(diǎn)，向上每隔2.0 m設(shè)置一個監(jiān)測點(diǎn)，將每個監(jiān)測點(diǎn)的水平位移數(shù)據(jù)從軟件中提取出來，繪制出支護(hù)樁沿深度方向的變形曲線，如圖3所示。

圖3計(jì)算結(jié)果表面：箱體A區(qū)基坑支護(hù)樁的水平位移呈“弓形”分布[8]，在距樁底0～8.0 m范圍內(nèi)，支護(hù)樁水平位移不斷增加，位移最大值達(dá)到了23.5 mm；在距樁底8.0～20.0 m范圍內(nèi)，支護(hù)樁水平位移不斷減小，樁頂?shù)乃轿灰谱钚?，僅2.2 mm。

3.2.3? 箱體B區(qū)基坑穩(wěn)定性

將巖土參數(shù)、土釘墻參數(shù)等輸入理正軟件后，計(jì)算了箱體B區(qū)基坑四周邊坡在天然工況、暴雨工況（折減巖土體參數(shù)模擬）下的安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3? 支護(hù)樁水平位移分布

圖4? 深基坑四周邊坡安全系數(shù)

由圖4可知：①基坑四周邊坡安全系數(shù)在不同工況下的大小關(guān)系為東側(cè)大于南側(cè)大于西側(cè)大于北側(cè)；②暴雨能明顯降低邊坡安全系數(shù)，東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)、北側(cè)的安全系數(shù)分別降低了0.21、0.25、0.27、0.23，減小幅度分別為13.1%、16.0%、17.5%、18.1%。但是，基坑邊坡在天然工況和暴雨工況下的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，說明箱體B區(qū)基坑采用“放坡+土釘墻”的支護(hù)方案是可行的。

4? 污水處理廠深基坑降水方案設(shè)計(jì)

4.1? 基坑涌水量計(jì)算

根據(jù)勘察資料，滲透系數(shù)取20 m/d。同時，在計(jì)算箱體A區(qū)基坑和箱體B區(qū)基坑總涌水量時，將其視作潛水完整井，用式（4）計(jì)算[9]

，（4）

式中：H為潛水含水層厚度，m；sd為基坑地下水設(shè)計(jì)降深，m；R、r0為分別為降水影響半徑和基坑等效半徑，m。

4.2? 降水措施

基坑擬采用深井降水方案，降水深度達(dá)到基坑開挖面以下1.0 m。經(jīng)計(jì)算，算箱體A區(qū)基坑和箱體B區(qū)基坑的涌水量分別為850、680 m3/d。

深基坑降水后，坑底各土層的有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生附加應(yīng)力，使得坑底各土層的沉降增大。鑒于此，利用理正軟件中的分層總和法計(jì)算了深基坑降水后的沉降，箱體A區(qū)基坑和箱體B區(qū)基坑降水后的沉降分別為86.5、66.8 mm，沉降總體可控，說明降水措施可行。

5? 結(jié)束語

文章主要研究了深基坑的常用支護(hù)措施，以某城市污水處理廠深基坑為研究對象，設(shè)計(jì)了其支護(hù)方案和降水方案，得到以下幾個結(jié)論：①深基坑常用支護(hù)措施有放坡、土釘墻、地下連續(xù)墻、排樁和內(nèi)支撐等，在選擇時應(yīng)堅(jiān)持安全性、經(jīng)濟(jì)性、可行性原則。②對于變形控制嚴(yán)格的深基坑，可采用“單排樁+預(yù)應(yīng)力錨索+內(nèi)支撐”的聯(lián)合支護(hù)方案。③深基坑支護(hù)樁的水平位移呈“弓形”分布，從下至上先增加后減小。同時，土釘能明顯提升深基坑四周邊坡的安全系數(shù)。④為了防止深基坑出現(xiàn)突涌問題，應(yīng)采用深井降水方案。

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