门架式永临结合结构在基坑围护中的应用

沈　波　陈能成

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司上海200439）

门架式永临结合结构在基坑围护中的应用

沈波陈能成

（长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司上海200439）

西弥浦泵闸工程周边条件复杂，基坑无法满足开挖，并要求于非汛期完成主体结构施工。针对这种施工周期紧张、施工条件复杂的情况，本工程内外河翼墙采用门架式双排桩永临结合的方案。通过技术分析，特别是对内力及位移计算，并结合施工措施控制及对周边建筑物影响分析，本方案切实可行，既节省造价，又减少施工周期，优势明显。本文以工程实例应用作介绍，可为类似案例提供借鉴。

门架式结构；永临结合；基坑围护；泵闸

1　工程概况

西弥浦泵闸工程位于上海市宝山区，主要由泵闸主体及上下游消能结构等组成。本工程为Ⅰ等工程，设防标准千年一遇。泵闸段长27m，上游侧设长12m的消力池以及长25m的海漫，下游侧设长15m的消力池及长40m的海漫，内外河海漫、进水池、消力池及连接段翼墙均采用与基坑围护结构相结合的永临结合结构形式。

2　基坑概况

基坑场地四周条件复杂，主要以企业厂房为主。左岸为工业码头及厂房：左岸闸室段基坑开挖边界距离厂房最近处约为5.17m；左岸消力池段基坑开挖边界距离厂房最近处约为6.60m；左岸内河连接段基坑开挖边界距离厂房最近处为4.70m。右岸毗邻改建道路，右岸闸室段基坑开挖边界距离道路最近处约为10.80m，道路宽约3m，道路右岸为1层～2层成片民居，砖混结构。基坑周边地面绝对标高取5.00m，各区段开挖深度达5m～8.1m。

3　基坑地质情况

基坑场地内揭露有①1层填土、①2层浜底淤泥，②层粉质粘土，③层淤泥质粉质粘土，③夹层砂质粉土，④层淤泥质粘土，⑥层粉质粘土、⑦1层砂质粉土及⑦2层砂质粉土，所采用的基坑围护设计参数见表2。其中，基坑浅层主要土层为③层淤泥质粉质粘土及④层淤泥质粘土，土质差较，对基坑稳定带来不利。

③层淤泥质粉质粘土参数：c=11 kPa，φ=12.5°；④层淤泥质粘土参数：c=16.6kPa，φ=10.5°

4　基坑围护结构

基坑支护设计必须确保周围环境安全可靠，力求做到经济合理，方便施工，节约工期。本基坑开挖深度为1.30m～8.20m，属浅～中等深度基坑；开挖深度范围内③、④层淤泥质土具触变和流变等特性，在动力作用下土体强度极易降低，因此在开挖过程中应防止土体扰动，并应及时进行基础底板浇筑；基坑开挖范围内③夹层砂质粉土粘聚力低，在水头压力下有产生流砂的可能性，故应确保围护体具有良好的止水性能。

根据上海市工程建设规范《基坑工程技术规范》（DG/TJ08-61-2010），判定基坑临时围护结构安全等级为二级，永临结合围护结构安全等级为一级，环境保护等级为二级［3］。本基坑围护结构设计综合考虑因素主要有：

1）经济合理，部分围护结构要求与泵闸永久结构相结合，在保证安全的情况下要尽量做到经济合理；

2）方便施工，由于本工程主体结构需在非汛期完成，需节省工期；

3）工程周边环境较复杂，应采用对土体扰动小，安全可靠的围护形式；

4）基坑形状狭长，形状狭长则长边效应明显，根据基坑工程时空效应原理，在土体徐变及基坑长边效应的影响下，围护可能产生较大的变形。应根据基坑形状选择合理的支撑平面布置形式、合理安排开挖顺序，减少基坑暴露时间，减少土体流变产生的影响；

综合以上因素，内外河海漫段、消力池段、及连接段围护结构采用永临结合。由于基坑较深，永久结构稳定、渗流及位移等要求高，因此采用刚度大、稳定性好的双排钻孔灌注桩，门架式结构。选取深度最大的外河消力池段作具体介绍：外河消力池段最低处为-2.50m，开挖深度7.50m，采用双排Φ1000@1150mm钻孔灌注桩挡土，桩排距3.0m；双排桩间施做双排φ700mm双轴搅拌桩止水帷幕。顶部纵横向设置冠梁，形成门架结构。消力池只需设底板结构，待底板达到强度后，可形成换撑作用。该基坑位置距周边厂房约5.17m，厂房为浅埋基础钢构架结构，施工期对厂房的影响也是至关重要。

5　基坑计算分析

基坑计算的主要内容为：整体稳定、抗倾、管涌、隆起、围护结构的内力及位移。其中对于整体稳定、抗倾、管涌、隆起，理论计算原理双排桩结构同单排桩一致，相对简单。但对于结构内力及位移计算，双排桩较为复杂，本文侧重对此进行分析。

首先是作用在双排桩结构上的土压力难以确定，特别是桩间土的作用对前后排桩的影响难以确定。其次是双排支护结构的简化计算模型如何确立，包括嵌固深度的确定、固定端的假定、桩顶位移的计算等。常见计算方法有：

a）桩间土静止土压力模型

假定前排桩桩前受被动土压力，后排桩桩后受主动土压力，桩间土压力为静止土压力，并采用经典土压力理论确定土压力值。这种土压力确定方法较为简单，但反映的因素较少，计算结果误差很大。

b）前后排桩土压力分配模型

一般来说，双排桩由于桩间土的作用和“拱效应”的影响，确定土压力的不定因素很多，前后排桩的排列形式对土压力的分布也起关键影响。因此，需要考虑不同布桩形式的情况下，桩间土的土压力传递对前后排桩的土压力分布的影响［1］。

为提高计算精度，达到计算结果的真实性和合理性，本次计算分析采用前后排桩土压力分配模型计算。本结构为双排桩矩形布置，主动土压力σa可以假定作用在后排桩上，桩间土压力为△σa，则前后排桩土压力分别为：

前排桩：pa=△σa=βσa

后排桩：pa=σa-△σa=（1-β）σa

图2　β计算简图

图1　围护结构断面

图3　施工期内力位移包络图

图4　运行期内力位移包络图

主要计算结果：永临结合结构，主要计算两个工况，一为施工期，二为运行期。

根据计算结果可见，桩身位移最为敏感，由于工程永临结合要求及环境等级限制，桩身位移允许位值小。因此对桩体本身的刚度及强度要求高，可见采用门架式双排桩结构是合理的。

6　对临近建筑物影响分析

基坑开挖边线距厂房最近约5.17m，为保证施工期间邻近建筑物安全，采用有限元就基坑对邻近建筑物的影响进行了计算分析。支护结构应用Mohr-Coulomb模型，土层采用Hardening-Soil模型，分析基坑开挖后的周围土体位移的变化。

计算区域为：竖直向影响深度一般≥2H（H为基坑开挖深度）；水平向影响范围一般大于≥3H（H为基坑开挖深度）。水平方向为X方向，垂直方向为Y方向，且对X边界施加X向位移约束，Y边界施加Y向约束。计算中在建筑物与基坑支护结构之间考虑施工超载20kPa。

图5　周边建筑物影响分析云图

根据计算分析，周边厂房垂直位移为15.32mm，满足规定值20mm。可见，施工期周边建筑物是安全的。

7　施工注意事项

施工过程中，应做好监测工作，用监测数据指导施工，永临结合结构对变位更为敏感，因此监测要求更高。

由于基坑周边建筑物较近，在基坑施工之前，应对基坑周围的建（构）筑物进行详细的调查，并对已存在的裂缝、下陷等情况进行记录。并在施工过程中及完工后对建筑物作好监测，各阶段进行对比分析，作好建筑物保护工作。

灌注桩排桩应采用间隔成孔的施工顺序，刚完成混凝土浇筑的桩与临桩成孔安全距离不应小于4倍桩径，或间隔时间不应小于36h［1］。深层水泥土搅拌桩施工会扰动土体，引起周边道路的变形，必须重点监测周边道路地表、挡墙沉降和水平位移，并密切注意周边道路的变形和裂缝情况。水泥土搅拌桩施工可能会引起道路隆陷甚至开裂，应严格控制搅拌桩的施工速度。必须重点监测基坑顶部沉降和水平位移观测，并注意基坑外观以判断基坑止水帷幕的效果［2］。止水帷幕与灌注桩施工时注意相邻的搅拌桩与混凝土桩施工的时间安排和搅拌桩成桩的垂直度。为保证搅拌桩质量，应安排于灌注桩完成后再施工，以避免因灌注桩施工对搅拌桩防渗墙形成的破坏。

表2　基坑围护计算结果

8　结语

通过本工程实例可见，泵闸内外河两岸翼墙采用门架式永临结合围护结构是可行的，也是合适的。不仅保证了基坑的安全，满足临时及永久结构要求，也减少了两岸翼墙投资，经济合理；整个内外河侧主体结构减少，缩短施工周期至少2个月，为满足汛期通水创造了时间条件，减小了区域防汛压力。同时，永临结合结构对于变位的控制要求较高，在施工过程中也应作好详细监测。综上可见，门架式永临结合结构在水利工程中有其特定优势的，技术成熟可靠，能得到广泛的应用。陕西水利

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册（第二版）［M］，中国建筑工业出版社，2009.

［2］龚晓南.地基处理手册（第三版）［M］，中国建筑工业出版社，2008.

［3］DG/TJ08-61-2010.《基坑工程技术规范》［S］.

（责任编辑：畅妮）

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