软土地基临河调蓄池结构及基坑支护设计分析

2021-02-26付东王徐宏妍

水利技术监督 2021年2期

王宁，付东王，高健，杨蕾，徐宏妍

(1.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏南京 210022；2.南京东大岩土工程勘察设计研究院有限公司，江苏南京 210018)

初期雨水调蓄池作为一种减少初期雨水污染物入河的有效措施，对改善城市水环境起到重要作用，是城市河道水环境治理的重要举措之一，目前已逐渐得到广泛运用[1-2]。而随着中国的快速发展，城市建设用地日益紧张，为节约土地资源，包括初期雨水调蓄池在内的公共设施开始探究如何更加合理地利用城市地下空间资源[3]。初期雨水调蓄池一般设置在排水系统的末端[4-5]，其中相当比例的调蓄池位于近河或临河区域，易存在水平向受力不均匀和抗滑稳定问题，结构设计和基坑支护设计时需格外注意其不利影响；若遭遇软土地基，则进一步提高了设计难度。文章结合南河综合整治工程中实施的雨润调蓄池，对软土地基临河调蓄池的特点以及基坑支护和结构设计的难点进行分析，并对其具体设计和计算过程进行介绍，以期为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

南河，位于南京主城西南，全长约9.3km。南京市水务局于2017年启动南河综合整治工程设计工作，作为控源截污的重要举措之一，工程于南河沿线建设4座初期雨水调蓄池，目前工程已竣工验收。4座调蓄池中，雨润调蓄池的自身和外部条件均较为复杂，文章选取雨润调蓄池作为分析对象。

1.1 调蓄池概况

雨润调蓄池与配套水处理站及雨润排涝泵站合建，调蓄池有效容积为3500m3，水处理站处理能力为1040m3/d，排涝泵站规模为3.6m3/s。受用地条件限制，雨润调蓄池临南河而建，临河侧壁板兼做防洪墙；为全地下式钢筋混凝土结构(管理房和排涝泵房除外)，整体呈长方形，结构外尺寸为42.20m(长)×25.20m(宽)×11.60m(高)，池顶覆土0.3～0.6m。

1.2 地质概况

基坑开挖支护范围及其影响范围内土层的主要参数见表1，地基处理范围内钻孔灌注桩桩基设计参数见表2。调蓄池基底位于③淤泥质粉质黏土和③-1粉质黏土(软塑～流塑)层。

表1 土层主要参数表

表2 钻孔灌注桩桩基设计参数

1.3 周边环境概况

调蓄池周边环境较为复杂，其西侧紧临南河，该侧壁板需兼作防洪墙；东侧为现状凤台南路，是城市主干道，道路边线距离基坑净距约22m；南侧为现状绿化；北侧为地铁1号线和2号线联络线，为高架形式，距离基坑最近处约15m。另外，东侧有DN1600给水主管1根，埋深约为4m，距离基坑最近处约1m。

2 工程特点和设计中应注意的难点

(1)平面尺寸大、深度深：本工程调蓄池结构外尺寸为42.20m(长)×25.20m(宽)×11.60m(高)，平面尺寸较大，深度较深。在满足结构受力的基础上，此类结构的主要难点还在于如何避免超长现浇钢筋混凝土结构由混凝土水化热和温度应力带来的裂缝[6-7]。

(2)软土地基：根据地勘成果，工程场区地质条件较差，属典型的软土地基。工程在设计时，必须考虑软土高含水量、高压缩性、低承载力的特点，采取相应的工程措施[8-9]。

(3)周边环境复杂：工程附近分布有城市主干道、地铁高架、给水主管，且均距离基坑较近，工程在设计和施工时必须关注工程实施对现有设施的影响。

(4)临河而建：调蓄池西侧临河道，东西向两侧土压力相差较大，工程在设计时需重点关注土压力不平衡情况下的结构内力分布、调蓄池抗滑稳定安全以及基坑安全。

3 总体方案比选

根据工程实际特点，制订两个基坑支护和结构总体方案进行比选，分别为方案一(基坑围护地下连续墙兼作主体结构壁板)和方案二(支护结构和主体结构独立)。

3.1 方案一

该方案地下连续墙既作为基坑围护结构，又作为调蓄池主体结构的壁板，工程投资相对较小；但受力体系不甚明确，缺少相关规范支撑，且对施工要求高，施工难度大。

3.2 方案二

该方案采用传统的主体结构和支护结构独立的方式，受力体系明确，规范依据充分，施工难度一般；但与方案一相比，该方案工程投资较大[10-11]。

3.3 推荐方案

综合考虑本工程临近河道、地铁、城市主干道、给水主管等的实际情况，选择受力体系明确、施工相对方便的方案二作为推荐方案，即支护结构和主体结构独立的方案。

4 结构设计分析

4.1 池体结构设计

池体采用钢筋混凝土框架结构，地下二层为调蓄池，地下一层为水处理站和排涝泵站。根据规范相关要求，为尽量减小温度变化对结构的影响，本工程调蓄池沿长度方向设置后浇带一道，位于第二跨和第三跨之间。调蓄池平面布置如图1所示，剖面图如图2所示，池体主要结构尺寸见表3。

表3 调蓄池主要结构尺寸表

图1 调蓄池平面布置图(单位：m)

图2 调蓄池剖面图(单位：m)

考虑到本工程情况较为复杂，而单一计算软件均具有局限性，本次计算采用多个计算软件进行相互验证复核。结构计算主要采用PKPM结构分析软件，并采用理正复杂水池进行复核；另外，因调蓄池临河而建，其宽度方向上两侧土压力不对称，取宽度方向受力单元，采用理正工具箱中的平面钢桁架模块进行计算，并对壁板、柱配筋进行修正。以理正复杂水池软件为例，给出计算模型和检修工况(池内无水、地下高水位)下底板长度方向的弯矩计算云图(图3)。

图3 理正复杂水池结构计算模型及内力计算结果(单位：kN·m)

4.2 地基处理设计

本工程调蓄池位于软土地基，经计算，若采用天然地基，地基承载力和抗浮均不满足要求，需进行地基处理。

由于不良土层厚度太大，超出了深搅桩及其他复合地基处理方案的适用范围，同时钻孔灌注桩可兼作抗拔桩，故本工程拟采用钻孔灌注桩作为基础设计方案，以④-2粉、细砂层为持力层，桩径为1.0m，桩长26m，共89根。

4.3 稳定计算分析

根据池体结构和地基处理设计进行竖向承载力、抗浮、抗滑稳定计算。

(1)竖向承载力。控制工况为试运行工况(池内满水、地下无水)，计算得到单桩竖向承载力特征值Ra=1860kN，单桩竖向荷载特征值：均值为1629 kN

(2)抗浮稳定。控制工况为检修工况(池内无水、临河侧水位为设计洪水位11.10m、背河侧水位为地面以下0.5m)，计算得到单桩抗拔承载力特征值T=1320kN，抗浮稳定安全系数2.01>1.05，满足规范要求。

(3)抗滑稳定。控制工况为河道施工工况(背河侧水位为地面以下1m、临河侧水位为平河底高程5.0m)，计算得到单桩水平承载力特征值Rh=196 kN，抗滑稳定安全系数0.82<1.30，不满足规范要求。

经以上计算，地基处理后竖向承载力和抗浮稳定满足要求，抗滑不满足要求，需进一步采取措施(见第6节)。

5 基坑支护设计分析

5.1 基坑支护设计

基坑采用灌注桩+二层钢筋混凝土水平支撑形式。灌注桩直径为1.2m，间距为1.4m，桩长29.9～30.9m，桩端进入④-2粉、细砂层不少于1.5m；支撑设置为角撑加对撑形式；南河侧设置钢板桩围堰，以应对不平衡土压力，围堰顶宽6m，内填黏土，顶部设置拉杆。四周采用双重管高压旋喷桩作为止水帷幕，止水桩长度为18.60m，形成全封闭止水帷幕，以增强止水效果，减少降水成本；基坑支护平面布置如图4所示。

图4 基坑平面布置图

5.2 基坑支护影响分析

采用理正深基坑支护结构设计软件进行支护结构计算，并采用Midas GTS NX分析基坑支护对地铁联络线的影响，本节对Midas GTS NX有限元模型的建立、计算工况及计算结果进行分析[12]。

(1)模型的建立

基坑开挖的影响范围一般认定为基坑挖深的3倍距离，本模型为充分考虑基坑的开挖对周边建筑物的影响，整体几何尺寸取为147m(长)×109m(宽)×60m(高)，模型网格划分遵循研究部位划分密、边缘部位划分疏的原则，共建立106062个单元，63917个节点，模型建立及网格划分如图5所示。

图5 基坑模型建立及网格划分

(2)计算工况

根据施工工序拟定7个计算工况，详见表4。

(3)计算结果分析

经计算，支护结构与地铁联络线高架的变形情况见表4，并给出工况⑦支护结构和地铁高架水平位移云图(图6)。

图6 工况⑦计算云图

表4 支护结构与地铁高架变形计算成果表单位：mm

由计算结果可知，雨润调蓄池基坑支护结构在整个施工过程中，支护结构最大水平位移发生在工况⑦，约为11.0mm，地铁高架结构最大水平位移发生在工况①和工况⑦，约为1.2mm，地铁高架结构最大竖沉降发生在工况⑥，约为1.6mm。计算结果表明，基坑支护结构的施工对地铁联络线高架的影响很小，满足地铁高架的安全要求。根据施工期基坑监测资料，支护结构及地铁高架的位移与计算结果基本吻合，说明本工程基坑支护设计是安全合理的。

6 永临结合抗滑设计分析

根据4.3节稳定计算，调蓄池抗滑稳定不满足要求，本次将池体与支护桩有效连接(利用支护桩65根)，利用地基处理桩与支护桩共同抗滑。AB侧和CD侧在底板层和标高7.0层共设置两层连接，AD侧仅在底板层设一层连接。其中标高7.0层增设横梁HL1，锚固在壁板和扶壁柱上；底板、横梁与支护桩连接处外凸形成“抓手”并配置加强钢筋以有效传递荷载，与支护桩之间增加隔油毡一层以应对池体结构和支护桩的不均匀沉降，做法如图7所示。