紧邻曹娥江堤脚某泵站深基坑围护方案研究

2021-04-17余建平吴留伟

浙江水利科技 2021年2期

余建平，吴留伟，吴蕾

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

1 问题的提出

随着经济的不断发展，开发建设中土地利用与河道、水面保护的矛盾突出，原有自然水系部分遭到破坏，河网水面分布不均，水体循环较差，而区域河道的排涝工程未配套，排涝出口偏少，排涝能力有限，洪水期容易受淹。且近年来，暴雨等灾害性天气对人民群众生产生活造成较大影响，水利排涝泵站工程是平原和城市“治涝水”的主要工程措施之一[1]。建设排涝泵站，一方面通过打通中心排涝河向外排，加强水系沟通，增强洪水排泄能力；另一方面，可进一步提高片区调蓄能力。

由于工程布置需要，排涝泵站多建设在河道堤防内侧。建设初期，存在堤防内侧深大基坑开挖问题，为堤防的度汛安全带来全新挑战。堤防是抵御洪水的重要屏障，而基坑开挖对堤防沉降、变形都会产生影响，一旦出现事故，后果非常严重。且基坑围护范围内存在大量粉土，粉土是一种工程性质多变的土类，其物理力学性质介于细粒无黏性土和黏性土之间，工作性态复杂[2]。江边基坑地下水补给充分，地下水位高，再加上粉土渗透稳定性差，抗渗强度低，进行深基坑开挖容易出现管涌等现象，引起土体流失，造成基坑变形过大和邻近地面沉降[3]。此外，在临江深基坑工程中，往往由于止水帷幕的选择不当或施工质量控制不严，地下水渗漏和支护体系变形等事故经常发生[4]。

本文结合紧邻曹娥江堤脚某泵站深基坑工程，在保证堤防安全度汛的前提下，通过对工程地质情况和施工条件的分析，结合基坑监测数据，对基坑支护和地基中含有较深厚粉土层的降水措施进行研究。考虑施工导流及工程度汛要求，提出主体工程不同区域分2期施工的深基坑围护方案，并取得良好效果，可为紧邻堤防的泵站深基坑围护方案设计、施工提供参考。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程概况

本工程位于绍兴市上虞区境内曹娥江左岸，由内河侧护底、泵站（进出水池、泵室、节制闸）、穿堤箱涵、外江侧引河等组成。泵站为整体式钢筋混凝土结构，泵室段长10.50 m，宽22.80 m。进水池和出水池分别位于泵室段的西侧和东侧，平行布置，长6.00 m，宽22.80 m。进水池、出水池南侧接内河护底，北侧各自通过6.00 m×3.00 m（宽×高）混凝土箱涵穿过曹娥江堤防后与外江侧引河连接。工程平面布置见图1。

工程紧邻曹娥江大堤，最大开挖深度约13.40 m，地质条件复杂。为保证泵站施工期周边环境及曹娥江堤防的安全，确保工程顺利实施，结合施工导流方案，须在汛前完成泵站主体工程的施工。因此，根据施工组织考虑对开挖深度大的泵室施工区域、穿堤箱涵施工区域采取基坑围护措施。

图1 工程平面布置图

2.2 工程地质条件

工程区气候温和，雨量充沛，属亚热带季风气候区。地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系松散堆积物孔隙潜水。基岩裂隙水主要受断层及节理控制，深部基岩一般为不透水层；孔隙潜水主要埋藏于第四系松散堆积层中。地下水一般受大气降水补给，并向江、河等地表水体排泄。

根据工程地质勘查成果，主要地层特性自上而下叙述如下：①层为素填土，由粉质黏土及少量碎石等组成，厚1.40～2.80 m；②1层为黏质粉土，以黏质粉土为主，厚6.60～7.80 m；②2层为砂质粉土，以砂质粉土为主，厚3.10～5.00 m；③层为淤泥质粉质黏土，以淤泥质粉质黏土、淤泥为主，夹粉土，厚6.00～14.90 m；④层为粉砂，以粉砂为主，厚2.00～3.00 m；⑤层为粉质黏土，以粉质黏土为主，厚9.10～9.90 m。各土层主要物理力学特性指标见表1。

表1 土层主要物理力学特性指标表

3 工程特点及难点分析

综合地理位置、地质条件、基坑开挖深度及周围环境条件，本基坑施工具有如下特点及难点：

（1）最大开挖深度约13.40 m，基坑开挖深。

（2）基坑开挖区间分布有厚度不等的砂质粉土、淤泥质粉质黏土，具有高压缩、低强度的特点，对基坑整体稳定和变形控制不利。

（3）穿堤箱涵施工开挖过程中将挖穿曹娥江大堤，边坡及基础以粉土及粉砂为主，场地地下水位高于箱涵开挖底高程，粉土及粉砂在施工过程中易发生流土、管涌等现象，开挖时须做好降水、排水以及雨季的防水工作，防止坑壁坍塌、坑底流土、管涌、隆起等现象发生。

（4）基坑坑底高程变化大，底高程从-2.60～0.10 m，基坑内涉及建筑物多，有泵站、出水箱涵等，须根据不同建筑物型式，不同底高程，进行相应的基坑围护设计。

（5）基坑紧邻曹娥江，临河侧需要布置围堰挡水；基坑地下水位埋深浅，需加强对水位的控制；基坑堤防侧下部含有粉土、粉砂等，容易诱发渗透变形，需考虑设置防渗帷幕等，对基坑内外地下水进行封闭。

（6）基坑外江侧为曹娥江大堤，因曹娥江大堤汛期承担重要防洪作用，故基坑开挖须在非汛期施工，以减少汛期基坑开挖风险。

4 基坑围护方案

4.1 基坑施工分期及施工时段选择

本工程基坑北侧为曹娥江堤防，南侧为江西路。由于曹娥江大堤为1级堤防，设计洪水标准为100 a一遇，考虑到曹娥江大堤的重要性，结合工程施工难度、导流方案等因素，基坑围护分2期实施。一期基坑为泵站主泵室段围护，施工期间可利用曹娥江堤防挡水；二期基坑为穿堤箱涵围护，施工时间较短，但考虑到穿堤箱涵底部开挖施工以及工程的防洪度汛问题，曹娥江侧考虑采用临时围堰挡水。

根据工程所在地区的水文特征，结合施工进度安排，一期基坑安排在2019年6月至2020年2月施工，二期基坑安排在2019年10月至2020年2月施工。

4.2 基坑围护结构总体方案

工程北侧紧邻曹娥江堤防，不具备放坡条件，同时涉及导流问题，考虑非汛期曹娥江大堤拆除后，基坑周边具有一定空间，为减少垂直支护深度，降低基坑工程造价，在基坑上部土质较好区域采用放坡开挖方案。而整个基坑开挖深度较深，开挖范围内土层复杂，且存在淤泥、淤泥质土等深厚软土结构，为保证基坑安全，泵室主体段采用混凝土灌注桩加支撑围护方案，穿堤箱涵段考虑部分放坡开挖结合灌注桩悬臂支护结构方案。

4.2.1 一期基坑

泵室左右岸自进口16.70 m范围内先将地面整平至5.00 m高程，然后按1:2放坡至3.00 m高程，边坡底宽8.00 m。从3.00 m高程布置单排钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩间距1.00 m，左侧桩长22.00 m，右侧桩长18.00 m。

泵室左右岸自出口7.10 m范围内从地面8.00 m高程左右按1:2放坡至5.00 m高程，边坡底宽2.00 m。从5.00 m高程布置单排钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩间距1.00 m，左侧桩长28.00 m，右侧桩长20.00 m。

泵室出口侧靠近曹娥江堤防，不具备放坡开挖条件，考虑从堤顶10.80 m高程按1:1边坡放坡至5.00 m高程，堤防放坡采用土钉墙支护。从5.00 m高程布置单排钻孔灌注桩，桩径800 mm，桩间距1.00 m，左侧19.00 m范围内桩长30.00 m，右侧8.50 m范围内桩长22.00 m。

排桩顶部均采用冠梁连接形成整体，宽1.00 m，高0.80 m。为控制基坑桩底位移、保证基坑稳定，在钻孔灌注桩中部（3.00 m高程）设置混凝土斜撑，在斜撑中间间隔设置格构柱支撑。

4.2.2 二期基坑

从堤顶10.80 m高程按1:2边坡放坡至2.50 m高程，边坡底宽5.00 m，在7.10 m高程设置一级马道，马道宽2.00 m。在2.50 m高程布置单排钻孔灌注桩，桩径800 mm。左侧桩长25.00 m，桩间距1.00 m；右侧桩长15.00 m，桩间距1.20 m。排桩顶部采用冠梁连接形成整体，宽1.00 m，高0.80 m，均采用悬臂式围护结构。

由于基坑紧邻曹娥江，地下水补给丰富，地层中有粉土、粉砂，渗透稳定性差，抗渗强度低，因此本基坑工程围护设计的关键在于地下水位控制。根据邻近工程经验，本工程采用帷幕截水和基坑降水相互结合的方案控制地下水位，在支护桩外侧设置2道D700双轴水泥搅拌桩止水帷幕，基坑内采用管井和真空轻型井点降排水。

4.3 基坑稳定分析

本工程围护体系侧压力计算根据朗肯土压力理论按砂土层水土分算、黏土层水土合算、分层计算的原则进行；基坑整体稳定验算采用瑞典圆弧条分法；排桩墙计算采用弹性地基梁法，土体弹簧常数采用m法确定。根据基坑挖土深度和周边环境、地质条件情况的不同，基坑共分8个设计剖面（见图2），并对每个剖面不同的工况进行分析。

对基坑整体稳定、坑底抗隆起、墙底抗隆起、抗倾覆等安全系数进行计算（见表2），结果均符合规范要求。

表2 基坑剖面计算结果汇总表

图2 基坑围护设计剖面布置图

5 基坑开挖及基坑监测

5.1 基坑开挖施工技术

5.1.1 一期基坑开挖

（1）对主泵室左右岸段基坑场地整平至5.00 m高程，基坑四周布置砖砌水沟，基坑边坡表面喷混凝土防护，布设井点，对基坑进行预降水，并施工外江侧围堰，靠近曹娥江段放坡开挖至5.00 m高程，坡面挂网喷护，施工土钉，并进行轻型井点施工。

（2）以5.00 m高程为施工平台，进行双轴搅拌桩、钻孔灌注桩、立柱桩、主体结构工程桩等施工，靠近出水池部分区域按照1:2放坡开挖至3.00 m高程后，进行灌注桩冠梁施工。

（3）待压顶梁达到设计强度的80%以后，开挖到支撑顶高以下0.50 m高程。

（4）施工混凝土支撑和腰梁。

（5）待支撑和腰梁强度达到设计强度的80%以后，分层开挖至底板垫层底高程。

5.1.2 二期基坑开挖

（1）将穿堤箱涵左右岸从堤顶10.80 m高程分2级放坡至2.50 m高程，坡度均为1:2，中间马道高程为7.10 m高程。开挖至3.00 m高程后，基坑四周布置砖砌水沟，基坑边坡表面喷混凝土防护，并进行轻型井点的施工；

（2）以2.50 m高程为施工平台，进行双轴搅拌桩、钻孔灌注桩、主体结构工程桩、冠梁等施工。

（3）待压顶梁达到设计强度的80%以后，分层开挖至底板垫层底高程。

5.2 基坑监测及应对措施

施工期监测主要为泵站基坑开挖监测及周边环境监测。基坑施工期监测平面布置见图3。

沉降位移观测点的观测周期为2019年10月30日至11月25日，施工开挖周期为2019年11月15——25日。根据监测资料，基坑围护结构各沉降位移观测点累计沉降为6.1～10.2 mm，位移变化为2.1～2.8 mm，施工开挖期间最大沉降量为10.2 mm；基坑左侧边坡沉降位移观测点累计沉降为8.7～14.2 mm，位移变化量为2.5～2.8 mm，施工开挖期间最大沉降量为13.7 mm；基坑右侧边坡沉降位移观测点累计沉降为7.7～9.9 mm，位移变化量为2.2～3.3 mm，施工开挖期间最大沉降量为8.4 mm；曹娥江侧围堰沉降位移观测点累计沉降为45.1～45.9 mm，位移变化量为13.1～13.6 mm，施工开挖期间最大沉降量为14.8 mm；江西路沉降位移观测点累计沉降为18.0 mm，位移变化量为3.1 mm，施工开挖期间最大沉降量为9.3 mm。桩号泵站0+008.35 m、桩号泵站0-012.00 m、大厂0+011.00 m处支撑轴力应力变化稳定。图4为基坑围护结构沉降变化曲线图，图5为深层土体水平位移曲线图，图6为各观测点沉降变化曲线图。

图3 基坑施工期监测平面布置图

图4 基坑围护结构沉降变化曲线图

图5 深层土体水平位移曲线图

图6 各观测点沉降变化曲线图

经过分析，曹娥江侧围堰沉降观测点JK-3、JK-4沉降量偏大，因堰基主要为粉土、淤泥，沉降量偏大属正常现象。JK-7为江西路沉降位移观测点，此处基坑采取放坡开挖的方式，主要为基坑内运输通道，且江西路与基坑之间为内河。考虑到基础主要为粉土、砂质粉土，易发生流土等不利基坑稳定的影响，结合观测资料，在江西路侧增加钢板桩支护。实施后，江西路侧观测点趋于稳定。