超大型半地下污水处理厂基坑设计与分析

2021-08-15孙仕敏

城市道桥与防洪 2021年7期

孙仕敏

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

0 引言

随着国内城市化进程的加快，集约化土地利用观念的深入和环境保护要求的不断提高，地下式污水厂近年来在国内得到迅速推广[1]。

地下式集约化污水处理厂的设计，尤其是基坑支护的设计，相较于传统地上的、分散式的污水处理厂，开挖面积和深度更大，建设复杂程度也更大[2]，本文以上海市某集约化半地下式污水处理厂超大基坑为实例，结合此类基坑的特点与难点，详细介绍了基坑围护结构选型，基坑设计方案，包括围护桩（墙）选型，支撑选型，分区实施等措施，并着重分析了基坑设计的关键技术，为今后软土地区类似深大基坑工程提供参考。

1 工程概况

1.1 工程结构概况

本集约化半地下式污水处理厂位于上海市郊区，主体结构为一层加盖钢筋混凝土结构，包括生物反应池、二沉池、反硝化深床滤池、提升泵房及高效沉淀池、加氯接触池，均半埋于地下。主体结构层高为5.10～9.00 m，局部层高10.00 m，底板自西向东由高到低，底板顶标高为-6.90～1.55 m，现状地面标高除东侧为3.80m 外，其余侧为3.00 m。基坑轮廓为不规则形状，平面尺寸为166m ×282 m，基坑开挖深度为1.85～11.9 m。基坑开挖深度分区平面见图1，基坑主要区域开挖深度剖面见图2。

图1 基坑开挖深度分区平面图

图2 基坑开挖深度分区剖面图

1.2 工程地质条件

根据勘察报告，本工程基坑开挖影响范围内存在较厚的淤泥质粉质粘土层，且越靠近场地东侧（底板埋深大处）淤泥质粉质黏土层越厚，普遍达10.30～11.00 m，场地内主要土层基本参数见表1。

表1 土层基本参数表

场地内浅层地下水属潜水，勘察期间稳定地下水位标高在1.96～3.15 m 之间。场地内承压水为第⑥2层承压水及第⑦1、⑦2层承压水，其中第⑥2层承压水勘察期间水位标高为-0.79～-0.87m，在基坑开挖场地范围南侧(A 坑与B 坑交界处附近)呈透镜体分布，经验算，基坑第⑥2层承压含水层突涌安全系数为1.128，满足抗承压水稳定性要求。

1.3 周边环境条件

主体基坑周边环境以厂区内空地及新征空地为主，箱体北侧、西侧为厂区内空地，南侧原有房屋已拆迁，周边无重要管线和建（构）筑物。主体基坑东侧为该污水处理厂二期工程建（构）筑物及管线，两根DN150 水管距离基坑东侧分别约为10.4 m 和11.4 m，DN150 水管均为给水PE 管，埋深约1 m；高效沉淀池距离基坑东侧最近处约13.7 m，该池体平面尺寸34.7 m×35.2 m，底板埋深6.35 m，基础为预应力混凝土管桩基础；圆形二沉池距离基坑东侧最近处约14.7 m，池体结构外直径46.4 m，底板埋深3.30～6.85 m，基础为预应力混凝土管桩基础；鼓风机房距离基坑东侧约20.2 m，其为单层厂房，平面尺寸60.7 m×15.2 m，基础为预应力混凝土管桩基础，内配有控制室、配电所、变压器室、桥式起重机等。基坑周边环境条件见图3。

图3 基坑周边环境平面布置图

2 基坑设计特点与难点

集约化地下式污水处理厂通常采用一体化箱体设计，此类污水处理厂基坑一般具有以下一个或多个特点。

（1）基坑面积超大。此类污水处理厂将主要污水处理设施集中起来布置于地下，且考虑到土建分期实施难度较大，往往采取后期土建与现期一并实施，设备分期安装的策略，因此集约化地下式污水处理厂基坑开挖面积巨大。本新建工程设计规模为11×104m3/d，基坑面积近37 000 m2。

（2）基坑开挖深度较大，且开挖深度相差大。地下式污水处理厂将整个水处理构筑物池体层置于地下，对全地下厂，生产管理操作层及地面层也位于地下。由于厂区地面绿化要求，地面层往往需一定厚度的覆土。因此，一般对于半地下式污水处理厂基坑开挖深度大多在10 m 以上，而对于全地下式污水处理厂可达15 m 以上。半地下式污水处理厂没有将生产管理操作层及地面层一并放入地下，因此基坑开挖深度一般比全地下污水处理厂要小，由于工艺处理需求的不同，基坑开挖深度相差往往较大，本工程基坑开挖深度为1.85～11.90 m，这就决定了基坑支护需采用多种型式。

（3）基坑支撑换撑困难。地下污水处理厂由于各个专业设施占用空间的需要，层高一般较大，基坑回筑阶段利用楼板换撑困难。本工程为地下一层结构，普遍层高9 m，局部达10 m，无可利用楼板换撑的条件。

（4）工程地质条件。土层性质和水文地质条件根据建设场地不同而不同，污水处理厂一般靠近河道选址，需特别注意地下水与基坑的贯通情况。本工程中场地东侧软弱土层普遍达10.30～11.00 m。

（5）周边环境相对较为简单，但不绝对。污水处理厂一般选址于城市郊区，相较于城市建（构）筑物密集区的基坑周边环境较为简单，但根据选址不同，基坑开挖影响范围内也存在诸如地铁、河道防汛墙、厂区内既有建（构）筑物和管线，居民楼等建（构）筑物。

3 基坑设计方案

根据地质条件，基坑周边环境和基坑开挖深度差异大等特点，基坑设计考虑采用不同支护型式，且分坑支护与开挖的方案。A 基坑平面尺寸142 m×164 m，开挖深度为1.85～6.8 m，B 基坑平面尺寸127 m×151 m，开挖深度为10.1～11.9 m，见图4。

图4 主体基坑围护平面图

结合基坑开挖深度和周边环境条件，A 基坑安全等级和环境保护等级均为三级，围护体最大水平位移控制值为0.7%H（H 为基坑开挖深度，下同），地面最大沉降控制值为0.55%H[3]；B 基坑东侧安全等级与环境保护等级均为二级，围护体最大水平位移控制值为0.55%H（H 为基坑开挖深度，下同），地面最大沉降控制值为0.25%H[3]；B 基坑其余侧安全等级为二级，环境保护等级为三级，围护体最大水平位移控制值为0.7%H，地面最大沉降控制值为0.55%H[3]。

A 坑周边环境条件简单，平面形状不规则，开挖深度小于3 m 的基坑采用放坡开挖，开挖深度为5.6～6.8 m 的基坑采用顶部放坡2.5 m 结合重力式挡墙开挖，重力式挡墙采用直径850 mm，间距600 mm的水泥土三轴搅拌桩，坑底采用4.2 m 宽双轴搅拌桩裙边加固，5.8 m 深基坑重力式挡墙宽5.05 m，长9.5 m，6.8 m 深基坑重力式挡墙宽5.65 m，长12.5 m。

结合基坑周边环境，B 坑采用顶部放坡，SMW 工法桩结合内支撑支护型式开挖，基坑北侧、南侧与西侧工法桩采用直径850 mm，间距600 mm 的水泥土三轴搅拌桩，内插H700×300×13×24 型钢，插二跳一。考虑到基坑东侧开挖深度为10.9 m，局部坑深11.9 m，场地内淤泥质粉质黏土厚度达10 m 以上，原厂区内二期建（构）筑物距离基坑东侧较近，保护要求较高，该侧工法桩采用直径1 000 mm，间距750 mm 的水泥土三轴搅拌桩，密插H800×300×14×26 型钢。内支撑采用竖向两道混凝土支撑，支撑系统采用对撑+ 角部斜撑的边桁架支撑体系，典型剖面见图5。为方便施工，B 坑第一道混凝土支撑设置环形施工栈桥，栈桥板厚300 mm。非栈桥板和栈桥板支撑下立柱桩分别采用直径800 mm 和1 000 mm钻孔灌注桩，其中栈桥板下方立柱桩桩端采用后注浆加固。B 坑换撑采取两种方法：方法1，能利用永久隔墙换撑处采用短直钢支撑或传力板的方式；方法2，无永久隔墙可利用处采用钢管斜抛撑换撑，斜抛撑一端支撑于已浇筑底板。

图5 B 基坑典型剖面图（单位:mm）

A 坑与B 坑施工顺序如下：B 坑围护桩、工程桩、立柱桩、地基加固及格构柱施工，降水井施工（A 坑重力式挡墙、坑底加固于B 坑围护桩完成后实施）→B 坑随挖随浇注第一、二道混凝土支撑→B 坑开挖至坑底浇筑底板→拆除第二道支撑后换撑→拆除第一道支撑（A 坑距离B 坑由远及近开挖）→A 坑开挖至坑底浇筑底板→浇筑剩余内部结构。

A 基坑与B 基坑围护设计主要剖面稳定性验算和变形计算结果汇总见表2。

表2 基坑围护设计主要剖面稳定性验算和变形计算结果汇总

4 基坑设计关键技术分析

4.1 A、B 坑交界处处理

A 坑与B 坑交界处基坑底标高相差4.3 m，根据设计要求，该处实施完成后底板为一整体板。A 坑底板浇筑前需拔除B 坑西侧SMW 工法桩内型钢，并凿除水泥搅拌桩，但拔除过早会因两侧土体高差过大导致土压力过大而影响基坑安全。经计算，交界处型钢应在B 坑底板浇筑完成，素砼回填后，A 坑开挖至接近坑底时（挖深离设计坑底小于1 m）拔除，见图6。