水利工程中深基坑支护结构的计算与施工方案研究

刘伟萍

深基坑支护结构主要包括两大部分，即挡土墙和内支撑。前者又可分为混凝土挡土墙、排桩挡土墙等类型，后者则包括钢管支撑、钢筋混凝土支撑等类型。在实际工程中，应提前开展地质勘察，明确工程所属范围内的土质类型、岩土结构、水文条件，然后结合工程建设要求，明确深基坑支护结构的类型，编制支护施工方案。在支护设计中，内力计算、稳定性分析是两项核心内容。在后续施工中，地下连续墙的施工方法、钢筋混凝土支撑的现场布局等，是施工管理的焦点。只有统筹做好各项工作，实行精细化的支护施工管理，才能保证水利工程高标准建设完成。

1 工程概况

某水利枢纽工程基坑开挖最大深度为20.3m，基坑为长方形，尺寸为127.6m×41.7m，属大型深基坑。设计支护方案为“地下连续墙+钢管支撑”。其中，地下连续墙的厚度为950mm，高度在1.6m-3.8m 不等。按照基坑开挖深度，确定钢管内支撑的数量，从2-5 根不等。其中，2#、3#用直径为500mm 的钢管，4#、5# 用直径为600mm 的钢管。2# 和3# 钢管的间隔距离为2.5m，4#和5#钢管的间隔距离为3.0m。另外用直径为800mm的钻孔灌注桩作为支撑中间立柱。

2 深基坑支护结构的计算

2.1 支护结构内力计算

支护结构发挥的作用是承受上部建筑荷载和外侧岩土压力，并将力传递到基坑底部的岩石、土体上。除此之外，还有一部分挡水、防渗的功能。因此，为了保证支护结构受力稳定，必须要开展内力计算，根据计算结果确定地下连续墙的厚度、支撑钢管的直径，才能达到预期的支护效果。常用的内力计算方法有受力平衡法、解析法、有限单元法等几种。本次工程中选择解析法中的弹性地基梁法，其原理是将支护结构看作一条具有弹性支撑的地基梁，把基坑面以上的支撑看作一个弹性支点，基坑面以下的土层用若干土弹簧代替，其结构如图1 所示。

图1 弹性地基梁法示意图

在此基础上，利用弹性支点法计算各处支护结构的最大抗弯强度。根据这一计算结果，作为支护结构设计与选型的参考依据。其中，基坑开挖面以上计算公式为：

基坑面以下计算公式为：

上述两式中，E 为支护结构的抗弯刚度，y 为水平位移，hn为第n 次工况时基坑深度，bs为侧向土压力计算宽度，b0为土的抗力计算宽度，m 为地基水平抗力系数。

2.2 深基坑稳定性计算

影响深基坑稳定性的因素有多种，例如地下水、岩土结构、开挖深度等。因此，在进行稳定性计算是要综合考虑多方面因素的影响，并针对其中的一些关键指标进行单独计算。（1）抗覆稳定性计算。该指标表示在覆土情况下，基坑内墙在不发生裂缝、变形等破坏的前提下，所能够承受的最大土压力。可根据公式计算得出：

式（3）中K 为抗倾覆稳定系数，M1 为抗倾覆力矩，M2 为倾覆力矩。

（2）管涌稳定性分析。随着基坑开挖深度增加，周边地下水向基坑内部渗透的水压力也会相应提升。为避免出现地下水突涌事故，需要进行管涌稳定性分析。抗管涌计算如图2 所示。

图2 抗管涌计算示意图

结合上图，根据以下公式计算墙体入土深度（D）：

式（4）中，γω与γ 表示地下水和土的有效重度，h′为地下水位与基坑之间的高度差。

3 深基坑支护结构的施工方案

鉴于该水利工程所在地区的地质条件较差，同时基坑开挖最大深度达到了20.3m，为保证工程基础的稳定性、承载力，因此深基坑支护方案上选择了地下连续墙与内支撑相结合的形式。

3.1 地下连续墙施工

该部分施工流程及技术为：（1）修筑导墙。根据设计方案划出导墙位置，使用挖掘机沿着边线进行导墙开挖。将挖出的弃土集中堆放，后期做统一处理。开槽之后，整平槽底与槽壁，然后放入钢筋后，选择C30 混凝土进行浇筑。待强度达到90%后，拆除模板并在导墙外侧重新回填素土。（2）泥浆护壁。在地下连续墙施工中，泥浆起到了保护槽壁、清理土渣、冷却润滑等多重功用。使用经过筛选后的黏土，以及CMC、水等原材料，按照恰当比例，充分拌匀后得到泥浆。（3）挖槽。挖槽前根据施工方案进行槽段划分，每个槽段长度控制在3-5m 之间。使用回转式挖槽机进行成槽施工，挖槽期间注意控制深度、宽度，禁止超挖。（4）吸泥清底。由于开挖槽段时使用了泥浆护壁技术，加上槽底有少部分沉渣，因此需要将槽底淤泥、沉渣全部处理干净，从而为下一步提高混凝土浇筑质量创设有利条件。本次工程中采用砂石吸力泵排泥、清底。（5）吊放钢筋笼。按照地下连续墙设计尺寸现场组装钢筋笼，要求焊接牢固且形状规整，用汽车吊将钢筋笼吊起并放入到槽段内。利用接口将钢筋笼固定好，避免移动。（6）浇筑混凝土。将导管一端沿着钢筋笼的侧壁插入，直到接近槽底50cm 处。导管另一端与注浆机相连。使用C45 混凝土浇筑地下连续墙，浇筑前应对混凝土进行复拌，并检查其和易性，确定性能良好后再开展浇筑作业。按照“边浇边拔”的方法，将接头管向上拔起，在浇筑至标高后完全拔出。整个流程如图3 所示。

图3 地下连续墙施工流程

3.2 钢筋混凝土内支撑施工

原设计方案采用钢管内支撑，但是考虑到钢管提供的支撑力有限，后期水利工程上部施工产生荷载较大，可能会造成支护钢管出现不均匀沉降的问题，因此在支撑施工时用钢筋混凝土代替钢管，以提供更大的支撑力。另外，钢筋混凝土的整体刚度更大，在保证深基坑支护安全的前提下，可适当增加支撑间距，对提高作业效率和控制施工成本也有积极帮助。其施工流程及技术为：（1）土方开挖。采用机械为主、人工为辅的方式，开挖至混凝土梁支撑高程后，开始测量放样。参考设计方案，在已经完成处理的基础上划出标线。（2）人工清理基础。由于常年受到地下水浸泡，形成了一定厚度的淤泥软基。为保证基础稳定，将淤泥软土全部挖出，并重新换填一层厚度为30cm 的细砂。（3）钢筋材料经现场检查，无锈蚀、变形问题后，按照设计方案进行绑扎。检查绑扎是否牢固，对于多条钢筋相接的，绑扎长度不低于20cm。（4）在完成验收后的钢筋框架上，安装模板。采用厚度为10mm 的胶合板，侧模使用5×10 方钢进行加固。检查模板拼接缝有无明显缝隙，若有则需要填塞止水胶条，避免砼渗漏。（5）将运输到施工现场的商品混凝土，倒入泵送机的料斗内，泵送入仓。分两次浇筑，每次浇筑时要注意做好振捣和养护。两次浇筑完毕后采取保温、保湿养护，待强度达到90%以上后，继续进行下一层施工。其流程如图4 所示。

图4 钢筋混凝土支撑施工流程

结束语

深基坑施工中，支护结构的受力分析、施工设计和质量控制，除了直接决定深基坑作业环境的安全性，还会对水利工程基础部分的承载力，乃至整个工程的稳定性产生深远影响，因此对于水利工程的施工企业来说，必须要引起重视。其中，内力计算、抗倾覆稳定性、管涌稳定性等是支护结构的设计要点；而地下连续墙施工、钢筋混凝土支撑施工，则是支护结构施工要点。把握好这两方面，对高标准完成深基坑作业，进而为水利工程上部结构顺利施工创设良好条件。