结合拟拆除现状结构的多级基坑围护应用研究

2022-03-12任永青郑建建卢辰

特种结构 2022年1期

任永青郑建建卢辰

1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092

2.上海水业设计工程有限公司 200092

引言

城市供水系统是重要的城市基础设施，随着社会的进步，居民对饮用水水质的要求不断提高，很多现状常规处理给水厂需进行升级改造［1］。根据工艺流程需求，新建生产类构筑物往往埋深较深，施工过程中涉及较多的深基坑工程。而由于升级改造期间不能影响水厂现状构筑物的正常生产运行，新建单体的基坑围护施工条

件往往会受到很大的限制。目前，支护结构与新建主体地下结构相结合的基坑工程较为常见［2］，而结合拟拆除现状结构的基坑围护案例不多。上海泰和水厂新建提升泵房及臭氧接触池结合拟拆除现状清水池结构进行基坑围护设计及施工，形成“放坡-拟拆除现状结构-放坡”和“放坡-拟拆除现状结构-灌注桩”两种三级基坑围护形式，为基坑设计提供了新的思路。

1 工程背景及地质概况

上海泰和水厂新建提升泵房及臭氧接触池（共两座）位于拟拆除现状清水池范围内，相对位置关系如图1所示。新建单体工程由提升泵房和臭氧接触池两部分组成，臭氧接触池底板底埋深5.20m，提升泵房底板底埋深6.95m，现状拟拆除清水池底板底埋深5.77m，即提升泵房底板标高低于现状清水池底板，需拆除现状清水池底板后方可进行提升泵房底板结构施工。

图1 新老构筑物相对位置关系示意Fig.1 Diagrammatic drawing of relative position of new structures and current structures

清水池周边为施工道路，无法采用放坡开挖的方式将其拆除；若在清水池壁板外侧施工围护结构，完全拆除清水池后再施工提升泵房及臭氧接触池，则造价较高，且工程进度将受较大影响。故考虑保留部分清水池壁板进行挡土，并采取适当措施保证拆除提升泵房所在位置处清水池底板时，保留的清水池壁板及底板的抗滑移、抗倾覆稳定性满足规范要求。

根据地勘报告，建设场地的土层力学参数如表1所示，地下水位埋深为地坪标高以下0.5m。

表1 土层力学参数Tab.1 Parameters of soil layers

2 基坑围护设计

2.1 拟拆除现状清水池壁板强度计算

现状清水池建于1996年，为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级C25，钢筋采用热轧Ⅱ级钢（抗拉强度设计值为300N／mm2），配筋如图2所示。

图2 现状清水池配筋图Fig.2 Section view of reinforcement of current clean water tank

清水池壁板承受的荷载为外部水压力、土压力和地面附加荷载作用下附加压力。现状清水池壁板支座约束条件为顶端简支，底部固定。在此约束条件下，壁板强度、裂缝可满足规范要求。为新建提升泵房及臭氧接触池，清水池顶板需完全拆除，此时壁板变为悬臂构件，支座条件变为顶端自由，底部固定，在不考虑裂缝控制的条件下，壁板强度仍不足以承受外部荷载。经计算，外部按1∶1放坡开挖2.60m，如图3所示，减少水土压力后，壁板强度可满足要求。

图3 保留结构示意Fig.3 Diagrammatic drawing of retaining structures

2.2 基坑围护整体性定性计算

1.A-A剖面稳定性计算

清水池壁板外侧土体放坡开挖、顶板拆除后，为继续向下施工提升泵房主体结构，需凿除一部分清水池底板，A-A剖面形成的结构形式如图3所示，其中保留底板长度为8.0m～9.6m。保留的清水池壁板和底板形成L形挡土结构，按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［3］计算其抗滑移和抗倾覆稳定性。

根据上海市规范《基坑工程技术标准》（DG／TJ 08-61—2018）［4］（以下简称《基坑标准》），按照水土分算原则计算水土压力，坑外地面超载取值20kPa。作用在清水池壁板上的不利作用为外部土压力、水压力，以及地面超载导致的附加压力；抗滑力为结构与基底土的摩擦力，规范要求抗滑移稳定性安全系数最小值为1.3。根据计算，抗滑移稳定系数仅为0.47，不满足规范要求。为增加自重，加大抗滑力，在底板上覆土压重，如图4所示。考虑压重后结构抗滑移稳定安全系数为1.33，满足规范要求。

图4 A-A剖面覆土压重示意Fig.4 Diagrammatic drawing of earth filling of A-A profile

类似地，进行结构抗倾覆稳定性计算，抗倾覆稳定计算点见图4。作用在清水池壁板上的不利作用为外部土压力、水压力，以及地面超载导致的附加压力；有利作用为壁板、底板的自重，以及底板外挑部分的土重，规范要求抗倾覆稳定安全系数不小于1.6。根据计算，从壁板边算起，在不考虑内部覆土压重的条件下，保留底板长度在1.67m以上即可满足抗倾覆稳定要求。A-A剖面中，保留底板长度在8.0m～9.6m，且底板进行了覆土压重，抗倾覆稳定性可满足规范要求。

沿坡顶施工水泥土搅拌桩止水帷幕，开挖1.18m至新建提升泵房底板底标高，最终形成“放坡-拟拆除现状结构-放坡”三级基坑围护形式，如图5所示。

图5 A-A剖面“放坡-拟拆除现状结构-放坡”三级围护示意Fig.5 Diagrammatic drawing of“sloped excavation-current structures-sloped excavation”of A-A profile

采用瑞典条分法验算基坑A-A剖面开挖至1.40m、-1.77m、-2.95m标高时最危险圆弧滑动面的整体稳定性，稳定系数分别为1.60、1.35、1.32，满足《基坑标准》中三级安全等级规定的限值1.30的要求。

2.B-B剖面稳定性计算

外侧土体放坡开挖，拆除清水池顶板后，为继续向下施工提升泵房主体结构，需凿除一部分清水池底板，B-B剖面形成的结构形式如图3所示，其中保留底板长度为约2.0m～2.6m。

根据“A-A剖面稳定性计算”分析，B-B剖面抗倾覆稳定性可满足规范要求。由于保留底板长度太短，采用覆土压重的方式无法满足抗滑移稳定性的要求。为保证保留清水池壁板及底板结构的抗滑移稳定，同时满足继续向下开挖的需求，在清水池底板内侧施工钻孔灌注桩和压顶板，外侧施工止水帷幕，如图6所示，形成“放坡-拟拆除现状结构-灌注桩”三级基坑围护形式。

图6 B-B剖面三级围护示意Fig.6 Diagrammatic drawing of B-B profile

采用启明星软件对基坑B-B剖面进行计算，清水池壁板与灌注桩同时考虑，各稳定系数与《基坑标准》中三级安全等级的限值进行比较，如表2所示。可见B-B剖面各稳定系数均满足要求。

表2 B-B剖面稳定系数汇总Tab.2 Summary sheet of stability coefficients of B-B profile

2.3 周边环境影响分析

1.A-A剖面周边环境影响分析

为了进一步分析围护结构自身变形及基坑开挖对周边环境影响，采用Midas-GTS有限元软件建立数值模型进行计算。根据《基坑标准》中基坑开挖对周边环境影响范围的规定，计算域水平范围取到基坑以外3.0H（H为基坑开挖深度），竖向取2.5倍基坑开挖深度。土体采用HSS本构模型［5，6］模拟，混凝土采用弹性本构模型模拟，基坑外超载20kPa，最终形成的数值计算模型如图7所示。

图7 A-A剖面有限元计算模型Fig.7 Calculation model of A-A profile

围护结构的坑外地表沉降如图8所示，最大沉降值为11.9mm，满足《基坑标准》中二级环境保护等级变形控制要求（17.4mm）。最大沉降位置出现在距离壁板5m处，处于一倍开挖深度范围内；距离壁板三倍基坑开挖深度处地表沉降接近于0。由于基坑开挖过程中，清水池壁板、底板也随土体发生了沉降，导致紧贴壁板处土体沉降量较大，沉降值为10.7mm。

图8 A-A剖面坑外地表沉降曲线Fig.8 Graph of ground subsidence outside wallboard of A-A profile

清水池壁板底板形成的L形挡墙结构变形如图9所示，壁板最大侧向变形为19.9mm，满足《基坑标准》中二级环境保护等级侧向变形控制要求（20.9mm）。最小侧向变形为10.5mm，这是由于在基坑开挖过程中该L形结构随着土体发生了向坑内整体移动。

图9 A-A剖面壁板侧向变形云图（单位：mm）Fig.9 Contour map of lateral deformation of wallboard of A-A profile（unit：mm）

2.B-B剖面周边环境影响分析

与A-A剖面一致，采用Midas-GTS有限元分析软件建立数值模型进行计算，如图10所示。

图10 B-B剖面有限元计算模型Fig.10 Calculation model of B-B profile

围护结构的坑外地表沉降如图11所示，最大沉降12.9mm，出现在距离壁板7m左右的位置，满足环境保护变形控制要求。距离壁板5m范围内，土体沉降值均较小，在约2m～4m处出现了与向下变形趋势相反的变形。这是由于壁板受坑底隆起的影响，发生了向外的转动，挤压了外侧放坡处的土体。距离壁板4m～25m范围的变形状态与典型的板式围护体系坑外地表沉降分布规律较为一致，在基坑开挖深度三倍范围外沉降接近0。

图11 B-B剖面坑外地表沉降曲线Fig.11 Graph of ground subsidence outside wallboard of B-B profile

B-B剖面壁板及灌注桩侧向变形如图12、图13所示。壁板发生了向外的变形，一是受坑底隆起影响，壁板和底板发生了向外的转动；二是灌注桩下端嵌固于土中，顶部受压顶板和清水池底板约束，在受到侧向水、土压力作用时，灌注桩发生了弯曲变形，引起清水池壁板和底板向外转动。B-B剖面向基坑内的侧向变形最大为6.5mm，较A-A剖面的19.9mm小很多。

图12 B-B剖面壁板、灌注桩侧向变形云图（单位：mm）Fig.12 Contour map of lateral deformation of wallboard and pile wall of B-B profile（unit：mm）

图13 B-B剖面壁板、灌注桩侧向变形曲线Fig.13 Graph of lateral deformation of wallboard and pile wall of B-B profile

3 施工及现场实测

基坑施工工序如图14所示，其中：①清水池外侧土体放坡开挖；②清水池顶板及内部导流墙拆除；③A-A剖面在保留底板上进行覆土压重；③B-B剖面清水池底板上钻孔施工灌注桩及压顶板；④凿除提升泵房所在位置处清水池底板；⑤继续开挖至提升泵房底板底；⑥施工提升泵房及臭氧接触池。需要特别注意的是，B-B剖面施工时，为了保证在灌注桩施工过程中的清水池保留结构的抗滑移稳定性，需在清水池底板上间隔成孔施工灌注桩，灌注桩施工完成并达到设计强度后才能开始凿除中间的清水池底板，继续开挖。