多级支护在软黏土地区排涝工程基坑中的应用

刘富达

(深圳市水务工程质量安全监督站,广东 深圳 518000)

1 工程概况

桥头片区排涝工程中拟建上寮河口泵站位于宝安大道以西旧箱涵西南侧、上寮河与万丰河之间的河间地块，现状有杂填土大面积堆积，大部分地表已被附近村民开垦为连片菜地或是水田地，堆积有弃渣填土的场地地面高程5.9～7.8m，靠近上寮河堤岸的带状场地地面高程3.2～4.2m，两岸堤顶高程2.8～3.6m，堤顶断续开垦为菜地。河底深泓高程-0.3～-1.0m。现状水闸顶高程3.6m，箱涵顶高程3.2m，泵站结构示意图如图1所示。

图1 上寮河口泵站结构及位置示意图

1.1 周边环境

基坑东北侧为现状河道，基坑东南侧为二期拟改造箱涵；基坑西南侧为村民菜地。二期基坑在一期基坑基础上，对拟改造箱涵范围进行围闭，南侧接老箱涵，东侧为宝安大道。周边环境图如图2所示。

图2 上寮河口泵站结构周边环境图

1.2 工程地质条件

场区从上至下主要分布有人工填土、全新统冲湖积物及上更新统冲积层。和工程相关的土层的具体埋藏条件和特征见表1。

表1 基坑影响深度范围内土层参数表

人工填土：素填土为主，夹部分杂填土。表层素填土主要为宝安大道地铁开挖弃土，杂填土主要为建筑余泥、砖块等垃圾。填土在场地内大面积分布，堆填时间不长。层厚约2～5.5m。河涌两岸堤身分布素填土，灰色-灰黄色，以粉质黏土夹淤泥质土为主，厚约3m，软可塑状。

淤泥、夹砂淤泥、淤泥质土：成分以粉黏粒为主，夹粉细砂、中细砂，软塑-流塑状，上游局厚度略大，厚约2.5～3.3m。

泥质中细砂、淤泥质中粗砂：成分主要为中细砂及黏粒，局部夹中粗砂。饱和，一般为松散状，标贯击数一般为4～6击。该层分布不连续，层厚一般1.7～2.8m。

花斑黏土：花斑色，呈褐红夹浅白、灰黄条纹状，主要成分为黏粒，钻孔取芯切面光滑，该层下(底)部局部为粉质黏土或夹较多砂粒。软塑～可塑状，层厚约1.2～4.9m。

夹砂粉质黏土：灰白-浅灰色、褐黄色，主要成分为中粗砂、中细砂粒，次为粉粒，该层分布不连续，呈透镜体状，属上覆③-1花斑黏土与下伏砂层或残积土之间的过渡层。层厚约1.5～3.0m。

1.3 水文地质条件

工程区内的地表水系主要有排污沟、排涝河(上寮河、新桥河、潭头河)、衙边涌及下游的茅洲河。地下水类型主要有赋存在第四系覆盖层中的孔隙性潜水和赋存在下伏基岩中的基岩裂隙水。孔隙性潜水和基岩裂隙水常具有统一的地下水位。地下水的主要补给来源为大气降水[5]，从地表垂直下渗补给覆盖层中的孔隙性潜水和基岩中的裂隙水，其中孔隙性潜水埋藏较浅，埋深1～4m。由于茅洲河直接入海，上游支流及排涝河均受潮汐影响，涨潮时对片区内地下水的补给、排泄及水位、水量变化均造成一定影响。阶地冲积层(Q3al)下部砂层，由于含泥量较高、粒径偏小且固结程度较高，渗透性相对较低，含水量少且分布不连续，未形成孔隙性承压水。

2 工程特点

结合场地周边环境和工程地质条件以及水文地质条件，进行总结后发现此泵站基坑有以下的特点：

(1)属于深大基坑工程；在基坑开挖无内支撑施工具有一定的空间效应[6]。

(2)基坑的东北侧为现状河道。

(3)基坑南侧后期改造箱涵

(4)基坑侧壁不仅有交互的粉细砂土和软黏土，易发生渗透破坏，软黏土的承载力较低。

结合以上基坑的主要特点，围绕设计方案进行深化研究，综合分析和对比设计方案的经济、技术、时间和施工作业难度，确定了均衡各方面需求和优势的分段多级联合支护体系的设计方案，该支护体系平面图和典型剖面如图3—4所示。基坑轮廓整体呈长条形，南北向较长，长宽分别约为173、51m。基坑开挖深度达16.68m，

图3 上寮河口泵站基坑平面布置图

分段多级支护体系结合基坑东侧既有河道和西侧二期改造箱涵的特点，将基坑工程划分为：①基坑东侧做双排钻孔灌注桩;②西侧为双排或单排钻孔桩兼钢板桩-钢管支撑的箱涵基坑体系;③北侧做水泥搅拌桩围堰;④南侧单排桩链接泵站进水口的四面分段式多级支护体系。

图4 上寮河口泵站基坑典型剖面图

3 分段多级支护体系设计

3.1 东侧支护

东北侧由于既有河堤的存在，为了防止开挖对河堤的影响，利用扶壁式挡墙对河堤坝进行加固，防止因基坑开挖引起堤坝的基底稳定性。挡墙与排桩间做回填6%的水泥土。同时由于坑底为泥质中西沙和软黏土的交互错层，防止河流地下水系发生管涌，做了双排钻孔灌注桩进行加固。坑内侧在灌注桩间做了喷桩桩咬合，起到了侧向止水止淤的效果。由于北侧为既有河道的下游，作为泵站的后期出水口于此交汇，考虑经济适用，做了水泥土搅拌加固止水。

3.2 西侧支护

西侧暨基坑平面正南侧作为后期改造箱涵，为保证基坑整体的稳定性，又由于箱涵改造是小型明挖工程，使用工期较短，为了方便后期拆除和节约建造成本，故在箱涵间插入一定间距的拉森钢板桩，双排钢板桩之间通过钢管间距3m，直径0.327m横拉连接，形成临时支护体系，底部做碎石回填。钢板桩插入粉黏土层5m以上。

西南侧为现状农民菜地。花斑软黏土分布较深厚，做了双排钻孔灌注桩加固，排桩间距6m，内侧做粉喷桩咬合止水。

3.3 综合分析

总结结合场地的工程地质条件和地下结构的复杂性，由于总体开挖不深，但是泵站地下厂房复杂，后期换撑不便，基坑开挖面较大，这种分段式多级支护体系很好的减少了内支撑的使用而控制了基坑的变形，节约了成本。

4 有限元分析

PLAXIS有限元分析软件是用于解决岩土工程的通用的一款有限元分析软件。小应变硬化模型为其中一种土体本构模型，该模型为等向硬化弹塑性模型，即适用于软土也适用于较硬土层[7]。将计算模型的两侧边界限制其法向位移，上边界为自由边界，底部边界全约束。取5倍左右开挖深度为基坑模型的边界距离，模型大小取为200m×50m。其中土体采用15节点土体单元模拟，用界面单元模拟土体和结构间的相互作用。钻孔桩采用桩单元进行模拟。钢板桩用板单元模拟，桩间钢管撑采用锚杆单元模拟[8]。所选计算断面有限元模型如图5所示。结构构件的计算参数见表2。

图5 基坑所选断面有限元模型图

表2 结构构件计算参数

基坑开挖的过程，随着泵站基坑开挖至坑底，此时土体临空面及卸荷量达到最大，由于没有内支撑，钻孔桩悬臂最大，此时支护结构体系将受周边的土体荷载和水荷载压力最大，支护结构处于最大负荷状态。随着二期改造箱涵的开挖，至坑底时此时基坑的支护结构体系受力达到最大，选取两基坑开挖至坑底时的最不利工况进行分析。如图6—7所示。

图6 基坑开挖至坑底时各部位水平位移图

基坑水平最大位移发生开挖至基坑底时，发生在泵站基坑单排钻孔灌注桩侧桩顶。垂直方向上位移最大发生在泵站基坑底；水平最大位移是由于泵站基坑的开挖，使得坑两侧土体向内挤压，右侧收挡土墙和双排桩的支护，土压力传递较小，而左侧由于开挖至坑底后箱涵基坑的开挖，使得泵站基坑左侧的土体反复挤压和卸荷，变形达到最大；而垂直方向最大位移发生在泵站基坑坑底，这是由于基坑开挖面过大，坑底的软黏土发生隆起挤压。水平方向上最大位移为53mm，垂直方向上最大位移为30mm。泵站基坑左侧桩体最大水平位移为53mm，箱涵基坑右侧桩体最大水平位移为19mm。均在监测允许范围内。说明此中支护体系得到了很好的节约成本和控制开挖变形的效果。

图7 基坑开挖至坑底时的垂直位移云图

5 变形监测

监测的主要项目包括地表沉降、建筑物及地下管线变形、水位观测、桩顶水平位移及沉降、桩体测斜等量测。对开挖至基坑坑底时各最大变形处的监测值见表3。在整个开挖过程中遇到以下情况监测要预警：

表3 开挖至坑底监测数据极值表

(1)支护桩顶部水平位移、竖向沉降允许值为不大于60mm，预警值为48mm，或连续3d变形速率超过3mm/d。周边道路地面沉降允许值为60mm，预警值为50mm或连续3d超过6mm/d。周边管线位移及沉降允许值应按相应管线主管部门的变形要求控制，一般管线按10～30mm控制，连续3d超过3mm/d应预警。

(2)周边建筑物沉降监测应根据各建筑要求进行。

(3)对深层水平位移(测斜)，若平滑曲线上出现明显拐点时，即可预警，或连续3d变形速率超过3mm/d；

选取两基坑开挖至坑底时，各自最大水平位置和垂直位移对比模拟和监测值，发现监测值和模拟值基本吻合，监测小于模拟值。

6 结论

桥头片区排涝整治工程中的上寮河泵站箱涵高低水分离改造的基坑由于场地周边环境复杂,起着保护既有河道、改造箱涵和建设地下泵站的多重作用，采用分段多级支护体系。

借助Plaxis 2D有限元模型计算，模拟了上寮河泵站基坑的在不同工况下其特征基坑支护剖面的变形位移。对比开挖过程中基坑的监测数据，与实际监测数据的变形接近拟合。为类似河道附近泵站基坑开挖换撑不便，对河堤变形和止水止淤要求高的泵站基坑提供了一种分段多级支护体系设计与施工技术作为参考。值得注意的是，相比强桩弱锚的支护高成本，在滨海地区目前可回收式内支撑如预应力鱼腹梁支撑体系可很好地解决这一问题。