三排支护桩在天生河泵站软土基坑工程中的应用

张继芳，向 毅，李 匆，付 明，雷彩秀，刘万浩

（湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064）

1 工程概况

天生河泵站为广东省珠海市斗门区白蕉联围排涝整治工程中新建的一宗大（2）型排涝泵站,泵站设计流量为58 m3/s,装机功率为2750 kW,装机台数为5 台,采用全贯流潜水轴流泵。站址位于天生河入磨刀门水道河口处、现状天生河水闸右侧。泵站施工期间需保证天生河水闸的安全稳定和正常运行,受既有水闸及场地用地条件的限制,基坑紧临水闸侧难以采用传统的放坡开挖方案,需采用支护结构,且支护高度及难度较大,一旦失事将会造成严重影响。原设计基坑支护方案为双排桩支护结构,安全等级为一级。施工过程中因排桩坑内土体加固区内含有分布不规律埋石及砼块,影响水泥土搅拌桩的正常施工,经补堪研究,决定增加一排坑内支护桩,避开加固区埋石影响,与既有双排桩一起,形成三排支护桩结构体系,确保基坑安全。

2 支护方案

泵站基坑底高程最深处为-4.4 m（黄基,下同）,坑顶左岸临水闸侧引堤高程为5.0 m,坑顶右岸侧地面高程约为2.0 m,基坑最大开挖深度接近10 m,场地淤泥（质）软土层底板高程最深达-38.0 m。右岸场地不受限且无其他建筑物,可采用放坡开挖。左岸临水闸侧因场地受限且不得影响现状天生河水闸安全和正常运行,需采取支护结构,支护结构所在处软土层平均厚度约为30 m,原设计对支护结构经比选分析后采用了双排护壁桩方案,桩体截面为500 mm×500 mm,桩底高程为-32.45 m,前后排距为8 m,桩顶引堤处地面高程由原5.0 m卸载开挖至2.5 m,排桩坑内侧5 m 宽范围内采用格栅式水泥土搅拌桩进行加固,基坑坑底及前后排桩间土体采用满堂红布置的水泥土搅拌桩散桩加固软土,桩基施工作业面高程为0.0 m,待水泥土搅拌桩桩体强度满足设计要求后再开挖坑内土体。原双排桩基坑支护方案断面见图1。

图1 原双排桩基坑支护方案断面图

施工过程中,施工单位在施工完双排桩后,进行排桩附近坑内加固区格栅式水泥土搅拌桩及坑底散体搅拌桩施工时出现难以钻进的情况。经补充勘探分析,受影响的部位大多均位于原堤身,为原堤防及天生河水闸施工时的基坑道路所填块石或砼块,层顶标高-0.05 m～-3.0 m,层底标高-0.25 m～-4.4 m,层厚0.20 m～1.4 m,平均厚度0.85 m。由于分布范围广,局部深度较大,翻挖换填存在一定安全隐患,且延误工期,如何在现状条件下充分利用既有双排桩支护体系,成为方案调整的关键因素。经研究决定,取消受影响范围内的水泥土搅拌桩,新增第三排护壁桩,与第二排桩的桩距为10 m,桩顶高程为-1.0 m,桩底高程为-32.45 m,并通过连系梁及腰梁与既有双排桩结合在一起,形成三排支护桩结构体系,分级支挡来确保基坑安全[1-2]。其中连系梁的间距为3 m,连系梁及腰梁与第二排桩的连接是设计重点,一定要确保连接牢固才能形成整体支护体系。调整后三排桩基坑支护方案断面见图2。

图2 调整后三排桩基坑支护方案断面图

3 有限元计算复核

采用岩土专业有限元分析软件Midas/GTS 软件进行二维数值分析。土体本构模型采用修正摩尔-库伦理论,使用二维平面应变单元进行数值模。桩采用一维梁单元模拟,坑内土弹簧采用曲面弹簧模拟,坑外土压力及坑内初始土压力直接分别加载在后排桩和前排桩上。整体模型见图3。

图3 有限元计算模型

按照实际施工工况,利用有限元软件的网格组激活与钝化功能进行模拟。模拟施工过程为第一步：自重应力场,位移清零；第二步：增加三排砼板桩及连梁,位移清零；第三步按坑内预留反压土,开挖至基坑底。边界条件：在模型的外围施加法向的位移约束,桩底部设置为竖向约束[3]。具体工况及相应计算成果见图4。

图4 三排支护桩结构体系有限元位移内力计算成果

基坑稳定计算采用理正深基坑软件,选择基于增量法的双排桩模型,通过对桩体施加线弹簧和转角弹簧约束及坑底处施加分布力等,模拟三排桩支护体系的实际受力情况[4-5]。由于坑内反压体的宽度范围有限,难以计算其产生的水平方向的分布力大小及分布规律,所以偏安全考虑只计算其产生的垂直分布力,垂直分布力可按土力学中路基荷载计算,即等于单位面积上该计算点以上土柱的有效重度与土柱高度的乘积。理正排桩支护体系稳定计算结果见表1。

表1 理正排桩支护体系稳定计算成果

根据支护结构体系位移及内力计算结果可知,开挖至坑底时三排支护桩的整体位移略偏大,约8 cm～12 cm,但桩身计算弯矩均没有超过桩体抗裂弯矩值。另外,根据支护结构体系稳定性计算成果,其最不利工况下抗倾覆、整体稳定性、抗隆起稳定系数均满足规范要求。因此,设计认为该三排桩支护体系是满足工程安全要求的,现场按调整后的三排桩支护方案进行施工。

4 监测数据分析

施工过程中由第三方监测单位对基坑安全进行全过程监测,具体监测项目及相关要求见表2。

表2 基坑监测技术要求

基坑工程监测期从基坑施工前开始,直至基坑回填为止,共137 天、共监测53 期。

4.1 桩顶沉降及位移

监测数据显示：桩顶沉降52 个监测点的累计沉降量介于6.0 mm～8.9 mm 之间,桩顶位移52 个监测点的累计变化量介于9.0 mm～17.9 mm 之间。在基坑开挖阶段各监测点累计沉降量及位移量变化较大,但未超出报警值；后期变化较缓,趋于稳定。

4.2 坡顶沉降及位移

监测数据显示：坡顶沉降13 个监测点的累计沉降量介于5.7 mm～7.4 mm 之间,坡顶位移13 个监测点的累计沉降量介于7.6 mm～9.7 mm 之间。各监测点在基坑开挖阶段累计沉降量及位移量变化较大,但未超出报警值；后期变化较缓,趋于稳定。

4.3 桩后地表位移

监测数据显示：桩后地表位移3 个监测点的累计位移量介于8.9 mm～10.8 mm 之间。各监测点在基坑开挖阶段累计位移量变化较大,但未超出报警值；后期变化较缓,趋于稳定。

4.4 地下水位

监测数据显示：地下水位7 个监测点的累计变化量介于-65 mm～85 mm 之间。监测点地下水位总体变化较小,监测结果表明所测区域基坑水位稳定。

4.5 深层水平位移

监测数据显示：深层水平位移9 个监测点的累计位移量介于0 mm～7.6 mm 之间。各监测点在基坑开挖阶段累计变化量未超出报警值,后期变化量趋于稳定。

4.6 监测结论

通过对基坑桩顶沉降、桩顶位移、坡顶沉降、坡顶位移、桩后地表位移、地下水位、深层水平位移,得出各监测项目累计变形量及各期变形速率均未超出报警值,基坑支护工程支护结构在基坑开挖至回填过程中总体稳定,基坑开挖施工对周边环境影响较小。

5 结论

（1）当前城乡排涝泵站工程的建设,受既有水闸及周边用地条件的限制,多采用基坑支护以减少传统放坡开挖带来的不利影响。由于站址多位于河口附近,且临近既有水闸,场地广泛分布深厚的淤泥（质）软土层,基坑开挖深度大,基坑支护结构设计难度较大,需引起高度重视。

（2）本工程案例中结合基坑周边环境条件,左岸临水闸侧采用双排桩支护结构,右岸侧采用放坡开挖。施工过程中因双排桩内侧坑内加固区含有埋石及砼块,影响了加固区水泥土搅拌桩的正常施工,为了充分利用既有双排桩支护结构体系,新增了第三排护壁桩,并通过连系梁与既有双排桩结合在一起,形成三排支护桩结构体系,分级支挡来确保基坑安全。根据理论计算及现场监测和施工结果来看,本工程基坑支护方案是可行和成功的,具有很好的借鉴作用。现天生河泵站已经完建具备运行条件,即将全面发挥综合效益。