以上海某基地为例探讨基坑支护结构方案选择

姜小站

(吉林省地矿勘察设计研究院,长春 130012)

1 工程概况

外用药生产基地新建项目用地面积28 504.6 m2,建筑面积58 394.74 m2,由联合厂房(地下1层、地上4层)、消防水池(地下1层、地上3层)、污水处理池(地下1层、地上2层)组成,详见表1。

表1 基坑情况表

本工程基坑开挖深度为4.90～6.30 m,基坑开挖总面积约为16 025 m2,基坑支护结构周长约778延米,属于开挖深度较深、面积较大的基坑。东侧围墙外距离基坑边8 m范围有市政道路、电力电缆管、有线电视、通信及煤气管道;北侧有2幢已建4层厂房,对基坑有一定变形控制要求。结合本工程周边环境情况和地质条件等情况,基坑开挖深度4.90～6.30 m,基坑安全等级为三级;基坑周边环境为三级。

2 基坑地层情况及地质条件

2.1 地层情况

表2 基坑支护设计参数表

2.2 地下水

根据岩土工程勘察资料,承压水最浅埋深为27.09 m,水位埋深约3.0～12.0 m。按最不利水头埋深3.0 m计算,满足承压水抗突涌条件下的临界挖深为13.00 m。基坑最大开挖深度为6.30 m,小于临界挖深,因此本基坑开挖不存在承压水突涌的可能[3]。

3 基坑支护结构选型

本工程基坑开挖深度4.90～6.30 m,基坑安全等级为三级,基坑周边环境为三级。结合本工程地质条件、周边环境等要素,选择适合的基坑支护结构形式[6-7]。

3.1 联合厂房及消防水池基坑支护施工条件

联合厂房地下结构形状为八边形,此形状相对四边形更有利控制基坑变形。八个边形成一个“八边箍”,相互支撑,整体刚度强[9]。消防水池开挖深度较浅(4.9 m),基坑面积较小(约1000 m2),施工周期短,基坑暴露时间少,有利于基坑稳定性控制。

联合厂房及消防水池基坑部分开挖深度范围内有较厚建筑垃圾及杂填土等,应考虑支护结构止水效果,防止施工不当造成渗水[14]。

基坑周边除东侧临时围墙外有地下管线,其余三面均无建(构)筑物及道路、地下管线,对周边环境的安全影响较小。

3.2 污水处理池基坑支护施工条件

污水处理池地下结构基础底板为1 m厚的钢筋混凝土筏板基础,底板厚、刚度大,有助于基坑支护结构换撑和稳定。污水处理池由于基坑开挖深度较深,面积较小,边长较短,且邻近用地红线,施工场地狭小。

本基坑除南面相邻联合厂房其他三面均无建(构)筑物及道路、地下管线,虽距联合厂房距离较近(相距10 m),但是污水处理池基坑施工时,联合厂房基坑施工已完成,故污水处理池基坑施工对周边环境的安全影响较小。

关中地区春季猕猴桃开始嫁接的适宜时间：一是2月中下旬，也就是日平均气温0～5℃时；二是4月中上旬，气温达到10～15℃时。依照笔者的经验，一年之中，猕猴桃嫁接的最佳时间应该是6月中上旬。这个时间段日平均气温在20℃左右，是植物生长的最佳温度。另外，猕猴桃枝条营养从被动吸收 （上一年贮存的营养）转入主动吸收（自己的叶片制造养分），营养条件和生长速度处于最佳状态：此期嫁接比较理想。

3.3 基坑支护结构形式选择

通过以上分析并结合本项目实际工况,联合厂房及消防水池可采用的基坑支护结构形式有:土工法、放坡结合止水帷幕、双轴搅拌桩重力坝及板式支护结合内支撑。

3.3.1 联合厂房及消防水池基坑支护结构形式

联合厂房及消防水池可选择两种基坑支护结构形式:第一种是选用“土工法”(水泥搅拌桩内插H型钢)+竖向水平钢支撑;第二种是选用水泥搅拌桩重力坝支护形式。第一种支护形式优点是强度高、安全性好;缺点是造价高,大型机械施工安全要求高。第二种支护形式优点是水泥搅拌桩坝体较宽,止水效果好同时不影响基坑周边布置环通的临时施工道路[8]。

经分析论证,本联合厂房及消防水池支护结构选用双轴搅拌桩重力坝的支护结构形式。后经施工验证选用此支护结构形式在安全、进度、效益等方面取得了较好的效果。

3.3.2 污水处理池基坑支护结构形式

适合的基坑支护结构形式:第一种是选用“土工法”(水泥搅拌桩内插H型钢)+竖向水平钢支撑[10-11];第二种是选用水泥搅拌桩+拉森钢板桩+竖向水平钢支撑支护形式[2]。第一种支护形式优点是强度高、安全性好,施工一次成型,避免二次进场施工;缺点是在基坑遵循“先大后小”、“先深后浅”基坑施工原则下,本基坑需联合厂房基础施工完成后才能开始施工,导致H型钢需要增加4个月租赁费用,插入H型钢数量大、周期长、租赁费用贵,大大增加了施工成本。第二种支护形式优点是可以先施工止水的水泥搅拌桩,可与其他2个基坑支护的水泥搅拌桩一起施工,在污水处理基坑开挖前插拉森钢板桩,缩短了拉森钢板桩租赁时间,使得工程造价降低;缺点是基坑支护强度不如前者而且需要二次进场施工,经验算可以满足本基坑安全稳定性要求。

经综合考虑,本基坑支护结构形式采用水泥搅拌桩+拉森钢板桩+一道水平钢支撑组合形式。后经施工验证选用此支护结构形式在安全、进度、效益等方面取得了较好的效果。工期缩短了约1.5个月,仅H型钢租赁费节约40万元,创造了较好的效益。

4 基坑支护结构计算

为了确保设计优化后支护结构体系安全性及可行性,需对设计优化后的基坑支护结构体系进行设计强度、刚度、稳定性方面进行复核计算[13]。采用软件FRWS 9.0进行计算。

4.1 联合厂房安全计算

联合厂房地下水位埋深0.5 m,工作荷载20 kPa。挡土墙类型为重力式水泥土墙,嵌入深度5.7 m,水泥土弹性模量300 MPa,容重19 kN/m3,搅拌桩桩径0.7 m,搅拌桩搭接长度0.2 m。整体稳定验算见图1。

图1 联合厂房基坑支护整体稳定验算示意图Fig.1 Schematic diagram of overall stability of foundation pit support for a joint plant

由图1可知:圆心(-0.96,-0.84),半径12.92 m,滑动力702.4 kN/m,抗滑力1060.3 kN/m。挡土墙抗滑移系数K1=(504.7+237)/546.8≈1.36。

墙底抗隆起安全系数K2可按下式计算:

K2=(σpNq+cNc)/σa

(1)

式中:σp为竖向应力标准值,Nq为地基土承载力,Nc为地基土极限承载力,c为坑底地基土粘聚力,σa为挡土墙主动土压力。计算可得K2=1.87。

渗透稳定性系数K3计算公式为

(2)

式中:Gs为土颗粒比重,e为土孔隙比,Δh为水头差,d、h、b为结构设计参数。计算可得K3=7.12。

4.2 污水处理池安全计算

污水池地下水埋深0.5 m,工作荷载20 kPa,挡土墙类型为型钢水泥土搅拌墙,嵌入深度9.4 m,搅拌桩桩径0.7 m,搅拌桩搭接长度0.2 m,型钢钢材牌号Q235;支撑深度1.4 m,刚度35 K(MN/m2),轴力35 kN/m,类型为内支撑。整体稳定验算见图2。

图2 污水池基坑支护整体稳定验算示意图Fig.2 Schematic diagram of overall stability of foundation pit support for a sewage tank

由图2可知,圆心(-0.87,-0.93),半径16.51 m,滑动力1015.8 kN/m,抗滑力1540.9 kN/m。

污水处理池基坑抗滑移系数K1=(1035.9×10.156)/(978.4×8.01)≈1.34。

污水池墙底抗隆起安全系数K2按式(1)计算,K2=2.08。

通过验算本项目选用的基坑支护结构方案的强度、刚度(变形)、稳定性方面均满足要求[1]。基坑施工过程中的各项安全指标均正常。

5 结语

基坑支护结构方案选型是一个复杂的系统问题,通过对基坑支护结构方案选型,在满足基坑周围环境安全可靠的前提下通过分析不同基坑结构形式的受力特点及差异,尽可能选择合理、科学、便于施工的基坑支护结构形式[12],以达到较好的施工效率和效益。