某大型污水处理厂深基坑设计方案研究

作者简介：李春晓（1992-），女，硕士，结构工程师。研究方向为市政结构设计。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.029

摘  要：为保证城市污水处理厂基坑的安全，该文先分析深基坑各种常见支护方案的特点和选择原则，并以某城市污水处理厂为研究对象，将其划分为A和B 两个区域，分别制定“单排桩+预应力锚索+内支撑”“放坡+土钉墙”的支护方案，利用数值软件分析支护后基坑的稳定性和变形。同时，为防止深基坑突涌，制定降水方案，研究成果可供类似项目借鉴。

关键词：深基坑支护；有限元；基坑设计；变形计算；支护方案；降水方案

中图分类号：TU753      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）12-0128-04

Abstract： In order to ensure the safety of the foundation pit of the urban sewage treatment plant， the characteristics and selection principles of various common support schemes for the deep foundation pit are analyzed， and taking a municipal sewage treatment plant as the research object， it is divided into A and B areas. The support schemes of single-row pile + prestressed anchor cable + internal support and slope + soil nailing wall are established respectively， and the stability and deformation of the foundation pit after support are analyzed by numerical software. At the same time， in order to prevent the inrush of deep foundation pit， a dewatering scheme is made， and the research results can be used as a reference for similar projects.

Keywords： deep foundation pit support; finite element; foundation pit design; deformation calculation; support scheme; dewatering scheme

隨着城镇化进程的加快，城市人口不断增加，产生的日均污水总量日益增加，许多现有污水厂处理能力已不能满足要求，需扩建大型污水处理厂来提升污水处理能力。大型污水处理厂大多为地埋式，需进行基坑开挖且大部分为深基坑。污水处理厂中的深基坑属于临时工程，其深度一般大于5 m，其变形机理复杂。深基坑开挖后，容易因卸载导致支护结构破坏、坑底隆起、周边地表沉降过大等问题，破坏周边建、构筑物、道路及管道等，严重的会造成巨大的经济损失和人员伤亡[1]。因此，进一步研究污水处理厂深基坑的支护和降水设计方案具有重要的工程意义。

1  污水处理厂深基坑支护类型选择

1.1  支护方案选择原则

为了保证污水处理厂的深基坑设计方案达到最佳，必须坚持以下原则：一是安全性原则，安全是深基坑设计要考虑的首要原则，不仅要保证基坑自身开挖的安全性，还要保证基坑周边建、构筑物，道路等设施的安全；二是经济性原则，深基坑设计要在保证工程安全的前提下，尽量选择投资金额小的方案，以提高项目的投资效益；三是工期性原则，选择合适的深基坑支护和降水方案，能加快施工进度，缩短施工工期。

1.2  支护方案对比

1.2.1  放坡+土钉墙

如果深基坑周边场地空阔，且无大面积的建筑物或地下管线，可采用放坡方案，放坡高度、级数、平台宽度等参数应根据基坑深度确定。放坡方案对基坑边坡的水平位移要求严格，在岩土体性质较差的区域需采用土钉墙进行支护[2]。

土钉墙支护是利用钢筋打入基坑侧壁，并注入水泥浆液，利用钢筋自身的抗拉强度、钢筋与水泥浆液之间的黏结力等来加固基坑边坡。结合设计经验及相关研究成果，对土钉墙支护的关键设计参数进行阐述：一是直径和长度，土钉直径和长度越大，其承载力越高，但过大会导致成本增加。二是角度，为了便于施工，防止水泥浆液在自身重力作用下流出钻孔，土钉与基坑边坡坡面的角度宜控制在5～20°。三是间距，土钉间距不宜过大或过小，间距过大无法充分发挥支护作用，间距过小存在“群锚效应”。大量工程实践表明，建议土钉间距取1.0～2.0 m。

1.2.2  地下连续墙

当深基坑周边有重要的建、构筑物，对基坑变形控制严格时，可采用地下连续墙。地下连续墙的刚度大、整体好，可承担较大的水土压力，控制基坑变形。同时，地下连续墙的抗渗性能较大，可减小基坑内降水的影响。一般情况下，地下连续墙的厚度越大，其挡土和防渗效果越好。如果因场地限制，无法加厚地下连续梁，可通过加肋来提高强度、高度，比如设计一字型槽段、T字型槽段、转角槽段，地下连续墙与外墙相连接时可采用单一墙、复合墙、叠合墙等。需注意，地下连续墙在施工时会产生较多的废弃泥浆、废弃土等，在环保要求高的地区应谨慎使用[3]。

1.2.3  排桩支护

排桩是深基坑最常用的支护方案之一，其按桩体材料不同可划分成钻孔灌注桩、钢板桩、钢管桩等，按排列方式不同可划分成单排桩、双排桩等等。为了更好地控制深基坑变形，排桩通常与预应力锚索、内支撑联合使用，形成桩锚联合支护，此时加固机理为：水土有效应力作用先作用在排桩上，随后沿着预应力锚索的自由端传递至锚固段，再由锚固段传递至稳定的岩土层中，以保证深基坑的安全性。

由规范可知，作用在排桩上的土反力ps（图1）可按式（1）计算[4]

ps=ksv+ps0，（1）

式中：ps0为初始土反力强度，kPa；ks为土的水平反力系数；v为水平位移值，m。

1.2.4  内支撑

目前，城市污水处理厂深基坑的内支撑形式主要有钢筋混凝土、钢支撑2种类型。钢筋混凝土支撑的各节点各通过混凝土浇筑成一个整体，稳定性较好，支护效果好，但其施工工期较长、投入资金高，且深基坑施工完成后要将钢筋混凝土破除，造成了一定的资源浪费；钢支撑是利用钢制构建与围护体系相互作用，具有安装拆卸速度快、成本低等优势，但是由于钢结构的抗拉和抗压能力的限制，其多用于狭长的深基坑。

图1  支护桩土反力分布

2  工程概况

2.1  污水处理厂规模

研究对象为某城市大型全埋式地下污水处理厂，采用钢筋混凝土结构型式，设计规模18万m3/d，地下箱体呈不规则矩形，最大尺寸300 m×120 m，面积约45 000 m2。按处理工艺流程，地下箱体划分为A和B

两个区域，其中A区包含污水预处理、调节池、生化池和膜池等区域，地下2层，基坑开挖深度较大，约12 m。B区为污泥脱水及尾水处理区域，地下1层，基坑开挖深度约7.5 m。箱体A区和B区的基坑深度均大于5 m，属于深基坑。

2.2  设计等级

该污水处理厂基坑周边的场地相对较简单，周边无现状建、构筑物。目前，基坑东侧、南侧、西侧和北侧分别为规划路、拆迁空地、河道、河道。因此，基坑设计时的主要保护对象为周边的道路和河道。箱体A区的基坑为一级，箱体B区的基坑为二级。

2.3  计算参数

由勘察资料可知，该场地岩土层自上而下分别为人工填土、粉质黏土、粉土、细砂等。各岩土层的工程特性指标建议值见表1[5]。

深基坑周边地表水系较发育，且存在细砂层，会受到承压水作用。同时，地下水的补给主要是大气降水。为了防止深基坑在开挖期间出现突涌问题，需制定降水措施。

3  污水处理厂深基坑支护方案设计

3.1  支护方案确定

3.1.1  箱体A区支护方案

箱体A区的基坑开挖深度过大，为了更好地控制其变形，拟采用“单排桩+预应力锚索+内支撑”的支护方案。单排桩选择C30钢筋混凝土桩、桩径为1.0 m、桩间距为1.5 m、桩长为20 m，预应力锚索采用3Φ s21.6钢绞线，设置4排，竖向间距为2.5 m，锚索倾角为15°、锚索长度为18 m，设计拉力为1 100 kN；内支撑设置1道，材料为钢筋混凝土，采用“对撑+角撑+边桁架”的支撑体系。

表1  边坡岩土体物理力学性质参数

3.1.2  箱体B区支护方案

箱体B区周边地势较开阔，拟采用放坡+土钉墙的支护方案，放坡共一级，坡率为1∶1。土钉采用钢管土钉，直径110 mm，长度为10 m，角度为15°，土钉双向间距为1.5 m。对于安全等级为二级的土钉墙，可按式（2）计算单根土钉的极限抗拔承载力[6]

，（2）

式中：Rk，j为第j层土钉的承载力，kN；dj为第j层土钉的锚固体直径，m；qsk为土钉与基坑岩土体的黏结强度，kPa；l為土钉在滑动面以外的长度，m。

经计算，箱体B区的基坑所用的锚钉承载力取200 kN。

3.2  深基坑支护方案计算

3.2.1  箱体A区基坑稳定性

由JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》可知，锚拉式支挡结构的整体滑动稳定性应采用圆弧滑动条分法计算，见式（3）

式中：K为基坑安全系数；qi为第i个土条的附加分布荷载，kPa；bi、li为分别为第i个土条宽度和滑弧长度，m；？驻Gi为第i个土条自重，kN；？兹i为第i个土条滑弧面中点处的法线与垂直面夹角（°）；ui为第i个土条滑弧面的孔隙水压力，kPa；ci、？渍i为为第i个土条滑弧面处土的抗剪强度指标；R■■为第k层锚索承载力，kN；？兹k为滑弧面在第k层锚杆处的法线与垂直面的夹角（°）；？琢k为第k层锚索倾角（°）；？鬃v为计算系数；Sx，k为第k层锚索的水平间距，m。

将箱体A区支护方案数值代入公式（3）中，求解出深基坑的整体安全系数为1.52＞1.35，满足现行设计规范要求。

3.2.2  箱体A区基坑支护桩变形

为了进一步确定深基坑支护方案的可行性，利用有限元软件建立计算模型，分析了箱体A区基坑的支护桩变形规律及其对周边地表沉降的影响。

由于有限元软件建模难度大，计算时先在CAD软件中绘制好基坑线条模型，在另存为DXF文件后导入有限元软件中。箱体A区基坑的岩土体用实体单元模拟，支护桩和预应力锚索用一维杆件单元模拟。由于深基坑模型复杂，为了保证计算准确性和计算速率，划分网格时宜采用“近密远疏”的原则，即基坑周边一倍开挖深度范围内的网格加密处理，尺寸取0.5 m，其他位置的网格尺寸取1.0 m，共划分了12 568个单元和13 669个节点，如图2所示[7]。

图2  箱体A区基坑模型网格划分

此外，基坑模型的底部边界完全约束，模型四周约束X方向位移，模型顶面不施加约束，设置为自由边界。

以支护桩桩底为坐标原点，向上每隔2.0 m设置一个监测点，将每个监测点的水平位移数据从软件中提取出来，绘制出支护桩沿深度方向的变形曲线，如图3所示。

图3计算结果表面：箱体A区基坑支护桩的水平位移呈“弓形”分布[8]，在距桩底0～8.0 m范围内，支护桩水平位移不断增加，位移最大值达到了23.5 mm；在距桩底8.0～20.0 m范围内，支护桩水平位移不断减小，桩顶的水平位移最小，仅2.2 mm。

3.2.3  箱体B区基坑稳定性

将岩土参数、土钉墙参数等输入理正软件后，计算了箱体B区基坑四周边坡在天然工况、暴雨工况（折减岩土体参数模拟）下的安全系数，计算结果如图4所示。

图3  支护桩水平位移分布

图4  深基坑四周边坡安全系数

由图4可知：①基坑四周边坡安全系数在不同工况下的大小关系为东侧大于南侧大于西侧大于北侧；②暴雨能明显降低边坡安全系数，东侧、南侧、西侧、北侧的安全系数分别降低了0.21、0.25、0.27、0.23，减小幅度分别为13.1%、16.0%、17.5%、18.1%。但是，基坑边坡在天然工况和暴雨工况下的安全系数均满足规范要求，说明箱体B区基坑采用“放坡+土钉墙”的支护方案是可行的。

4  污水处理厂深基坑降水方案设计

4.1  基坑涌水量计算

根据勘察资料，渗透系数取20 m/d。同时，在计算箱体A区基坑和箱体B区基坑总涌水量时，将其视作潜水完整井，用式（4）计算[9]

，（4）

式中：H为潜水含水层厚度，m；sd为基坑地下水设计降深，m；R、r0为分别为降水影响半径和基坑等效半径，m。

4.2  降水措施

基坑拟采用深井降水方案，降水深度达到基坑开挖面以下1.0 m。经计算，算箱体A区基坑和箱体B区基坑的涌水量分别为850、680 m3/d。

深基坑降水后，坑底各土层的有效应力增加，产生附加应力，使得坑底各土层的沉降增大。鉴于此，利用理正软件中的分层总和法计算了深基坑降水后的沉降，箱体A区基坑和箱体B区基坑降水后的沉降分别为86.5、66.8 mm，沉降总体可控，说明降水措施可行。

5  结束语

文章主要研究了深基坑的常用支護措施，以某城市污水处理厂深基坑为研究对象，设计了其支护方案和降水方案，得到以下几个结论：①深基坑常用支护措施有放坡、土钉墙、地下连续墙、排桩和内支撑等，在选择时应坚持安全性、经济性、可行性原则。②对于变形控制严格的深基坑，可采用“单排桩+预应力锚索+内支撑”的联合支护方案。③深基坑支护桩的水平位移呈“弓形”分布，从下至上先增加后减小。同时，土钉能明显提升深基坑四周边坡的安全系数。④为了防止深基坑出现突涌问题，应采用深井降水方案。

参考文献：

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[7] 朱云龙.浅析城市污水处理厂深基坑水土方工程与深基坑支护技术[J].建材与装饰，2019（6）：15-16.

[8] 孙世昌，汪翠萍，王凯军.地下式污水处理厂的研究现状及关键问题探讨[J].给水排水，2016，52（6）：37-41.

[9] 朱方兵，钟灵俊，金璐.基于绿色建造理念的深基坑地下水控制设计[J].重庆建筑，2023，22（10）：31-34.