浙東引水蕭山樞紐工程閘站基坑圍護設計

江小輝,夏開鋒

(浙江省水利水電勘測設計院,浙江 杭州 310002)

1 工程概況[1]

浙東引水蕭山樞紐工程是浙東水資源配置的一項重大工程,工程位于錢塘江、富春江、浦陽江三江匯合口義橋附近,供水對象為蕭山、紹興、寧波、舟山地區(qū)的一般工業(yè)用水及農業(yè)灌溉用水,設計引水流量為50 m3/s。

蕭山樞紐工程主要由外江側閘站上游段、閘站段、內河側閘站下游段、閘站后輸水河道及跨河橋梁等組成。閘站段場地高程6.80～7.10 m,西南側浦陽江防洪堤頂高程10.05m左右,閘站段西北側可用的基坑圍護用地寬度最小只有4.6～6.6 m,閘站段東南側可用的基坑圍護用地寬度最小只有6.0～7.3 m,西南側防洪堤距離擬建構筑物最近為13.80 m,除閘站段北側為空地外,基坑3側圍護用地寬度都比較小,限制了基坑支護采取的形式,基坑開挖尺寸長×寬約為133 m×115 m,開挖面積約為15 295 m2,基坑挖深6.95～9.10 m。

圖1 閘站基坑圍護結構平面布置圖

根據(jù)JGJ 120—99《建筑基坑支護技術規(guī)程》,該工程閘站基坑安全等級定為一級,重要性系數(shù)為1.1。閘站基坑圍護結構平面布置見圖1。

2 工程區(qū)狀況及地質條件

根據(jù)地質勘探,工程區(qū)土層主要由Ⅰ1、Ⅱ1粉質黏土;Ⅱ2層黏質粉土、砂質粉土、粉砂夾淤泥質土;Ⅲ層淤泥質土;Ⅳ層黏土、粉質黏土等組成,各土層物理力學指標見表1。

表1 土層物理力學指標表

3 圍護結構方案比選[2]

根據(jù)閘站段基坑支護工程特點,基坑圍護可考慮如下3種支護方案:

3.1 鉆孔灌注樁+止水帷幕結合內支撐方案 (方案1)

鉆孔灌注樁圍護形式一般采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁加止水帷幕。其優(yōu)點為工藝成熟、造價較低;圍護結構既能擋土又能防水,具有較大的剛度、變形比較小,對鄰近建筑物影響小。結合工程實際,由于該工程主體結構樁基礎采用鉆孔灌注樁,因此采用與主體結構樁基礎同一施工工藝的鉆孔灌注樁作為圍護樁,不但可以與工程樁同步施工,縮短工期,而且可以大大減少機械進場費用。因場地地下水位較高,支護結構需考慮止水,該工程采用旋噴樁止水帷幕。支護結構典型剖面:地面高程7.00～5.50 m按1∶1放坡處理,坡面噴射混凝土及掛鋼筋網(wǎng),5.50 m高程下設φ 1 000@1 200mm鉆孔樁,頂部設混凝土支撐,支撐尺寸為850 mm×850 mm,鉆孔樁插入深度為10.0 m,鉆孔樁外側用旋噴樁φ 800@600 mm止水 (見圖2)。

圖2 方案1圍護結構剖面圖

3.2 雙排樁支護體系方案 (方案2)

雙排樁支護體系即采用2排鉆孔灌注樁,與鉆孔灌注樁+止水帷幕結合內支撐相同,因場地部分基巖埋深淺,圍護樁具有良好的嵌固段,對控制整體穩(wěn)定與變形有利。

由于該工程主體結構樁基礎采用鉆孔灌注樁,因此采用與主體結構樁基礎同一施工工藝的鉆孔灌注樁作為圍護樁,不但可以與工程樁同步施工,縮短工期,而且可以大大減少機械進場費用,該工程采用旋噴樁止水帷幕。方案2支護形式因為支護本身占用場地較大,對周邊可用場地要求也較大。支護結構典型剖面:地面高程7.00～6.00 m按1∶0.5放坡處理,坡面噴射混凝土及掛鋼筋網(wǎng),5.50 m高程下2排φ 1 000 mm鉆孔樁,鉆孔樁插入深度為12 m,2排鉆孔樁排距為5.0 m,前后排樁用混凝土連梁1 100 mm×400 mm連接,前排鉆孔樁間距為1.2 m,后排鉆孔樁間距為2.4 m,前排鉆孔樁外側用旋噴樁φ 800@600 mm止水 (見圖3)。

圖3 方案2圍護結構剖面圖

3.3 地下連續(xù)墻結合內支撐方案 (方案3)

地下連續(xù)墻是一種傳統(tǒng)的深基坑圍護結構。其優(yōu)點是結構剛度大,整體性、防滲性和耐久性好,可作為永久主體結構;施工時振動小、噪聲低,對周邊地基擾動小,適用于多種地層條件和各種復雜的施工環(huán)境。但因采用與主體結構樁基礎不同施工工藝的鉆孔灌注樁作為圍護樁,相對工期較長,而且增加機械進場費用,圍護造價大大提高。支護結構典型剖面:地面高程7.00～5.50 m按1∶1放坡處理,坡面噴射混凝土及掛鋼筋網(wǎng),5.50 m高程下設1.0 m寬的地下連續(xù)墻,高程5.50 m設混凝土支撐,支撐尺寸為850 mm×850 mm,連續(xù)墻插入深度為10.5 m(見圖4)。

圖4 方案3圍護結構剖面圖

3.4 方案綜合比較

3種支護方案綜合比選見表2。

表2 支護方案比選表

經(jīng)綜合分析比較,采用鉆孔灌注樁+止水帷幕結合內支撐方案(方案1)作為閘站基坑支護方案。

4 圍護體系穩(wěn)定分析[3-4]

圍護體系受力與穩(wěn)定,采用極限狀態(tài)法分析,整體穩(wěn)定計算模型采用圓弧滑動簡單條分法。對基坑的整體穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、插入深度、樁側向位移等進行驗算。

4.1 整體穩(wěn)定計算

整體穩(wěn)定計算見圖5。

圖5 整體穩(wěn)定計算簡圖

式中:cik、φik為最危險滑動面上第i土條滑動面上土的固結不排水(快)剪粘聚力、內摩擦角標準值;li為第i土條的弧長;bi為第i土條的寬度;γk為整體穩(wěn)定分項系數(shù);wi為作用于滑裂面上第i土條的重量。按上覆土層的天然土重計算,θi為第i土條弧線中點切線與水平線夾角。

4.2 抗傾覆穩(wěn)定性計算

排樁抗傾覆計算見圖6。

圖6 抗傾覆計算簡圖

式中:Mp為被動土壓力及支點力對樁底的抗傾覆彎矩,對于內支撐支點力由內支撐抗壓力決定;Ma為主動土壓力對樁底的傾覆彎矩。

4.3 嵌固深度設計值

嵌固深度設計值計算見圖7。

圖7 嵌固深度計算簡圖

式中:ealk為水平荷載標準值;eplk為水平抗力標準值;∑Eac為設定彎矩零點位置以上基坑外側各土層水平荷載標準值的合力之和;hal為合力∑Eac作用點至設定彎矩零點的距離;∑Epc為設定彎矩零點位置以上基坑內側各土層水平抗力標準值的合力之和;hpl為合力 ∑Epc作用點至設定彎矩零點的距離;hTl為支點至基坑底面的距離;hcl為基坑底面至設定彎矩零點位置的距離,確定位置的方法為 ealk=eplk。

4.4 樁側向位移計算

樁側向位移計算見圖8。

圖8 彈性支點法計算簡圖

支護結構的基本撓曲方程:

式中:EI為支護結構計算寬度的抗彎剛度;m為地基土水平抗力的比例系數(shù);b0為抗力計算寬度,對于圓形樁按下式計算:b0=0.9×(1.5d+0.5),式中:d為樁身直徑;z為支護結構頂部至計算點的距離;hn為第n工況基坑開挖深度;y為計算點水平變形;bs為荷載計算寬度,排樁可取樁中心距。

4.5 計算軟件

北京理正f-spw6.0基坑支護計算、同濟啟明星軟件校核,MATLAB計算程序,以及理正結構工具箱。圍護體系穩(wěn)定計算成果見表3。

表3 穩(wěn)定分項系數(shù)要求計算成果表

5 施工監(jiān)測

為了解圍護結構的工作狀況,對推薦方案1的圍護結構進行水平位移監(jiān)測,上游及左右側中間點最大位移分別為20,24,28 mm,與理論計算基本相符,圍護結構安全可靠。

6 結 語

(1)為減少基坑開挖對周邊環(huán)境的影響,深基坑支護在水利工程中將會得到越來越廣泛的應用。

(2)通過理論計算和實測驗證,蕭山樞紐深基坑采用鉆孔灌注樁+止水帷幕結合內支撐方案,其受力可靠、剛性大、變形小,確保了周圍環(huán)境的安全,取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益,是一種值得推廣的基坑結構型式。

(3)該工程采用的理正f-spw6.0基坑支護計算程序,在計算參數(shù)率定的前提下能全面、準確地反映基坑結構體在不同挖土和施工階段的整體受力和變形,為深基坑設計的安全可靠、經(jīng)濟合理提供了保證。

[1]杭州市建筑業(yè)管理局.深基礎工程實踐與研究 [M].北京:中國水利水電出版社,1999.

[2]中華人民共和國水利部.SL/T 191—96水工混凝土結構設計規(guī)范 [S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[3]黃強.建筑基坑支護技術規(guī)程應用手冊 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[4]中華人民共和國建設部.GB 50330—2002建筑邊坡工程技術規(guī)范 [S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.