以上海某基地為例探討基坑支護結構方案選擇

姜小站

(吉林省地礦勘察設計研究院,長春 130012)

1 工程概況

外用藥生產基地新建項目用地面積28 504.6 m2,建筑面積58 394.74 m2,由聯合廠房(地下1層、地上4層)、消防水池(地下1層、地上3層)、污水處理池(地下1層、地上2層)組成,詳見表1。

表1 基坑情況表

本工程基坑開挖深度為4.90～6.30 m,基坑開挖總面積約為16 025 m2,基坑支護結構周長約778延米,屬于開挖深度較深、面積較大的基坑。東側圍墻外距離基坑邊8 m范圍有市政道路、電力電纜管、有線電視、通信及煤氣管道;北側有2幢已建4層廠房,對基坑有一定變形控制要求。結合本工程周邊環境情況和地質條件等情況,基坑開挖深度4.90～6.30 m,基坑安全等級為三級;基坑周邊環境為三級。

2 基坑地層情況及地質條件

2.1 地層情況

表2 基坑支護設計參數表

2.2 地下水

根據巖土工程勘察資料,承壓水最淺埋深為27.09 m,水位埋深約3.0～12.0 m。按最不利水頭埋深3.0 m計算,滿足承壓水抗突涌條件下的臨界挖深為13.00 m?；幼畲箝_挖深度為6.30 m,小于臨界挖深,因此本基坑開挖不存在承壓水突涌的可能[3]。

3 基坑支護結構選型

本工程基坑開挖深度4.90～6.30 m,基坑安全等級為三級,基坑周邊環境為三級。結合本工程地質條件、周邊環境等要素,選擇適合的基坑支護結構形式[6-7]。

3.1 聯合廠房及消防水池基坑支護施工條件

聯合廠房地下結構形狀為八邊形,此形狀相對四邊形更有利控制基坑變形。八個邊形成一個“八邊箍”,相互支撐,整體剛度強[9]。消防水池開挖深度較淺(4.9 m),基坑面積較小(約1000 m2),施工周期短,基坑暴露時間少,有利于基坑穩定性控制。

聯合廠房及消防水池基坑部分開挖深度范圍內有較厚建筑垃圾及雜填土等,應考慮支護結構止水效果,防止施工不當造成滲水[14]。

基坑周邊除東側臨時圍墻外有地下管線,其余三面均無建(構)筑物及道路、地下管線,對周邊環境的安全影響較小。

3.2 污水處理池基坑支護施工條件

污水處理池地下結構基礎底板為1 m厚的鋼筋混凝土筏板基礎,底板厚、剛度大,有助于基坑支護結構換撐和穩定。污水處理池由于基坑開挖深度較深,面積較小,邊長較短,且鄰近用地紅線,施工場地狹小。

本基坑除南面相鄰聯合廠房其他三面均無建(構)筑物及道路、地下管線,雖距聯合廠房距離較近(相距10 m),但是污水處理池基坑施工時,聯合廠房基坑施工已完成,故污水處理池基坑施工對周邊環境的安全影響較小。

關中地區春季獼猴桃開始嫁接的適宜時間：一是2月中下旬，也就是日平均氣溫0～5℃時；二是4月中上旬，氣溫達到10～15℃時。依照筆者的經驗，一年之中，獼猴桃嫁接的最佳時間應該是6月中上旬。這個時間段日平均氣溫在20℃左右，是植物生長的最佳溫度。另外，獼猴桃枝條營養從被動吸收 （上一年貯存的營養）轉入主動吸收（自己的葉片制造養分），營養條件和生長速度處于最佳狀態：此期嫁接比較理想。

3.3 基坑支護結構形式選擇

通過以上分析并結合本項目實際工況,聯合廠房及消防水池可采用的基坑支護結構形式有:土工法、放坡結合止水帷幕、雙軸攪拌樁重力壩及板式支護結合內支撐。

3.3.1 聯合廠房及消防水池基坑支護結構形式

聯合廠房及消防水池可選擇兩種基坑支護結構形式:第一種是選用“土工法”(水泥攪拌樁內插H型鋼)+豎向水平鋼支撐;第二種是選用水泥攪拌樁重力壩支護形式。第一種支護形式優點是強度高、安全性好;缺點是造價高,大型機械施工安全要求高。第二種支護形式優點是水泥攪拌樁壩體較寬,止水效果好同時不影響基坑周邊布置環通的臨時施工道路[8]。

經分析論證,本聯合廠房及消防水池支護結構選用雙軸攪拌樁重力壩的支護結構形式。后經施工驗證選用此支護結構形式在安全、進度、效益等方面取得了較好的效果。

3.3.2 污水處理池基坑支護結構形式

適合的基坑支護結構形式:第一種是選用“土工法”(水泥攪拌樁內插H型鋼)+豎向水平鋼支撐[10-11];第二種是選用水泥攪拌樁+拉森鋼板樁+豎向水平鋼支撐支護形式[2]。第一種支護形式優點是強度高、安全性好,施工一次成型,避免二次進場施工;缺點是在基坑遵循“先大后小”、“先深后淺”基坑施工原則下,本基坑需聯合廠房基礎施工完成后才能開始施工,導致H型鋼需要增加4個月租賃費用,插入H型鋼數量大、周期長、租賃費用貴,大大增加了施工成本。第二種支護形式優點是可以先施工止水的水泥攪拌樁,可與其他2個基坑支護的水泥攪拌樁一起施工,在污水處理基坑開挖前插拉森鋼板樁,縮短了拉森鋼板樁租賃時間,使得工程造價降低;缺點是基坑支護強度不如前者而且需要二次進場施工,經驗算可以滿足本基坑安全穩定性要求。

經綜合考慮,本基坑支護結構形式采用水泥攪拌樁+拉森鋼板樁+一道水平鋼支撐組合形式。后經施工驗證選用此支護結構形式在安全、進度、效益等方面取得了較好的效果。工期縮短了約1.5個月,僅H型鋼租賃費節約40萬元,創造了較好的效益。

4 基坑支護結構計算

為了確保設計優化后支護結構體系安全性及可行性,需對設計優化后的基坑支護結構體系進行設計強度、剛度、穩定性方面進行復核計算[13]。采用軟件FRWS 9.0進行計算。

4.1 聯合廠房安全計算

聯合廠房地下水位埋深0.5 m,工作荷載20 kPa。擋土墻類型為重力式水泥土墻,嵌入深度5.7 m,水泥土彈性模量300 MPa,容重19 kN/m3,攪拌樁樁徑0.7 m,攪拌樁搭接長度0.2 m。整體穩定驗算見圖1。

圖1 聯合廠房基坑支護整體穩定驗算示意圖Fig.1 Schematic diagram of overall stability of foundation pit support for a joint plant

由圖1可知:圓心(-0.96,-0.84),半徑12.92 m,滑動力702.4 kN/m,抗滑力1060.3 kN/m。擋土墻抗滑移系數K1=(504.7+237)/546.8≈1.36。

墻底抗隆起安全系數K2可按下式計算:

K2=(σpNq+cNc)/σa

(1)

式中:σp為豎向應力標準值,Nq為地基土承載力,Nc為地基土極限承載力,c為坑底地基土粘聚力,σa為擋土墻主動土壓力。計算可得K2=1.87。

滲透穩定性系數K3計算公式為

(2)

式中:Gs為土顆粒比重,e為土孔隙比,Δh為水頭差,d、h、b為結構設計參數。計算可得K3=7.12。

4.2 污水處理池安全計算

污水池地下水埋深0.5 m,工作荷載20 kPa,擋土墻類型為型鋼水泥土攪拌墻,嵌入深度9.4 m,攪拌樁樁徑0.7 m,攪拌樁搭接長度0.2 m,型鋼鋼材牌號Q235;支撐深度1.4 m,剛度35 K(MN/m2),軸力35 kN/m,類型為內支撐。整體穩定驗算見圖2。

圖2 污水池基坑支護整體穩定驗算示意圖Fig.2 Schematic diagram of overall stability of foundation pit support for a sewage tank

由圖2可知,圓心(-0.87,-0.93),半徑16.51 m,滑動力1015.8 kN/m,抗滑力1540.9 kN/m。

污水處理池基坑抗滑移系數K1=(1035.9×10.156)/(978.4×8.01)≈1.34。

污水池墻底抗隆起安全系數K2按式(1)計算,K2=2.08。

通過驗算本項目選用的基坑支護結構方案的強度、剛度(變形)、穩定性方面均滿足要求[1]?；邮┕み^程中的各項安全指標均正常。

5 結語

基坑支護結構方案選型是一個復雜的系統問題,通過對基坑支護結構方案選型,在滿足基坑周圍環境安全可靠的前提下通過分析不同基坑結構形式的受力特點及差異,盡可能選擇合理、科學、便于施工的基坑支護結構形式[12],以達到較好的施工效率和效益。