多因素约束条件下中小型水利工程深基坑设计的探索与实践

徐良寅 ，傅理文 ，彭 渊

（1.瑞安市水利工程建设中心，浙江 瑞安 325200；2.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020；3.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310020）

1 问题的提出

我国沿海地区水利工程数量众多，受台汛期、软土地基的特殊性、周边环境（包含管线、既有建筑物、周边道路）等多重影响，使得城区的水利工程基坑在平衡造价、施工安全、工期优化、节能环保等方面的设计难度较地域偏远的传统水利工程基坑大幅增加[1]。

近年来，SMW 工法桩、灌注桩排桩、钢板桩等基坑支护结构形式[2-5]，在水利工程中（水闸、泵站、水电站、河道整治等）应用日益广泛，但多局限于单种或局部支护且受外部条件约束不多。部分水利工程就多种支护结构形式的基坑有一定的实例应用及探讨[6]，但其周边环境影响相对单一常规，缺乏整体设计施工优化方案，且对工程经济性的关注、论述颇少。此外，建筑、交通等行业中的基坑虽多为深大基坑、或所处周围环境复杂，但受工期、投资限额等约束相对较少，且基坑尺度相对规则，在设计中发挥及借鉴的自由度相对较大。

本文以沿海某软土地基的闸泵工程深基坑设计为例，结合建设条件、周边环境、场地条件等多种外部因素约束，提出施工时序合理安排、多种支护结构组合应用、永临结合等整体优化设计方法，系统性、综合性地探索中小型水利工程深基坑的多目标优化建设方案。

2 基坑建设条件

2.1 基坑规模

工程建设场地位于温州瑞安市城区，拟建一座中型闸站连通城区河道与外江进行排涝。工程包含主体闸泵、交通桥、出水池、出水箱涵、内河连接挡墙和河道。建设地块近似组合长方形，工程整体基坑面积为7 015 m2（各分区基坑）：基坑东西长179 m（沿水流方向），基坑南北向长62 ～ 30 m（垂直水流方向）。根据现状场地高程及结构不同部位建基面高程，工程开挖深度为5.200 ～ 7.585 m。

2.2 场地周边环境

基坑西侧为滨江大道和飞云江，东侧为市政道路，南侧为住宅小区，北侧为施工管理用房（见图1）。

图1 工程基坑平面布置图（含三期施工）图

2.3 水文地质条件

建设场地开挖范围内土体由上至下分为9 层，各土层物理力学参数见表1。场地软弱土层较厚，约30 m，土层压缩性较高，承载力、抗剪强度指标较低；场地土层渗透性弱；地下水水位2.80 ～ 3.42 m。

表1 土层物理力学参数表

3 基坑设计施工难点和对策

3.1 工程难点

（1）投资受限，结构安全度设计不易。建设场地狭小，需进行支护设计，而临时工程措施费用极为有限；如何在满足结构安全、功能完整的基础上，尽可能减少临时工程费用是本工程的主要难点。

（2）工期紧，施工对交通道路干扰大。工程建设范围区域较长且穿越城市道路，交通断流影响大；减弱乃至消除工程施工对城市主干道的断流影响，缺乏类似工程经验。

（3）跨汛期施工，基坑需结合围堰设计要求综合考虑。工程出水口箱涵与外江框架式防洪堤衔接，如何结合工程建设条件、进度设计，减小台汛期对临江基坑的施工影响较为关键。

（4）周边环境复杂。高层建筑距离邻近基坑支护边线约30 m，且工程穿越沿江道路；应合理考虑周边建筑物、道路通行对基坑设计、施工的影响。

（5）场地条件不佳。工程主体结构部位位于深厚软土区，支护结构可选型式较少，基坑支护结构设计难度增加。

（6）节能环保要求较高。工程位于城区沿江重要区块，社会关注度高，除主体建筑物作为水利工程形象标识，应满足节能环保设计要求，其施工作业期间也应满足相应要求。

3.2 方案设计思路

本工程周边环境复杂、场地条件不佳，支护结构不但要考虑基坑开挖对周边建筑物、道路及临江施工的影响，也需要从经济合理的角度去探究优化。综合各制约因素，优化方案思路：

（1）分期施工。传统的水工建筑物（水闸、泵站等水利枢纽工程）施工通常从闸、泵主体结构入手，后分别施工上游、下游连接段。本工程构筑物多，考虑工期紧迫、施工条件不佳（穿路、临江），根据现场道路情况分期分段施工，合理安排区段施工顺序，可有效加快施工进度、减少对周围环境的影响。

（2）多种支护结构联合应用。结合基坑不同部位尺度及其所处不同环境，采用多种支护结构进行联合支护以发挥其优势，在合理控制结构安全度下控制造价。

（3）永临结合。结合以往工程案例，常规水利工程中不考虑永临结合，临时工程仅为永久工程顺利施工提供保证，特殊设计的永临结合结构也仅限于河道驳岸、水闸（泵站）枢纽连接段翼墙等[7]；本工程除连接段挡墙采用永临结合，主体闸泵也结合支护结构进行设计优化，实现结构两用（施工期与运行期），以期满足功能性和经济性要求。

4 基坑方案重点设计优化

4.1 施工时序优化

为减少对周围交通的影响，依据主体结构设计特征及建设条件，基坑施工分3 期进行：Ⅰ期施工出水池、1#箱涵、主体闸泵、交通桥及内河翼墙；Ⅱ期施工2#、3#出水箱涵（利用非汛期有利条件）；Ⅲ期施工内河连接段河道挡墙。Ⅰ期主体工程施工期，2 条市政道路保持通行，Ⅱ期施工下游箱涵，交通分流至沿江西路，Ⅲ期施工上游连接段，滨江大道恢复通行。施工总平面布置（含三期）及基坑周边环境见图1。施工I 期基坑支护结构平面见图2。

图2 Ⅰ期基坑典型支护平面图

4.2 支护结构组合优化

组合结构包含竖向支护组合形式和平面支护组合形式。

竖向组合：放坡开挖（场地高程4.300 ～ 1.800 m）+支护结构（支护结构顶高程～相应结构建基面高程）；

平面组合：在平面上根据不同结构部位的变形要求和安全风险进行联合支护。主体闸泵及内河连接段结构部位采用双排桩结构支护，滨江大道侧采用钢管桩，其余则选用钢板桩。

工程各分期基坑剖面支护结构设计见表2。

表2 各剖面支护结构表

4.3 永临结合设计优化

本工程施工开挖深度最深部位为主体闸泵，工程区存在深厚软土层，而主体闸泵结构相对复杂，涉及设备安装等，施工时间较长；双排桩自身结构相对稳定，能较好地控制支护结构位移，提供较大的施工作业空间，同时其作为工程永久结构（完工后作为主体结构副厂房基础）能节省工程投资、缩减工期，且支撑布置数量较单排围护灌注桩减少，施工相对便捷，整体基坑的施工影响范围较小。图3 ～ 4 为双排桩门架结构作为永久与临时结构结合的设计方案。

图4 完工后主体结构剖面图（副厂房基础）

5 施工期控制

（1）设计方案和施工方案充分评审。邀请水利、建筑、市政基坑专家对基坑设计方案进行咨询和审查，吸收各行业有益的工程经验。

编制专项施工方案，邀请行业专家再次进行评审，确保施工安全可靠，经济合理。

（2）加强施工期监测。编制专项基坑监测方案，明确不同部位和阶段的监测措施，加强施工期的安全巡视和测量。施工实践表明，基坑可靠，变形小，为工程顺利安全施工打下良好的基础。

（3）责任明确，领导重视。领导重视，业主、监理、总承包、施工分包、监测单位各司其职，群策群力，为工程施工创造良好的条件。

6 方案评价

（1）经济效益。以主体闸泵结构优化为例，通过永临结合的双排桩结构节约空间、成本且能满足基坑稳定和施工作业的安全要求；同时，与常规的“单排钢筋混凝土排桩支护结构+钢筋混凝土内支撑围护体系”相比，节省相应部位临时工程费用约80%；工地少产生约800 t 建筑垃圾；施工周期的缩短使工程尽早发挥社会经济效益，令投资得以早日回报。对于需要深基坑支护的中小型水利工程而言，结构形式整体优化带来的经济效益远大于局部精简所带来的造价控制。

（2）施工工期。本工程各分期基坑施工均按计划完成，钢板桩、钢管桩及钢支撑的应用节省了钢筋、模板等加工时间，同时节省了混凝土结构支护构件的浇筑养护时间和拆除时间；工程实施过程顺利，可较常规支护结构施工周期缩短近2 个月（主体结构部位），基坑工程相关工期数据见表3，监测数据与计算值对比见表4。

表3 基坑工程工期数据表 d

表4 基坑工程监测数据与计算值对比表

（3）结构安全。根据表4 的方案模型计算值与实际监测值对比，可见本工程方案结构可靠，满足安全储备要求，原相关参数取值基本合理。

计算值与监测值存在差异，主要原因：理论计算模型中参数取值未考虑水泥土的加固作用，且对软土层土体指标有适当折减；基坑水平位移计算值取值为支护结构的水平变形值，而部分监测点位于基坑放坡坡顶；双排桩内支撑计算模型中，支护结构以单排桩作为简化模型计算，未考虑双排桩的空间受力对基坑内支撑作用的有利影响。综上，内力、变形计算值较实际监测值大。

（4）环保效益。永临结合的方案实施节省了建筑材料，也缩减了常规单排桩支护方案所需的支撑数量；同时，钢支撑的运用避免了混凝土支撑拆除所造成的材料浪费和环境污染。此外，工地弃土量的减少也体现了本工程设计方案的环保优势。

7 结 语

（1）对于中小型水利工程（水闸、泵站）而言，深基坑合理的整体布置方案优化较局部构件的尺度、材料优化，对工程整体的工期、造价影响更为关键。在施工工期、资金、场地条件、环保、周边复杂环境等多因素约束条件下，建议进行多种支护方案分析比较，择优方案进行支护。

（2）水利工程因其组成建筑物的功能特点，配合不同部位的外部条件，其基坑工程具有多样性、复杂性。多种支护结构形式的使用，对于造价和工期能起到有利的调节作用。

（3）在开挖较深、周围环境复杂、深厚软土地区的开敞式水利工程基坑，采用双排桩支护结构是可行的方案，可减少基坑支撑设置，加快施工进度，方便施工。

（4）限额设计的中小型水利工程，基坑永久与临时结构结合对于造价、工期的缩减提升明显；条件允许时可采用双排桩、钢筋混凝土板桩等形式，结合主体结构设计，充分发挥自身结构在施工期与运行期的效用，以大幅减少工期和造价。

（5）需要穿路阻断交通的水利工程应减少整体开挖，合理安排施工时序、分段分期施工，利用已建的结构作为交通分流通道缓解对环境影响，同时结合工程度汛要求安排结构施工顺序。相邻施工区段，可利用前一区段的支护结构进行重复利用，避免拆桩打桩，节省工序、节约用材，有益于节能环保。