特殊地段分洪箱涵基坑支护设计分析

曾宝珍

（福建安澜水利水电勘察设计院有限公司,福建 龙岩 364000）

1 工程概况

葫芦溪位于龙岩中心城区西北部,自侨中新校区以下河段两岸居民密集,河道狭窄。近年来,葫芦溪下游河段常受到洪水的威胁,为解决葫芦溪下游河段防洪安全问题,拟在侨中新校区下游、爱亭路与葫芦溪交会处兴建一座箱涵进行分洪。经分析计算,分洪箱涵过流孔口尺寸为7.5 m×3.9 m（宽×高）,为有压泄洪,最大过流能力152 m3/s。工程实施后,葫芦溪下游河段能满足50 年一遇洪水的防洪要求。

受爱亭路、龙岩大道东侧的幼儿园、龙岩大道地下通道影响,分洪箱涵桩号0+000～0+090 m段施工无法采用放坡开挖,需采取基坑支护措施,以确保工程施工及周边环境的安全。基坑为条形基坑,基坑深度7.80 m～10.5 m,根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[1],本工程基坑安全等级为二级。

图1 特殊地段位置示意图

根据地质钻孔资料显示,桩号0+000～0+025 段表层为人工堆积的素填土①,厚约7 m～8 m,下部为残坡积粉质粘土③（Qeld）；0+025～0+090 段地表大部分残坡积粉质粘土出露,局部表层为浅薄的填土层。

根据附近工程类比及现场原位试验,本场地各类岩土主要工程地质参数值见表1。

表1 各类土层主要工程地质参数值

2 特殊施工主要存在问题

2.1 地形地质问题

工程场地地处城区中心,两侧建筑物密集,人员活动频繁,施工场地有限,场地已征整平,该特殊地段基坑开挖上部主要为填土层及残坡积土,下部残坡积粉质粘土层土,土层饱水易软化,施工支护的可行性和安全性显得尤为重要。

2.2 施工技术问题

桩号0+000～0+090段排洪箱涵横穿爱亭路,需考虑工程施工期间爱亭路交通阻断时间长短的问题,左侧临近幼儿园,右侧紧邻已建地下人行通道及龙岩大道施工场地,边墙距排洪箱涵侧墙2.53 m,工程施工需确保不能影响两侧建筑物的安全,该地段开挖深度较高,工程施工还需有安全的施工环境。

2.3 生态环境问题

施工期对环境的影响,主要为箱涵的土方开挖、弃渣、建材堆放等对施工区的地表土壤、植被破坏,使工程区域内的土壤直接裸露,造成的水土流失,施工期各种施工机械、车辆运输等作业产生的噪声和粉尘对施工及城市周边居民产生不利影响。

3 基坑支护设计

针对上述存在问题,在有限的场地内施工,开挖后其支护型式的选择是后续工程顺利开展及安全施工的先决条件。基坑支护结构设计应遵循“安全可靠,经济合理,技术可行,方便施工”,确保基坑工程及周边环境的安全；基坑支护结构的选择应考虑场地狭窄施工条件的限制,尽可能选用较少的支护结构形式以提高施工工效；在保证基坑及周边环境安全稳定的前提下充分考虑节约工程造价,根据不同地质条件及周边环境,按照每段的最不利荷载计算,避免统一按照整个基坑最不利效应组合计算造成投资浪费。

3.1 基坑支护型式的确定

目前,工程中常用的基坑支护类型主要有：放坡、土钉墙、重力式水泥土墙、支挡结构。桩号0+000～0+090 m段分洪箱涵横穿爱亭路（交通主干道）,左侧为紧邻新建侨中附属幼儿园,箱涵侧墙距幼儿园教学楼最小距离仅11.0 m,右侧紧邻龙岩大道地下通道,边墙距排洪箱涵侧墙仅2.53 m。若采用放坡开挖或土钉墙结构型式,所需的临时占地较大,均会破坏周边建筑物；重力式水泥土墙适用于基坑开挖小于7 m的淤泥土质或淤泥基坑,且该支护型式位移相对较大,墙体厚度也大[2],本地段箱涵基础开挖深度为7.8 m～10.5 m,周边建筑邻近且较为重要,不适合该种支护方式；锚拉式支挡结构,工程场地主要为素填土及粉质粘土,锚固力小,所需锚固范围大,且工程与周边建筑物邻近,影响周边建筑物地基安全。

根据工程现场周边环境及支护结构计算分析,桩号0+000～0+090 m段分洪箱涵的施工围护结构采用如下三种支护型式：

（1）桩号0+000 m～0+015 m段排洪箱涵横穿爱亭路,基坑设计开挖深度约为7.8 m,施工期间,道路交通不能大范围中断。排洪箱涵基坑左、右两侧各布一排Φ1500 mm混凝土强度等级为C30 的冲击成孔灌注桩,灌注桩采用密排桩,左、右两侧各布9 根,共18 根,桩长22.80 m～22.83m,进入基坑底部15.0 m,桩顶设冠梁,尺寸为1500 mm×1000 mm（宽×高）。在保证工程施工安全的情况下,采用该方案对交通道路的破坏最小,该段工程实施完成后便可恢复道路的施工。

（2）桩号0+025 m～0+090 m段排洪箱涵左侧为幼儿园的围墙,围墙内紧邻幼儿园教学楼,基坑的设计开挖深度为8.2 m～10.5 m,建筑物的重要性要求较高,该段基坑支护采用Φ1200 mm混凝土强度等级为C30 的冲击成孔灌注桩,共设56 根,桩长23.2 m,进入基坑底部15.0 m,上部约2.0 m采用1∶1.25放坡开挖,桩顶设冠梁,尺寸为1200 mm×1000 mm（宽×高）,沿基坑深度与对侧的钢板桩设一道对撑；桩号0+015 m～0+025 m段排洪箱涵右侧为在建龙岩大桥施工场地,左侧为幼儿园的围墙,基坑设计开挖深度为8.2 m,两侧各布置一排Φ1200 mm混凝土强度等级为C30 冲击成孔灌注桩作为本段基坑的支护型式,左、右两侧各布8 根,共16 根,桩长23.2 m,进入基坑底部15.0 m,桩顶设冠梁,尺寸为1500 mm×1000 mm（宽×高）。

图2 灌注桩横剖面图

（3）桩号0+025 m～0+090 m段排洪箱涵右侧紧邻龙岩大道地下通道,边墙距排洪箱涵侧墙仅2.53 m,工程施工场地有限,设计基坑支护采用沿线布置一排FSP-Ⅳ型拉森钢板桩,壁厚15.5 mm,桩长12 m,埋入基坑底部4.0 m。钢板桩支护由FSP-Ⅳ型拉森钢板桩、钢围檩、横向内支撑及托架等组成,钢围檩采用40 a工字钢,桩顶下2.2 m设一道间距3.0 m的Φ300 mm×10 mm的钢管支撑。

图3 钢板桩横剖面图

图4 特殊地段基坑支护平面布置图

3.2 基坑支护结构分析计算

根据现场地形、地质及周边环境,该特殊地段基坑开挖支护主要采用混凝土灌注桩及钢板桩两种型式, 其中桩号0+000 m～0+025 m混凝土灌注桩为悬臂式支挡结构,结构设计通过计算嵌固深度的稳定性、结构最大位移情况判定结构能否满足支挡要求,结构采用平面杆系结构弹性支点法进行分析；桩号0+025 m～0+090 m右侧为拉森钢板桩,计算包括内力、变形及整体稳定性的计算,结构分析采分为挡土结构及内支撑结构。作用于桩基的外力主要为土压力及其附加荷载,桩号0+000 m～0+015 m段,考虑二级公路车辆的附加荷载按20 kPa计算,其余桩号段不考虑附加荷载。

支挡结构计算工况分基坑开挖至各支撑施工面及开挖至坑底时内力分析计算,计算方法采用“增量法”。挡土构件嵌固段基坑内侧土反力满足Psk≤EPk的要求（Psk挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力标准值kN, EPk挡土构件嵌固段上的被动土压力标准值kN）。

设计采用理正深基坑软件进行分析计算,计算最不利工况下排桩稳定、内力、位移值,各支挡结构内力位移包图见图5、图6、图7,成果见表2、表3。

图5 Φ1500灌注桩内力位移内络图

图6 Φ1200灌注桩内力位移内络图

图7 拉森钢板桩内力位移内络图

表2 混凝土灌注桩支护结构计算成果

表3 钢板桩支护结构计算成果

本工程的安全等级为二级,抗倾覆稳定系数Ke≥1.2,整体抗滑稳定系数Ks≥1.3,抗隆起稳定系数Kb≥1.6,桩顶水平位移s＜H1/300（H1为开挖深度）,Q235型钢抗拉强度设计值[f]≤215 N/mm2, 抗剪强度设计值[f]≤125 N/mm2[1]。由表2、表3计算的成果,各支护结构设计内容均满足规范要求。

3.3 基坑变形安全监测

通过基坑变形安全监测,可获取监测数据及支护结构的变形情况,从而综合分析判断支护体及周边环境的安全状况。基坑支护结构完成后,采用基坑安全监测在了解、掌握支护体及周边环境的稳定情况,指导工程安全施工,避免事故发生具有重要意义。

根据中心城区软土地基基坑支护施工实践总结,工程基坑支护安全监测应注意以下几点：（1）围护桩或基坑边坡沿支护结构顶部每隔15 m～20 m布置一个水平位移、竖向位移监测点；（2）在支撑内力较大或整个支撑体系统中起控制作用的杆件上每层支撑的内力监测点不少于3个,基坑周边建筑一侧墙体的不少于3个位移观测点；（3）对有新裂缝出现或裂缝变宽部分,需及时增设观测点。

3.4 基坑支护效果

特殊地段基坑施工问题复杂,通过分析各类问题,根据场地的周边环境特点,设计采用多种不同的支护型式。通过基坑的支护,最大限度地减少工程的施工占地,减少工程区环境污染。且基坑支护技术成熟,可大大缩减工期,为工程的安全施工及周边建筑物的安全提供保障,为城镇化建设的快速发展争取宝贵的时间。

4 结语

（1）目前,龙岩市葫芦溪分洪箱涵工程已建设完成并投入运行,桩号0+000～0+090段排洪箱涵的施工过程中,支护结构及周边环境未出现明显变形情况,在施工过程中通过基坑变形安全监测数据,变形量均在允许范围内。

（2）基坑支护技术在城镇化建设快速发展的今天,在工程建设中被广泛运用,根据地形、地质条件及周边环境选用安全经济的支护方案,对工程的安全施工,确保施工质量起到很好的作用,同时也对周边环境及建筑起到保护作用。