排涝泵站水闸基坑支护设计

安书萱 广州市宏涛水务勘测设计有限公司

在建设工程当中，基坑部分的建设与施工是工程当中最为重要的环节之一，也是建筑稳定性能够得到保障的基础，因此在基坑设计以及施工过程中必须严格按照工程实际需求的情况进行，以保证基坑支护的有效性以及基坑自身的稳定性。基坑施工工程本身即包括多个具体的工程项目：基坑挖掘的设计与施工、基坑工程施工的安全监测、基坑施工过程中的围护以及钢结构的设计安装。为维持基坑的稳定性在进行基坑施工时，需要首先进行安全支护，安全支护的施工流程一般为：测量与放线——钢管桩的设计施工——围护桩的施工环境测量、设计以及施工——基坑主体挖掘——两层支撑结构的安装[1]。

1.深基坑设计要点

不同类型的工程，由于地表以上建筑主体存在差别，因此基坑的设计以及基坑支护的要求存在较大的差别，需要根据工程的实际需求情况确定。作为排涝站匹配的水闸工程，由于建筑所处的地域土层的含水量极高，且土层的变形度同样较大，因此在基坑施工过程中对支护稳定性的要求较高。在水闸工程的基坑支护施工中，一般需要采用钢结构进行支护的施工作业。本文案例当中的支护工程共计包括五个主要的组成部分，分别为：钢管材质的桩柱、钢结构的围挡、钢材质围檩、钢材质的支撑以及格构柱支撑。施工时首先应当搭建基本的支撑体系，体系完成后需要搭建第一道支撑，使用吊车搭建第一道支撑时，应当首先稳定其中一端后，缓慢确定另一端的位置。后续的活动一端在固定时需要采用高强度的螺栓对钢管部分进行连接[2]。钢结构的支撑系统搭建完成后，应当超过围檩的位置，并采用千斤顶对钢结构施加压力，提供预应力。在预应力施加的过程中应当给施加的节奏、施加的时间等进行精准的控制，以便于预应力能够按照设定施加，避免不均匀的作业对钢结构的材料强度或结构的稳定性造成不必要的影响。预应力施加是基坑支护施工过程中最为关键的环节，也是影响最大的环节。

由于案例属于水闸的基坑建设施工，因此在进行预应力施加时必须采用分级施加的形式。由于水闸所处区域的土质硬度较低且同时含水量较高，因此一次性施加不仅可能对土质结构造成破坏，同时可能造成预应力施加完成后稳定性不达标、出现沉降的情况。在执行预应力分级施加时，第一次施加预应力的总值应当为设计总值的50%到80%左右，预应力施加完成经检测基坑部分并未发生特殊情况时，方能够进行下一级的施加。若预应力施加过程中或施加完成后发生沉降等特殊情况，则应当使用螺栓对钢结构的系统进行加固，使其达到稳定要求。

2.降水工程设计要点

对大部分排涝泵站而言，其建设的区域土层均存在含水量较高，且建设所在区域的地下水位同样较高的问题，因此在施工进行时如何有效降低建设区域的水位对施工的影响巨大。排水工程施工的目的为排除土层中存在的水分，使得土层的强度得到提升，在土层弹性降低且稳定性提升的情况下，建筑的安全能够得到保障，另外由于土层当中的含水量降低，包括基坑在内的位移以及沉降的风险能够得到有效的控制。尤其建筑各结构的坡体部分，边缘不会受到位移等的影响，能够保证位置的稳定。土层当中的砂质以及沙砾等能够维持地下土层的稳定性，以避免基坑施工作业过程中产生的力对土层的影响超过土层的承受上限。排水完成后，基坑部分的土层应当能够接近地表施工的状态，在未施工的情况下基坑的底部应当处于稳定的状态，即基坑的底部不会主动出现沉降或位移等情况，且在施工作业的影响下位移的范围同样符合设计要求。

3.支护桩确定

确定基坑支护的整体结构时需要参考多方面因素的影响，主要包括：工程所处自然环境的影响，即施工场地的土层情况以及施工期间的气候条件影响等；工程自身的影响，即施工设计的方案以及施工方案与基坑支护方案之间的匹配情况；工程成本的影响，即基坑施工允许的成本上限以及成本控制的要求等。当施工区域环境的稳定性较好，同时施工的基坑深度较浅时，能够采用土钉墙或重力式的挡土墙等较为简单的结构完成基坑的支护；当施工区域环境的稳定性较差，或施工的基坑深度较深时，则一般需要采用支护效果更好的悬臂式或拉锚式的支护结构系统完成对基坑的支护；当施工区域的整体稳定性较差时，则应当采用内支撑的结构系统满足支撑的需求；而针对要求更高、施工环境更差的工程，则一般需要采用逆作的形式进行施工作业[3]。

无论排涝泵站主体部分，或者与其匹配的水闸部分，由于均需要在软土的环境中进行施工，因此必须通过在基坑当中加入支撑桩的形式保证基坑的稳定性。针对软土的施工环境，一般需要使用灌注桩或者钢筋桩等稳定性以及强度更高的桩体，才能够给予地表的建筑主体必要的支撑性，且同时能够避免软土的土层发生变形以及沉降等风险。从桩体的类型而来，上述两种桩体均属于摩擦的类型。

当建设施工的区域土层属于沙土类型，同时施工影响范围内存在承压水影响时，则需要采用钢筋混凝土的预制桩，打入式的预制桩相对于现场浇筑桩而言，由于一般均由工厂集中生产，生产的质量要求以及后续的检测规范更为明确，因此桩的强度以及质量更加能够保证。采用打入式预制桩进行施工时，需要根据施工设计以及现场勘测的实际情况，确定需要使用的预制桩的基本参数，交由具备生产资质的预制桩生产单位进行生产。另外当施工需要桩体的长度较长、超过预制桩的上限时，则能够以现场浇筑配合的形式进行。打入式的预制桩使用的最大问题在于施工的噪音影响显著，无法通过控制措施完全避免，因此该种打桩技术并不适于城市人口密度较高的区域使用。由于本文案例属于排水泵站的施工，排水泵站大都远离人口密集区，因此适合采用该技术。

灌注桩的技术，适用范围较广，由于能够通过预先的注浆处理，对含水量较高的土层以及软土土层进行处理，因此在软土环境中能够发挥较好的施工效果。该种技术一般不适于土层当中存在承压水的环境，承压水对灌注桩的钢护筒等都能够造成冲击以及影响，在土层当中的承压水水层较深、压力较大能够产生显著冲击的环境当中，采用灌注桩的技术施工甚至存在一定的护筒等在施工中被冲击损坏的风险。因此在土层当中确实存在承压水的情况下并不适于采用灌注桩的技术进行施工，必须采用灌注桩时，则应当定期检测灌注桩地下护筒等部分的情况，避免其出现漏浆或断裂等影响施工质量的情况。与打入式的预制桩不同，采用灌注桩进行施工对周围的环境影响相对较小，一般不会对周围的居民造成影响，因此适合大部分建筑打桩作业。

软土环境中的施工，预制桩以及灌注桩在施工达到设计标准的情况下均能够满足施工的基本要求，因此在确定桩类型时，需要按照施工工程所处的区域、支护强度要求的实际情况等确定适当的桩体类型。施工区域与居住区距离较近时，一般需要采用灌注桩进行施工，而工程对桩体的强度要求较高时，则应当采用预制桩的技术进行施工。施工过程中，应当避免基坑支护作业对周围环境造成过于显著的影响。

4.工程案例

4.1 工程概况

本文案例的工程，是城市内涝排涝的工程。工程所在的城市，由于内涝较为严重，并且在降雨集中的季节该城市内部积水的情况较为严重，能够对城市居民的生活安全造成严重的影响。因此，本文进行的排涝泵站工程主要目的是改善城市内部的排涝情况。经城市勘测，最终确定于该城市内河的河口部分建设用于排出内涝的排涝泵站。根据该泵站的总体设计，泵站共计包括如下基本组成：泵站主体的排涝泵站部分、泵站运行配套的引流明渠以及拦河水闸两个组成部分。根据工程所在城市降雨季节排水的基本需求情况，预计建设的排水泵站高峰期每秒的排水量应当达到169m³，且该泵站应当采用竖井泵机。该泵站配套的水闸运营期间需要承担的功能包括排涝以及防洪，为满足水闸修建的基本需求，该水闸除应当满足五级通航的需求外，同时高峰期每秒的排水量应当达到221m³以上[4]。

4.2 截水帷幕

考虑到水闸设施的拦水需求情况，案例工程中采用高压旋喷桩的帷幕作为支护桩外排的桩体，实现拦水的目的。这一类型的桩按照绝对避免渗水以及漏水的标准进行施工时，必须同时避免绕流情况的出现，因此在深度方面该类型桩体的施工深度必须严格控制在24m以内。高压旋喷桩的具体施工工艺应当根据案例所在地区的实际情况确定，并对施工的流程以及施工的环节进行必要的调整。根据案例工程所在区域的条件，以及该工程的设计要求情况，最终确定施工的流程以及要求如以下表1所示。在施工设计方面，该工程的截水帷幕应当分为东西两个区域进行施工，两个区域的具体施工方案应当通过分别勘测、分别实验确定，两侧的施工方案无需完全一致。在进行桩基础施工时，需要采用地质钻机以及双管旋喷桩机两种类型的设备，且现场加工的桩桩芯部分强度应当达到4.7MPa到11.7MPa之间。

表1 设计与施工方案

4.3 排桩与锚索

施工过程中，基坑的支护依然需要采用钢筋混凝土材质的灌注桩，用于支护的桩基础其标定的部分高度应当与钻孔中淤泥的高度保持一致，因此该用于支护的桩长度应当控制在17m，在深度要求方面，桩的底部必须嵌入沙砾层当中，且进入沙砾层的深度应当达到5m。支护完成进行锚索施工时，需要根据桩基础深度的差别确定锚索的排布密度情况。设置锚索时，第一排的锚索应当于桩顶部的梁上，这一排的间距应当在3.5m；第二排以及第三排腰部的锚索则应当采用槽钢，本文案例工程根据相关软件的计算，最终确定倾覆的安全系数Ks为1.783；桩体的稳定系数Ks为3.251；桩顶部的位移与设计值之间差异应当控制在49.93mm之内。满足以上参数则能够达到建筑安全的需求，在锚索的施工方面同时需要考虑到施工环境的影响。

由于本文案例工程的土质属于软塑到流塑类型的土质，因此在锚索的摩阻强度确定方面，应当考虑到安装于淤泥当中的锚索，存在稳定性较差的问题。淤泥的施工环境导致锚索变形的风险相对较高，且能够造成一定程度的预应力损失情况。本文案例当中淤泥部分的摩阻强度取值为1kPa，且淤泥对锚索造成的锚固力能够忽略不计。本文案例施工环境的淤泥下层为沙砾层，砂砾层的厚度为7m到10m左右，砂砾层能够为锚索提供一定的锚固力，以此提升锚索的固定效果。因此在锚索进行固定时，砂砾层当中的固定深度需要较深，一般应当达到20m以上，且应当采用钢绞线作为锚杆的材料。在抗剪强度方面，最终计算本文工程的φ值应当为4。

5.结语

排涝泵机的施工建设以及水闸的施工建设均属于水利工程建设的类型，对水利工程而言，基础建设的重要性更为显著。由于水利工程大都必须在含水量较高且土质较软的环境中进行，因此在基础施工技术不当的情况下，水利建设工程出现整体性沉降、甚至不均匀沉降导致建筑发生开裂的风险均较高。在此情况下，进行排涝泵站以及水闸的施工建设时，必须通过更为有效的基坑支护措施，保障基础部分的稳定性。一般情况下水利工程由于距离集中居住区较远，因此能够采用更为稳固的打入式桩基础进行支护，而工程施工环境不适于打入式施工时，则需要采用能够稳定基坑边缘区域的桩基础，对基坑进行更为有效的保护。