某应急泵站工程基坑围护设计

金成钰

（上海勘测设计研究院，上海，200434）

关键词：应急泵站　场地布置　基坑围护设计

1 工程概述

浙江省某城市新建一座应急泵站，泵站排涝规模为60m³/s，单泵设计流量20m³/s，共3台，为竖井式贯流泵。该泵站位于城区河道旁，基坑宽约28.3m。泵站西侧为一座已建水上节制闸。泵站泵房段基坑平均开挖深度为10.3m，最深处开挖深度为12.3m，出水池段基坑开挖深度为9.05m，根据浙江省规范要求，基坑安全等级均为一级。工程平面布置见图1。

图1 工程平面布置

2 工程难点分析

本工程施工区域位于城区，泵站西侧有一座老闸，距基坑边线最近处约为25m，不具备通车条件。东侧相对开阔，可作为施工通道。施工临建场地布置在东侧空地上。本工程基坑最大开挖深度达12.3m，基坑西侧距老闸距离太近，不具备放坡开挖的可能。由于基坑深度较深，采用西侧悬臂结构东侧放坡开挖的结构形式存在较大风险，不利于对已有老闸的保护，而且东侧放坡开挖土方量大，施工工期较长。

鉴于场地条件、周围环境及工期的要求，本工程基坑开挖拟采取围护措施。根据建筑物布置及建基面高程，基坑围护范围为泵站主泵房两侧及出水池部分区域，主泵房基坑围护范围50m×28.3m，出水池段基坑围护范围长27m，另一侧采用放坡开挖的形式。由于工程安排在一个非汛期内完成主体结构施工，且具备应急条件下通水条件，工期极紧，因此基坑围护工程施工工期的长短，将对后续主体工程的实施产生较大影响。另外，基坑临时围护费用较高，围护结构方案设计合理与否，将直接影响到工程总投资。

3 工程建设场地地质条件

根据地质勘察报告，基坑开挖影响范围内场地土层自上而下组成为：①_-2层素填土；②_-1层淤泥质粉质黏土；②_-2层淤泥质粉质黏土；③层淤泥质粉质黏土；④_-1层淤泥质黏土；④_-2层黏土；④_-3层黏土等。各土层物理力学指标见表1。

4 基坑支护方案设计及比选

选择基坑围护结构形式时，主要考虑以下制约因素：

（1）本工程为防汛应急工程，工期特别紧张，按项目总体进度安排，2014年2月底之前完成泵房段底板混凝土浇筑，2014年7月底泵站具备通水条件。要满足如此紧张的工期要求，围护结构必须结构简单，施工速度快，且能马上投入使用，因此传统的现浇混凝土结构由于施工工序复杂，且混凝土有凝期要求，难以满足本工程进度要求。

（2）本次新建泵站场地狭窄，西侧紧靠已建老闸及现有堤岸，基坑开挖时需保证老闸的安全以及现状堤防的防汛安全，可供利用的场地有限，泵站本身开挖深度大，围护高度高，对围护结构本身的强度有较高要求。

综合考虑以上安全和工期的因素，本次基坑围护对控制工期的泵房段采用双排钢管桩结构形式，钢管桩之间的联系结构也均采用钢结构型式。钢管桩及钢结构均可直接从厂家购买，施工快速、简单，施工完成后能立即投入使用，本身强度高，能满足本工程对于进度及安全的要求。对于出水池段不控制工期的部位，考虑采用钻孔灌注桩围护结构。

基坑开挖时，如果要保留3.75m的现状堤防高程，则开挖深度较大，放坡空间有限，围护结构挡土高度较高，需采用较长的管桩及支撑结构。

如果不考虑保留现状3.75m高程堤防，则能降低开挖深度，增加放坡开挖空间，有效减少围护结构工程量。挖除现状3.75m高程堤防后，为保证防汛安全，需在外侧设置临时防汛墙。

针对以上两种基坑开挖方案，现拟定相应的基坑围护方案。

方案一：保留现状3.75m高程堤防方案

本方案基坑开挖从现状3.75m高程开始，保留3.75m高程堤防。具体结构形式如下：

1）泵房段。从3.75m高程按1∶2放坡至-1.00m高程，形成5m宽平台。外侧施打密排钢管桩，桩径630mm，壁厚16mm，桩中心间距0.83m，桩间净距0.2m，桩长27m。后排施打同样规格的钢管桩，桩中心间距1.66m，桩长19m。排桩顶部均采用双拼槽钢连接形成整体，前后排桩间采用工字钢联系梁结构。前排桩间挂钢筋网，喷10cm厚混凝土保护，防止土体漏出。

为了减少桩顶位移，设置一道钢管对撑，采用直径609mm的钢管，中心线高程-1.50m。集水井深挖部位7.2m范围内，增加一道钢管支撑。对撑钢管间距5m，沿基坑中心线设一排立柱，基础采用φ800钢筋混凝土钻孔灌注桩，在其上插钢结构格构柱。

为了不影响基坑内工程桩的施工，泵房段基坑开挖分两期进行。一期先将双排钢管桩及连接结构施工完成，不加撑开挖至-4.55m，再施打基坑内工程桩，待工程桩施打完成后，加钢管对撑结构，再将基坑开挖至设计底高程-6.55m。

方案一泵房段基坑围护断面如图2所示。

图2 方案一泵房段基坑围护断面图

2）出水池段。从3.75m高程按1∶2放坡至0.00m高程，形成4m宽平台。外侧施打密排钻孔灌注桩，桩外侧距离永久翼墙底板1m。灌注桩直径800mm，中心间距1m，桩长25m。后排间距2m，施工一排直径800mm钻孔灌注桩，桩长20m。桩顶设置钢筋混凝土冠梁，宽1m，高0.8m，前后排桩之间采用钢筋混凝土联系梁，间隔2m，如图3所示。

图3 方案一出水池段基坑围护断面图

方案二：不保留现状3.75m高程堤防方案。

1）泵房段。先整体将现状地面挖平至2.65m高程，再以1∶2的边坡放坡开挖至-1.00m高程，设置2m宽马道，再以1∶4边坡放坡开挖至-3.00m高程，形成宽10m的平台，平台外侧施打密排钢管桩，桩径630mm，壁厚16mm，桩中心间距0.83m，桩间净距0.2m，桩长27m。后排施打同样规格的钢管桩，桩中心间距1.66m，桩长19m。桩顶连接结构及前后排联系梁结构与方案一相同。前排桩间同样采用挂钢丝网并喷混凝土的形式保护。本方案经计算不设对撑可以满足要求，基坑一次性开挖至设计高程。其围护断面如图4所示。

图4 方案二泵房段基坑围护断面图

2）出水池段。现状地面整体挖平至2.65m高程，再以1∶2的边坡放坡开挖至-1.00m高程，设置2m宽马道，再以1∶4边坡放坡开挖至-3.30m高程，形成6.9m宽平台。平台外侧施打一排密排钢管桩，桩径630mm，壁厚16mm，桩中心间距0.83m，桩间净距0.2m，桩长27m。桩顶采用双拼槽钢连接，桩间采用挂钢丝网并喷混凝土的形式保护。其围护断面如图5所示。

经测算，方案一的投资为1119.97万元，方案二的投资为758.56万元。方案二比方案一主体结构多开挖土方量约为2.1万m³，投资约132.30万元，综合比较，方案一比方案二投资多229.11万元。

图5 方案二出水池段基坑围护断面图

方案一基坑开挖深，放坡空间受限制，围护结构挡土高度较高，需采用对撑结构，围护结构工程量大，对撑结构对后期底板浇筑施工有干扰。但本方案保留了现状3.75m高程堤防，不影响防汛安全，且墙后位移及沉降均较小，对现状外侧防汛墙影响小，施工期防汛安全有保障。

方案二增加了放坡空间，围护结构挡土高度减小，不需对撑，工程量比方案一小，且不影响后期底板混凝土浇筑施工。但本方案挖除现状3.75m高程堤防，且计算桩体位移及地面沉降量均超出规范要求，对施工期防汛安全不利。基坑开挖放坡至现状防汛墙后，保留堤顶宽度最小仅3m，施工期存在渗透稳定问题，需采取防渗措施。

综合以上分析，鉴于本工程为防汛应急工程，工期紧张，工程重要，为保证工程施工期防汛安全以及按时完工，本次选择方案一为推荐的基坑围护方案。

5 结构稳定计算

5.1 整体稳定计算

泵房段及出水池段整体稳定按最不利工况进行计算，工况组合均为：基坑开挖完毕，基坑内无水，桩前水位为地下水位，基坑外侧考虑施工荷载20kPa。

稳定分析采用瑞典条分法，计算公式采用式（1），按总应力法进行计算。计算过程中忽略渗透水压力和孔隙水压力的作用。

经计算，泵房段基坑整体稳定安全系数为1.315，大于1.3，出水池段基坑整体稳定安全系数为1.303，大于1.3，均满足规范要求。

5.2 抗隆起计算

对基坑开挖完成后坑底采用Prandtl（普朗德尔）公式进行抗隆起计算。基坑等级为一级，工况组合同整体稳定计算工况，按式（2）进行计算，即

经计算，泵房段坑底抗隆起安全系数为2.559，大于2.0，出水池段坑底抗隆起安全系数为2.245，大于2.0，均满足规范要求。

5.3 内力、位移及沉降计算

根据浙江省《建筑基坑工程技术规程》，基坑开挖深度H＞8m，属于一级基坑。本工程基坑平均开挖深度均大于8m，属一级基坑。根据周围环境保护要求，确定基坑环境保护等级为二级，围护结构桩体允许最大水平位移为0.3%H，基坑外侧地表允许最大沉降为0.25%H。由计算成果知，泵房段桩体最大水平位移为28.75mm，小于30.75mm，基坑外侧地表最大沉降为22mm，小于25.63mm；出水池段桩体最大水平位移为19.24mm，小于24mm，基坑外侧地表最大沉降为18mm，小于20mm，均满足本工程设计位移及沉降要求。

经计算，泵房段围护结构最大弯矩为448.37kN·m，最大剪力为112.12kN；出水池段围护结构最大弯矩为409.32kN·m，最大剪力为115.23kN，满足桩体抗弯及抗剪强度设计要求。

综上所述，本工程采用的基坑支护方案能满足基坑稳定安全。

6 结语

该泵站基础部分已顺利完成。这种刚性结构连接体的设计思路为整个基坑的开挖和上部结构的施工节省了时间，为应急泵站工程能够在台汛期来临之前达到应急通水条件打下了坚实的基础。底板的顺利浇筑标志着此种设计方案的成功，为未来的应急工程基坑围护设计提供了一种新的设计思路。

参考文献

［1］浙江省《建筑基坑工程技术规程》（DB33/T 1008—2000）.

［2］上海市《基坑工程技术规范》（DG/TJ 08—61—2010）.