复杂地质条件下基坑支护设计—滇中引水何官营倒虹吸.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER84第 40卷第 2期0 引言 当基坑不同部位的周边环境条件、土层形状、基坑深度等不同时，可在不同部位分别采用不同的支护形式1。实际工程中由于基坑开挖，引起的围护结构变形过大从而使得地表变形显著的情况屡见不鲜。因此，合理的基坑开挖和支护形式对确保基坑及其周边建筑物的稳定性至关重要2。在进行基坑支护设计时，应结合周围环境特点，采用多种不同的支护型式3，是适用于基坑的新型临时支护形式，经由振动锤或打桩机持续击打复杂地质条件下基坑支护设计滇中引水何官营倒虹吸梅德波1，李春雁2，陈忠润3（1.云南省水利水电勘测设计院有限公司，云南昆明650021；2.云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明650000；3.云南能源职业技术学院，云南曲靖655000）摘要：何官营倒虹吸全长 1 186 m，采用回填埋管形式，倒虹吸后段 158 m 长的管道置于饱和粉砂土层中，地下水位浅，地基存在地震液化问题，且该段线路途径东城村，周边部分房屋距离开挖基坑不足 20 m，基坑开挖面临饱和粉砂土开挖边坡稳定，施工期地下水位下降，从而影响周边房屋地基稳定。为确保施工期基坑稳定和两侧房屋安全，设计将基坑防渗与支护相结合，经过方案比选后选用钢板桩支护形式。主要介绍了何官营倒虹吸钢板桩支护设计方案比选和结构结算成果。关键词：饱和粉砂土；基坑支护；钢板桩；防渗中图分类号：TV223.2+2文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0084-06DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.021Design of Foundation Pit Support under Complex Geological Conditions-Taking Heguanying Inverted Siphon of Water Diversion Project in Central Yunnan as an ExampleMEI Debo1,LI Chunyan2,CHEN Zhongrun3(1.Yunnan Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Kunming 650021,China;2.Yunnan Institute of Water&Hydropower Engineering Investigation,Design and Research,Kunming 650000,China;3.Yunnan Vocational Institute of Energy Technology,Qujing 655000,China)Abstract:The total length of the Heguanying inverted siphon is 1 186 m,using a backfill buried pipe form.The 158 m long pipeline behind the inverted siphon is placed in a saturated sandy soil layer,with a shallow groundwater level and seismic liquefaction issues in the foundation.And this section of the route passes through Dongcheng Village,with some surrounding houses less than 20 meters away from the excavation pit.The excavation of the foundation pit faces the stability of the saturated sandy soil excavation slope,and the groundwater level drops during the construction period,which affects the stability of the surrounding building foundation.To ensure the stability of the foundation pit and the safety of buildings on both sides during the construction period,the design combines anti-seepage and support of the foundation pit.After scheme comparison,steel sheet pile support form is selected.This paper mainly introduces the design scheme comparison and structural settlement results of Heguanying inverted siphon steel sheet pile support.Keywords:saturated sandy soil;excavation support;steel sheet piles;seepage prevention收稿日期：2023-01-06作者简介：梅德波（1980-），男，云南昭通人，高级工程师，主要从事水利工程设计工作。*梅德波，李春雁，陈忠润 复杂地质条件下基坑支护设计滇中引水何官营倒虹吸85嵌入土体的连续板墙4。拉森钢板桩是一种整体性和防水性优异的新型结构形式，集防渗和支护于一体，在水利工程、地下管道、民用工程、公路桥梁等工程中应用广泛5。陈强6、樊佳琪等人，在基坑开挖中，通过钢板桩咬合嵌固在土体中形成止水帷幕，解决了空间受限、水量丰富地区的基坑施工问题。拉森钢板桩具有止水作用，可有效防止基坑外地下水渗入基坑内，对基坑周边环境影响小，且能够保证基坑内作业环境7。何官营倒虹吸地质条件复杂，地下水位较浅，且基坑边坡紧邻民房开挖空间受限，为确保施工期基坑工程及周边环境的安全，对何官营倒虹吸基坑支护设计进行研究，提出钢板桩支护设计方案，解决饱和粉砂土层中基坑边坡稳定及基坑防渗问题。1 工程概况滇中引水工程是国务院确定的 172 项节水供水重大水利工程中的标志性工程8，滇中引水工程由石鼓水源工程和输水工程组成，受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪及红河。玉溪段输水总干渠起点为昆明新庄，末点为玉溪市与红河州分界的曲江，沿线经过昆明市晋宁县、玉溪市江川县及通海县。何官营倒虹吸位于玉溪市通海县河西镇何官营村附近，前接大塘子隧洞，后接螺峰山隧洞，倒虹吸总长 1 186 m，包括大塘子隧洞出口工作闸（兼事故闸）段、分（退）水渠连接段、节制闸段、进水池、管身段（长 1 128 m）、出水池及出口连接段，输水管道管径为 2.9 m。倒虹吸管身采用钢管外包钢筋混凝土回填埋管下穿农田及村道，回填埋管采用钢管外包钢筋混凝土设计9。何官营倒虹吸进口接大塘子隧洞，出口接螺峰山隧洞。倒虹吸南北向横跨通海盆地，中间穿越东西向的玉（溪）通（海）二及公路及三级公路、红旗河及 3 个村庄。倒虹吸过通海盆地段，分布深厚的粉质黏土、淤泥质黏土、粉砂等软弱土层，地下水位埋深较浅。倒虹吸后段 158 m 穿过东城村，管道置于饱和粉砂土层中，最大厚度超过 80 m，土层渗透系数 110-3 cm/s 510-3 cm/s，为中等透水层，基坑开挖多处于地下水位以下，存在基坑涌水问题。且地基土 158 m 存在中等严重地震液化问题，经砂土液化判别 28 m 段为中等液化，130 m 为严重液化10。倒虹吸管线后段途径东城村，管槽基坑距两侧部分房屋不足 20 m，基坑置于厚饱和粉砂土层中，为中度重度地震液化区，该段地下水位较浅，距离地表 0.5 1 m，地基透水性和压缩能力较强。倒虹吸管线后段基坑距离两侧民房较近，且该段地下水位较浅，施工期基坑容易造成地下水位下降，从而影响周边房屋地基稳定，采取何种开挖支护措施，确保基坑施工期周边民房的安全和正常使用，基坑安全施工亟需解决。2 基坑支护方案选择浅埋地下建筑采取何种施工方法对结构型式的确定和土建工程造价有着决定性影响。施工方法的选定，一方面受沿线工程地质、水文地质、周边环境条件（地面筑物的现状、地面交通状况）等多种因素的制约，同时也会对工程的难易程度、工期、造价、运行安全性等产生直接的影响。目前，国内比较成熟的施工方法主要有明挖法、暗挖法（矿山法、盾构法）。明挖法施工具有施工简单、速度快、造价较低的优点，一般适用于场地较为开阔、线路埋深较浅的地段，要求该段地面建筑和地下管线较少，无高等级道路、铁路交叉的建筑工程。何官营倒虹吸基坑开挖，经方案比选后选用明挖法施工。综合考虑基坑周边环境和地质条件的复杂程度、基坑深度等因素，该工程基坑支护结构的安全等级为二级。基坑开挖支护设计是工程顺利实施及安全施工的基础，应遵循“安全可靠、经济合理、技术先行、方便施工”确保基坑工程及周边环境的安全。何官营倒虹吸途径东城村段基坑深度为 6.5 m，此类基坑目前常用的基坑支护类型有放坡、重力式水泥土墙、土钉墙、支档式结构。放坡开挖需要较大的工作面11，在条件允许的情况下，对于深度才 6.5 m 的基坑，是一个不错的选择，根据经验选择适合边坡放坡开挖形式，经计算在饱和粉砂层地基中，各工况下开挖边坡抗滑稳定安全系数均不满足规范要求，而且放坡开挖将影响沿线距离基坑较近的房屋。因此此基坑支护方案不考虑放坡开挖。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，该基坑不适合这种支护形式。该段基坑地下水位86云南水力发电2024 年第 2 期较浅，也不适合采用土钉墙支护。由于何官营倒虹吸途径东城村段管槽基坑有防渗要求，结合工程特点，防渗措施可采用高压旋喷防渗墙、现浇混凝土防渗墙或设置双层钢板桩支护防渗12。高压旋喷防渗墙设计压力可达20 MPa 以上，线路紧挨耕地周边部分房屋距离开基坑不足 20 m，地下高压注浆施工易产生地面抬动威胁民房安全且易造成周边耕地固结，且费用较高。现浇混凝土防渗墙施工工艺复杂且同样费用较高，双层钢板桩施工工艺简单，既加强了基坑支护，可起到一定的防渗作用又可重复利用，费用相对较低，因此推荐采用双层钢板桩支护防渗。钢板桩支护，依靠钢板桩锁扣相互咬合连接形成整体刚性止水帷幕，从而切断水渗透路径，可以极大减少流入基坑内的水量，避免基坑开挖导致地下水位下降，从而导致周围民房的地基沉降13。因此，拟采用双层钢板桩支护，内侧钢板桩采用 SP-IV，主要用于基坑支护；外侧钢板桩采用 SP-II，主要功能为防渗，防止基坑外地下水位下降较多造成房屋沉降。3 钢板桩支护计算3.1 计算说明计算目的：通过计算，分析计算何官营倒虹吸饱和粉砂土层中地基基坑采用钢板桩支护结构不同工况下内力情况，选取合理的钢板桩型号、长度、支撑体系，复核钢板桩强度、支撑杆强度，变形位移量，并进行基坑抗隆起验算。计算方法：计算采用计算机辅助设计系统“GEO5-深基坑支护结构分析模块”进行计算。主要计算内容为深基坑支护结构分析，根据基坑施工过程中不同工序工况荷载组合，合理考虑各荷载的计算及参数取值，根据内力计算复核所选钢板桩、横向支撑型号及强度是否满足荷载要求。计算基坑抗隆起稳定性，复核钢板桩嵌固深度是否满足规范要求。3.2 计算基础资料3.2.1 地质参数选取由于倒虹吸基础为淤泥质黏土不满足承载力要求，管槽底部设计采用了 5 排水泥土搅拌桩对基础进行加固，管槽外侧 0.85 m 处设 1 排700 mm水泥土搅拌桩，间距 1.5 m。槽挖施工；管槽基础顺管轴线方向对称布置 3 排700 mm 水泥土搅拌桩，间距 1.5 m，排距 1.3 m，呈梅花型布置，水泥土搅拌桩桩底深度为管槽基础以下 8 m，桩顶高程为管槽基础底面。桩基部分按照 地基处理手册14公式 2-22、2-23 进行换算，桩基层地基物理力学指标参数计算如下。Cc=Cs（1-m）+mCp （1）tanc=tans（1-m）+mtanp （2）式中：Cc复合土体内聚力；c复合土体内摩擦角；Cs，Cp桩间土和桩体的内聚力；m复合地基置换率；s，p桩间土体和桩体的内摩擦角。桩基层土物理力学指标参数见表 1。管槽基础土层自上而下为：粉质黏土，层厚约为 4 m；中间层为含螺蛳壳淤泥质黏土，层厚约为 2.5 m，下层为淤泥质黏土层，层厚约为表1 桩基层土物理力学指标参数计算表复合地基粘聚力Cc/kPa桩间土内聚力Cs/kPa桩体内聚力Cp/kPa复合地基内摩擦角c/桩间土内摩擦角s/桩体内摩擦角p/复合地基置换率m/21.1510033.55450.169表 2 基坑支护计算土层物理力学指标表土层号土名天然重度/（kN/m3）内聚力 c/kPa 内摩擦角/建议值取值建议值取值建议值取值1粉质黏土15 17165 10812 15142含螺蛳壳淤泥质黏土14 15143 553 553水泥土搅拌桩层淤泥质黏土1610124淤泥质黏土14 15143 553 5570 110 m，中间局部夹粉土、粉质黏土及螺蛳壳层。倒虹吸管槽基础大部分位于螺蛳壳层和粉质黏土层，局部段位于淤泥质黏土层。淤泥质黏土层为最软土层，计算选取基础位于淤泥质黏土层断面。基坑支护计算土层物理力学指标见表 2。3.2.2 计算断面及简图施工期基坑支护结构计算断面见图 1。梅德波，李春雁，陈忠润 复杂地质条件下基坑支护设计滇中引水何官营倒虹吸87管槽开挖为窄深式，两侧对称，简化为单侧进行计算，按照深基坑+内撑结构计算，支护结构计算简图见图 2。工安装钢管前拆除第 2 道内撑。3.2.4 设计参数钢板桩采用 SP-型拉森钢板桩，基坑内钢板桩间内撑采用 DN219 钢管（壁厚 10 mm），基坑内撑的特征参数见表 3。表 3 钢板桩设计特征参数表m项目数量备注基坑深度6.5内撑 1 水平间距4距桩顶 1.5 m内撑 2 水平间距1距桩顶 3.5 m内撑 3 水平间距1管槽开挖底部，距桩顶 6.5 m3.3 计算内容3.3.1 钢板桩施工方案选择选取 2 种施工方案进行对比，方案一：钢板桩实施完成后逐步挖深并逐级设置内撑，挖至基底后施工内撑 3 拆除内撑 2；方案二：钢板桩实施完成后设置内撑 1 并一次性挖至基底。并分别对方案一、方案二进行内力计算分析。方案一：根据施工程序划分不同的工况对各施工过程进行逐一计算，经计算基坑开挖至基底后施工内撑 3 拆除内撑 2，为控制性工况，最大位移为-10.4 mm，每延米最大弯矩为 58.3 kN/m，每延米最大剪力为 196.4 kN/m。方案二：钢板桩实施完成后设置内撑 1 并一次性挖至基底，钢板桩最大位移 284 mm。结论：方案一采用分级开挖，逐级内撑的支护方式，钢板桩抗弯承载力满足要求。方案二钢板桩抗弯承载力不满足要求。因此采用方案一，即：钢板桩实施完成后逐步挖深并逐级设置内撑，挖至基底后施工内撑 3 拆除内撑 2。3.3.2 整体稳定计算对基坑整体稳定进行计算，其滑出面已超出基坑宽度，不会产生整体滑动。3.3.3 抗倾覆稳定性计算根据基坑支护的特点，基坑有可能绕最底部支撑或锚固拉点形成踢脚破坏，为防止踢脚破坏，对基坑开挖的各步骤进行抗倾覆稳定分析，计算结果显示最小抗倾覆稳定安全系数为 2.056，出现在基坑开挖至基坑底部，尚未安装内撑 3 时，最小抗倾覆稳定安全系数大于 1.25，满足规范要求。3.3.4 基坑底部隆起计算根据 JGJ 120-2012建筑基坑支护技术规程?图 1 基坑支护结构计算断面图mm3.2.3 钢板桩施工工序钢板桩支护基坑施工工序：钢板桩施工开挖管槽深 2 m 施工第 1 道内撑开挖至 4 m 槽?图2 支护结构计算简图m深施工第 2 道内撑开挖至 6.5 m 基底施工第3 道内撑碎块石垫层施工 C15 素混凝土垫层施88云南水力发电2024 年第 2 期规定，计算基坑底部抗隆起稳定性，对最不利控制性工况进行计算，基坑底部最小抗隆起安全系数为 5.45，满足规范不小于 1.9 的要求。管槽开挖基坑不会产生隆起破坏。3.3.5 内支撑强度计算采用最不利控制性工况，对内撑进行内支撑 受 力 计 算，经 计 算 采 用 DN219 钢 管（壁 厚10 mm）作为内支撑，抗弯、抗剪强度满足要求。3.3.6 嵌固深度复核对钢板桩嵌固深度复核，钢板桩长 12 m，嵌入地基 5.5 m，经复核满足规范要求。4 基坑支护设计何官营倒虹吸后段 158 m 途径东城村，线路周边部分房屋距离开挖基坑不足 20 m。为确保基坑稳定和两侧房屋安全，将基坑防渗设施与管槽临时支护相结合，临近房屋的一侧设置双层钢板桩支护，钢板桩排距 2 m，非临近房屋侧为单层钢板桩支护。基础采用振冲碎石桩处理，钢管外包钢筋混凝土方案。基坑开挖支护断面详见图 3。SP-IV拉森钢板桩作为直挖管槽段临时支护，支护深度 12 m。钢板轴线外侧 1.3 m 和 3.3 m 处各设 1 排800 mm 振冲碎石桩，间排距 2 m，梅?图 3 基坑开挖支护剖面图mm花型布置。管槽基础顺管轴线方向对称布置 3 排800 mm 振冲碎石桩，间距 2 m 排距 1.2 m，梅花型布置。管基采用 10 cm 厚 C15 素混凝土垫层，下铺 50 cm 厚碎石垫层。振冲碎石桩处理深度至可液化范围底界，包管混凝土厚 60 cm。钢管壁厚12 mm，设加劲环，环高 200 mm，间距 8 m。包管上部回填开挖料至原地面，地表以下 0.5 m 范围内恢复耕作层。振冲碎石桩与钢板桩位置见图 4。梅德波，李春雁，陈忠润 复杂地质条件下基坑支护设计滇中引水何官营倒虹吸89为提高管槽支护整体强度，管槽支护采用的横向内撑及纵向支撑型式补强，分别于地表以下 1.5 m处、3.5 m处和管槽底部，设置DN219钢管（壁厚 10 mm）作为横向内撑，上部内撑间距 4 m，中?图 4 振冲碎石桩与钢板桩布置图mm部和下部内撑间距 1 m，并采用 25a 号槽钢作为钢板桩纵向刚度补强措施。槽钢沿管槽轴向方向水平布置，内撑钢管顶于槽钢腰部，依靠内撑钢管与钢板桩间的轴向压应力固定。其中上部、中部内撑与槽钢可随工作面推进重复利用。钢板桩基坑支护段在混凝土浇筑前需在钢板桩和混凝土之间敷设彩条布，施工过程中采取必要的防护措施，保证混凝土包管施工完成后钢板桩能拔出。5 施工注意事项1）钢板桩施工完成后，管槽方可进行分层开挖；应按规定的施工工序分层开挖。2）未达到设计规定的拆除内撑条件时，严禁拆除内撑。3）管槽分段施工，施工材料、开挖渣料堆放在相邻槽段，不得堆放在已开挖管槽两侧。开挖过程中应加强管槽变形观测，及时增加横撑。4）施工期间对钢板桩应力、应变进行监测，监测数据异常并有继续增长趋势时，立刻停止施工并采取加固措施15。6 结束语1）粉砂层地震液化段基坑采用钢板桩支护垂直开挖支护方案，不仅能提高开挖基坑稳定性，还能减少开挖量。2）通过多方案比选及计算，该工程拟定多横撑钢板桩支护解决倒虹吸饱和砂土基坑槽挖支护问题，为何官营倒虹吸实施提供技术支持。3）基坑支护施工中，应根据应力、应变的监测数据动态控制施工，形成设计、施工正反馈机制，对监测数据进行分析，掌握基坑动态及其规律性，为基坑支护进行日常动态化管理提供科学依据。参考文献：1JGJ 120-2012 建筑基坑支护技术规程S.2赵斌混合支护下深基坑开挖引起的近接建筑物稳定性分析J.人民长江，2021，52（增 1）:281-286+3083曾宝珍.特殊地段分洪箱涵基坑支护设计分析J.陕西水利，2022，（2）:141-144.4 肖登峰.拉森钢板桩在市政基坑支护中的运用分析 J.福建建筑，2020,（10）:91-95.5丁宝福.浅叙穿玉田渠倒虹吸工程深基坑边坡支护方案J.水利科技，2013,（3）:51-53+71.6陈强，范佳琪，康凯.放坡与钢板桩止水帷幕组合开挖施工工艺研究J.人民黄河，2022,44（S1）:233-234.7刘龙江，尹晔，徐建平.拉森钢板桩基坑支护在淤泥质土层中的应用J.公路交通科技，2013,（6）:144-146.8王和芬，张家锐，胡明勇，等.大断面高埋深暗涵安全监测设计浅析：以云南省滇中引水工程为例 J.人民长江，2020，51（S1）:165-168.9云南省水利水电勘测设计研究院.滇中引水工程玉溪段：工程布置与建筑物布置R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2018.10云南省水利水电勘测设计研究院.滇中引水工程玉溪段：工程地质R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2018.11杨小龙，韩雪丹，朱国金，等.滇中引水工程龙泉倒虹吸盾构接收井围护结构设计J.水利规划与设计，2019,（2）:131-135.12云南省水利水电勘测设计研究院.滇中引水工程玉溪段：施工组织设计 R.昆明:云南省水利水电勘测设计研究院，2018.13云南省水利水电勘测设计院.滇中引水工程玉溪段：何官营倒虹吸设计变更报告 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