滨海软土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析.pdf

第1 1 卷 第4 期 中国水利水电科学研究院学报 V 。 1 ． 1 1 N o ．4 2 0 1 3 ~ 1 2 fl J o u r n a l o f C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r R e s e a r c h D e c e b e r , 2 0 1 3 文章编号 ： 1 6 7 2 — 3 0 3 1 ( 2 0 1 3 ) 0 4 — 0 3 1 4 — 0 5 滨海软 土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析 秦 景1 ，赵 云。 ，路 威 ， 李 凡 ( 1 ． 中国水利水 电科学研究院 工程设计研究中心 ，北京 1 0 0 0 4 8 ； 2 ． 中核集 团 三 门核 电有限公司 ，浙江 三门 3 1 7 1 1 2 ) 摘要 ：以三门核 电站一 、二期排水箱涵深基坑工程为例 ，介绍了滨海软土区深基坑工程 中桩锚 、内支撑及 重力式 挡墙不同支护结构组合 的设计应用及基坑开挖过程 中关键施工措施。结果表明：组合支护结构设计满足了基坑 的 安全开挖 ，人工岛的设计有效地解决了施工运输难题 ，且达到 了支护 、止水和挡土效应 。支护设计 中采用的支护 系统与箱涵构筑物基桩相结合 的方式 ，即在基桩 间施 打旋喷搭接短桩 ，有效地解决 了支护桩被动土压力不足和基 桩工程质量有效控制等技术难题 。本文建议 ，在进行 大范 围软土深基坑支护及地基 处理 时，设计与施工应密切结 合 ，实 现既安全又经济的合用结构设计 。 关键词 ：滨海软土区 ；深基坑 ；基坑支护 ；地基处理 中图分类号：T U 4 7 6 文献标识码 ：A 1 研究背景 随着我 国城市建设 的发展 ，软土地区的深基坑工程设计与施工面临越来越复杂的环境条件 ，基 坑施工对环境影响的控制要求也越来越严格 ，基坑工程已进入 以变形控制设计与施工为主的时代⋯。 当前 ，各种基坑支护结构型式不断涌现 ，放坡支护 、土钉墙支护 、钢板桩支护 、重力挡墙支护 、混 凝土内支撑梁支护 、锚杆锚拉式钻孔灌注排桩支护等。但软土地区的基坑支护 。 ，一直是土木工程 界和岩土工程界的难题 ，尤其是滨海地区的软土地层基坑支护 ，对于工程建设者更是一大难题 。 本箱涵工程基坑设计底标高一 8 ． 1 m，设计埋深达到 2 0 m以上 ，沿线 7 0 ％以上处于深厚软基 区，且 地下水位高 。通过不同支护结构的组合及施工过程 中的技术控制 ，实现 了基坑的安全开挖和施工方 便 ，可为于类似工程提供参考。 2 工程概述 2 ． 1 工程概况三 门核 电工程采用美 国西屋公司开发的第三代核电技术 A P 1 0 0 0 ，规划建设 6 台 1 2 5 万 k W 的核电机组 ，总装机容量 7 5 0 万 k W。三门核电厂址位于健跳镇东北的猫头山嘴半岛上 ，濒临 三 门湾 ，北 、东、南三面环海 ，西面靠山。厂区南北海域有海涂滩地 ，自2 0 0 1 --2 0 0 5 年 ，进行 了地 基处理及开 山石预压 ，回填厚度 5 - 7 m，现场地 回填标高为 9 ．7 ～ 1 1 ．7 m 。三门核电一 、二期排水箱涵 位 于 1 、2 机组南侧 ，每台机组设置双孔方涵 ，有 2 条循环冷却水排水管引出进入循环水排水箱涵 ， 单孔截面设计 尺寸为 4 mx 4 m。其 中2 箱涵长 1 8 5 m，4 箱涵长 2 5 0 m，6 箱涵长 2 0 2 m，8 箱涵长 1 1 3 m， 然后分成南北两支4 箱涵 ，各长9 6 m和 1 8 6 m，一期4 箱涵总长约 8 5 0 m，二期 4 箱涵约长 5 0 1 m。 2 ． 2 场地条件根据地质详勘资料 ，在 1 虹吸井 、2 虹吸井之间以及在 4 虹吸井以东一段为基岩出露 区。其它区域基岩埋深较大 ，一般深于一 2 0 m标高。总体上看 ，沿箱涵轴线 ，东西两端基岩区埋深 浅 ，中间深；且箱涵基坑北侧 、南侧基岩面高低及淤泥层薄厚均有变化 ，且有相互转变的特点。 箱涵段地层简述如下 ：( 1 ) 回填石层 ，标高 自O m至+ 8 ～ + 1 2 m，厚度最大 1 2 ． 9 m，均匀性差 ，最 收稿 日期 ：2 0 1 3 - 0 1 - 0 7 作者简介 ：秦景 ( 1 9 8 4 - ) ，男 ，江苏宿迁人 ，工程师 ，博士 ，主要从事岩土工程设计工作。E - ma i l ：q i n j i n g @i w h r ．c o rn 一 31 4 — 滨海软土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析秦景 赵 云 路威李 凡 大粒径大于 5 0 0 ram，石质坚硬 ；( 2 ) 淤泥质黏土 ，层厚 0 ． 5 0 ～ 1 1 ． 4 0 m，层底标高为一 1 3 ． 8 1 0 ． 9 7 m，箱 涵大部分段坐落于此层 中；( 3 ) 黏土层 ，厚度随基岩埋深而加大 ，厚度 2 ． 8 ～ 2 8 ． 7 m；( 4 ) 粉质黏土混角 砾 ，厚度 0 ． 5 ～ 7 ． 5 m，位于风化基岩之上 。 图 1三 门 核 电 站 一 、二 期 排水 箱 涵平 面 布 置 2 ． 3工程 难点 ( 1 ) 基坑深度大。箱涵基底要求开挖至一 8 ． 1 m标高 ，厂 区场坪在+ 1 1 ． O m左右 ，基坑深度近 2 0 m。 1 和2 虹吸井基坑底标高为一 1 1 ． 7 m，局部需开挖至基岩面，换填至一 1 5 ． O m，基坑最大深度 2 6 m。 ( 2 ) 地层条件复杂。在基岩之上 、回填石层下为较厚的淤泥质黏土及粉质黏土地层 ，主要集 中在 沿线中部。淤泥质黏土层厚呈北薄南厚状态 ，平均厚度 1 0 ． 4 2 m，该层呈软塑状态 。下部 的黏土层厚 度大 ，为可塑状态。 ( 3 ) 地下水位高 。厂区南护堤地段设置了隔水帷幕 ，根据对南 回填 区水井地下水位观测结 果可 知 ，排水沟场地地下水与海水无联系 ，地下水位埋深 6 ． 2 8 ～ 8 ． 8 9 m，标高 0 ． 8 3 ～ 3 ． 8 2 m。由于南 回填区施 工时设置了排水闸门，水位标高最低可排至+ 1 ． O O m，平均水位距基坑底部仍有近 l O m高 ，必须设置 止水帷幕。 ( 4 ) 结构外形特殊 。该工程工作面宽广 ，开挖线路长，工程量大 ，工期长，一旦开挖对厂 区总平 和道路 布置 等均有 较 大 的影 响。 ( 5 ) 基坑所受侧 向荷载大。淤泥质黏土以上回填石层厚度最大 1 1 ． 5 9 m，将对基坑侧壁造成较大的 侧压。 3 排水箱涵基坑支护方案 3 ． 1 支护类型 以2 虹吸井为界 ，以西地 区称为西区 ，基岩浅埋区。以东区域基岩埋深大 ，两套地 层条件 ，两种不同的支护形式。排水箱涵基坑支护的类型如表 1 所示。箱涵西区采用钢筋混凝土灌注 排桩+ 锚索+ 锚桩的边坡支护结构体系。外侧锚桩桩径 1 m，桩间距 1 ． 8 m，支护桩桩间充填直径 1 ． 0 m的 一 31 5 — 滨海软土区排水箱涵深基 坑工程设计及施工技术分析 秦 景 赵 云 路威 李 凡 旋喷桩 ，使其起到阻水及保 护桩间土作用 。基坑边侧支护桩设置三层锚索 ，顶层为水平钢筋拉锚 ， 与锚桩对拉 ，下2 层为斜拉钢绞线( 7 ( b 5 ) 锚索 。西区支护桩全部为嵌岩桩 ，而东部基岩深埋区 ，在桩 后淤 泥质 地层 中进行 深层搅 拌 ，深搅 桩范 围在 两排 桩间 ，双排 桩 中心距 离为 1 0 ． 1 m。 3 ． 2 施工技 术措 施 ( 1 ) 回填石层的开挖与放坡 。进行排水箱涵基坑支护 ，首先分段对上部回填石层进行开挖 ，各段 回填石层开挖宽度见表 2 ，开挖宽度指基坑两侧 回填石顶面+ 1 2 ． O m标高 的开挖线间距离 。回填石层 以 1 ： 1 坡度开挖至+ 3 ． O m进行条块换填 ，在此标高面上进行防渗帷幕桩 ( 兼作外侧支护桩) 、支护桩、 深 搅桩 的施 工 。 表 1 基坑支护类 型的选取 分区 地层特点 支护形式 基岩埋深 0 — 1 7 m， 钢筋混凝土支护桩+ 锚索支 西 区 下部为厚度不大 的 护系统 ，桩间旋喷桩防渗。 黏土层 、粉质黏土层坑 内进行旋喷桩地基加固。 ⋯． 一 基岩埋深小 于 回填层 1 ： 1 ～ 1 ： 1 ．5 放坡 ， 标 高0 m 基岩 1 ： 0 ． 3 ～ 0 ．5 放坡开挖 。 基岩埋深一 1 7 - - 3 8 m。 两层内支撑支护 系统 ， 东区淤泥质地层深厚 ，下伏 支护桩间旋 喷桩 防渗 ； 为较厚的粉质黏土层 旋喷桩基坑 内加 固。 表 2 箱 涵回填石层开挖宽度表 所在位置长度， m 最大开挖宽度， m 基岩埋 深 ( 2 ) 坑内地基加固。基槽 内的地基进行旋喷桩加固处理 ，即在一 8 ． 1 m标高基坑 内布置旋喷桩 ，桩体 = 2 MP a ，复合地基承载力． 3 5 0 k P a 。淤泥质黏土加固后复合地基力学参数取 C = 8 0 k P a ， = 2 0 o 计 算 ，加固深度以复合地基达到承载力要求为准 ，通过支护系统的抗滑 、抗倾覆及整体稳定计算 ，要求 旋喷桩桩长最短为 l O m，实际桩长穿透淤泥质黏土进人下伏地层满足承载力要求 ，长度大于 1 2 m。 ( 3 ) 人工 岛( 运输通道) 布置。因箱涵基坑狭长且深度深 、内支撑支护型式下渣土及施工机具的垂 直运输效率较低 ，本设计采用内支撑型式下的水平运输方式 ，为此在4 箱涵和6 箱涵的过渡段布置人 工 岛，如图2 和图 3 所示。在基坑 内部进行深搅加 固，槽 内道路深搅桩桩底标高一 8 ． 1 m，桩顶标高最 高为一 1 ． 1 m，桩距 0 ． 8 m。人工岛南北侧基坑支护采用重力挡墙型式，同时对人工岛的南北侧和东侧采 用帷幕旋喷桩进行止水 ，桩长 6 m，桩径 1 m，桩距 0 ． 9 m。采用人工岛水平出土道路布置很好解决了内 支撑垂 直运输效率低 的难题 ，利于基坑开挖及后期主体结构施 工 ，工程投资也低于 内支撑支护型 式 。同时，从人工岛处旋喷桩强度试验数据得知，其抗压强度达到3 5 t 以上 。据此强度对水泥土挡 墙支护进行优化设计与边坡支护安全度分析 ，使用开敞式作为边坡处理设计结构形式 ，利于开挖 、 主体结构的施工 ，投资更为合理。 图 2 箱涵接 口处人工岛的布置及基础加固 滨海软 土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析秦 景赵 云 路威 李 凡 A — A 剖面图 图 3 人工岛布置及基础加固剖面图 3 ． 3 理论计算采用理正深基坑支护结构设计软 件对典型剖面进行支护结构的抗 滑 、抗倾覆及整 体稳定性验算 ，基坑侧壁重要性系数Y 取 1 ． 1 ，荷 载分项系数取 1 ． 2 5 ，土与锚杆锚固体的黏结强度分 项系数取 1 - 3 ，土层参数按表 3 取值 ，地面超载取 3 0 k P a ，回填石层按 1 ： 1 坡度放坡 ，坡角距基坑边 根据实地情况为 8 ～ 1 2 m。整体稳定性分析采 用瑞 典 条分法 ( 土条 宽度 0 ． 5 m) ，得 到最 危险滑裂 面 ， 求解整体稳定安全系数( 图4 、图 5 ) 。从计算结果 看 ，抗滑 、抗倾 覆验算 安全系数能够 满足要求 ， 表 3 场地土层物理力学参数 地层黢 H／ m 烈 k N ／ m ) 内 角 由于 回填石层较大的附加荷 载以及下伏各黏土地层较软弱 ，在整体稳定验算 中，安全系数相对较 低 ，因此提高整体稳定安全系数除加大排桩 的深度外 ，基坑 内的地基处理加固是非常必要的。不论 是桩锚+ 重力墙支护系统还是内支撑支护系统 ，均要求基坑内进行厚度大于 1 0 m以上 的地基处理。否 则箱涵基坑的整体稳定性将得不到保证。必须利用沟内地基加固体 ，从而实现支护系统的整体稳定 条件 。 图4 箱涵 西区桩锚支护整体稳定验算 ( 单位 ：m) 图 5 箱涵东 区内支撑支护整体稳定验算 4 结论及建议 ( 1 ) 针对本工程排水箱涵沿线地质条件不 同的特点 ，分别采用 了桩锚 、内支撑及重力式挡墙 的不 一 31 7 一 m 幅 0 矗 m 郴 滨海软 土区排水箱涵深基坑工程设计及施工技术分析 秦 景 赵 云 路威 李 凡 同支护结构组合形式 ，并采取了支护与地基处理合用方式 ，以及支护与止水防渗一体化等组合式设 计及优化 ，实践证明 ，该设计 的支护形式技术可行 、安全可控 、施工可行 、投资经济 。 ( 2 ) 人工岛的设计切实有效地解决了施工运输难题 ，且达到支护 、止水和挡土效应。 ( 3 ) 支护设计中采用 的支护系统与箱涵构 筑物基桩相结合 的方式 ，即在基桩间施 打旋喷搭接短 桩 ，有效地解决了支护桩被动土压力不足和基桩工程质量有效控制等技术难题 。 ( 4 ) 根据( 建) 构筑物不同使用功能 ，在进行大范 围软土深基坑支护及地基处理时 ，设计与施工应 密切结合 ，实现既安全又经济的合用结构设计 。 参 考 文 献 ： [2 ] 李 光照 ， 郑刚 ． 软土地 区深基坑 工程存在 的变形 与稳定 问题及其 控制—— 基坑施工全 过程可产生 的变形 [ J ] ． 施工技术 ， 2 0 1 l ， 4 0 ( 3 3 8 ) ： 5 - 9． 吴旭君 ， 郑平 ， 赵伟 ， 等 ． 滨海地 区软土地 层超深基 坑支护设计 实例 [ J ] ． 岩土工程学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( S 1 ) ： 3 88 -3 91． 余志成 ， 施文华 ． 深 基坑支护设计与施工[ M] ． 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 0． 中国核工业勘察 院 ． 三门核电站一期排水箱涵地质勘 查成果报告 [ R] ． 2 0 0 6 ，1 0． 上海基础工程公 司 ． 三 门核电站一 、二期排水箱涵工程竣 工报告 [ R ] ． 2 0 1 1 ， 1 1． 杭州华东工程安全检测有限公司 ． 三门核 电站一 、二期排水箱涵工程桩检测报告[ R] ． 2 0 1 1 ， 5 Ana l ys i s o n de s i g n a nd c o ns t r uc t i o n o f de e p f o und at i o n pi t o f dr a i na g e c ul v e r t i n mar i ne s o f t s oi l r e g i on Q I N J i n g ，Z HA O Y u n ，L U We i ，L I F a n ( 1 ． E n g i n e e r i n gD e s i g n a n dR e s e a r c h C e n t e r ，C h i n aI n s t i t u t e o fWa t e r R e s o u r c e s a n dH y d r o p o w e r R e s e a r c h ，B e ij i n g 1 0 0 0 4 8 ，C h i n a ； 2 ． S a n me nN u c l e a r P o w e r C o． ，L t d，S a n me n 3 1 7 1 1 2 ，C h i n a ) Abs t r a c t：The ke y c o n s t r uc t i o n me a s ur e me n t s a n d c o mp o s i t e s up po rt t e c h no l o g i e s o f pi l e —a n c ho r， i n ne r s u p— po r t s y s t e m a n d g r a v i t y r e t a i n i n g wa l l i n t h e ma r i n e s o ft s o i l r e g i o n wa s i n t r o d uc e d a nd a n a l y z e d i n t hi s pa — p e r， b a s e d o n t h e f o un da t i o n p i t e n g i ne e r i ng o f Sa n me n nu c l e a r po we r dr a i na g e c u l v e r t i n t h e f i r s t a nd s e e — o n d p h a s e s ．Th e r e s ul t s s h o we d t h a t t he a p pl i c a t i o n o f c o mp os i t e s upp o r t t e c h no l o g i es s uc c e s s f ul l y a c h i e ve d t h e s a f e t y o f f o u n da t i o n pi t ex c a v a t i o n．Me a n wh i l e， t he de s i g n a nd a p pl i c a t i on o f an a r t i f i c i a l t r a ns p o r t a t i o n p l a t f o r m f o r e a r t h wo r k s s o l v e d t h e c o n s t r u c t i o n t r a n s p o r t a t i o n p r o b l e m a n d r e a l i z e d t h e o b j e c t s o f s u p p o r t — i ng， wa t e r p r o o f i ng a n d e a r t h r e t a i n i n g ．Th e s ho r t p i l e s b e i n g dr i v e n a n d o ve r l a p pe d a mo n g t h e f o un da t i o n p i l e s e f f i c i e nt l y d e a l t wi t h t he t e c h ni c a l p r o bl e ms o f t h e i n s u f f i c i e n t p a s s i ve e a r t h pr e s s ur e a n d q ua l i t y c o n— t r o l o f f o u n da t i o n pi l e s ．I t i s s ug ge s t e d t ha t de s i gn a n d c o n s t r u c t i o n s ho u l d b e c l o s e l y i n t e g r a t e d d ur i n g t h e l a r g e -s c a l e ~u nd a t i o n p i t s up p o r t a nd g r o und t r e a t men t i n o r de r t o r e a l i z e t he s a f e a nd ec o no mi c s t r uc t u r e． Ke y wor ds ： ma r i n e s o f t s o i l r e g i on； d e e p f ou n da t i o n p i t s；~u nd a t i o n pi t s up po rt； g r o u nd t r e a t me n t 一 31 8 一 ( 责任 编辑 ：李琳 )