污水管道和排水箱涵基坑支护.doc

巽寮滨海度假休闲区中区市政项目海滨路工程二标段
道路左侧污水管道和排水箱涵基坑支护、排水专项方案

1、概述
巽寮滨海度假休闲区中区市政项目海滨路工程二标段工程，钢筋混凝土箱涵纵向布置于K4+415~K5+594桩号的道路左侧，长约1139m，其中箱涵（B×H＝3000×1500）409m、(B×H＝3000×2000)760m、 (B×H＝3000×2500)24m，采用C30 S6混凝土3061.68m3，垫层采用C15混凝土1460.23m3。
与之平行的污水管道（HDPE）DN500，于井W0207~井W0702之间，长约1495.00m。
（1）地层岩性
根据施工图纸和业主提供的《海滨路市政工程岩土工程勘察报告》，沿线地貌类型主要为海岸阶地，西面临海，沿线零星分布有鱼塘和果树，路线地形稍有起伏。在钻探深度范围内，总体上自上而下可分为人工填土层（Qml）、第四系海陆交互相沉积层（Qmc）和第四系坡积层（Qdl）、残积土（Qel）及燕山期花岗岩（r52（3）），按土岩类型及性状大体分述如下：(1)人工填土：主要为素填土，呈浅红、灰黄、灰色，稍湿～湿，结构松散，呈零星不连续分布，层厚0.50～2.50m，层顶（地面）标高2.52～4.21m。第四系海陆交互相沉积：由粉砂、细砂、中砂、砾砂和亚粘土组成，粉砂和细砂的层顶埋深0.00～2.50m，厚度1.10～10.50m，层顶标高-4.05～3.98m；中砂和砾砂的层顶埋深0.00～12.05m，厚度1.40～10.50m，层顶标高-9.53～2.87m；亚粘土层顶埋深10.10～16.00m，层厚0.50～5.90m，层顶标高-13.48～-6.13m。
（2）水文地质条件
根据含水岩土类别、赋存条件及水力特征，勘察区的地下水划分为松散土层孔隙水和基岩裂隙水两种类型。其中松散土层孔隙水主要分布于平原和滨海。含水层主要为冲积和海相成因类型的砂类土。根据松散层岩土体孔隙水的水力特征，可分为孔隙承压水和孔隙潜水。地下水主要补给来源为大气降水和地表水。
① 孔隙承压水
主要分布于海陆交互相沉积卵石层中，属浅层承压水。含水层以含卵石中粗砂为主。含水层厚度一般4~8m，孔隙度大，与地表水有直接水力联系。因此其富水性好，涌水量大，地下水对地基土体稳定性影响较大。
②孔隙潜水
分布于勘察区第四系海陆交互相沉积的粉砂、中砂和砾砂层中，潜水的水位埋深较浅，富水性好，渗透系数大，地下水与地表水有直接的水力联系，涌水量大。主要由降水和地表水补给，水平侧向径流排泄。
地下水极发育，各地层地下水位在标高1.2~2.6m左右。见钻孔ZK12至ZK30地质剖面图。
（3）工程特性
箱涵开挖从路面至基底4~5m，涵底标高0.33~ - 2.2m左右；污水管道开挖从路面至基底5~6m，管底标高-1.22~ - 3.0m左右。
桩 号
4+415
4+820
5+220
5+585
现地面高程 m
4.0
3.3
2.8
2.3
箱涵底高程/
开挖深度
0.33/
3.7
-0.85/
4.2
-1.25/
4.1
-2.20/
4.5
污水管底高程/
井位开挖深度
-0.87/
5.1
-1.47/
5.1
-2.06/
5.2
-2.63/
5.3
备注

管道建基面完全穿过粉砂和细砂的层（埋深0.00～2.50m，厚度1.10～10.50m，层顶标高-4.05～3.98m），进入中砂和砾砂的层顶（埋深0.00～12.05m，厚度1.40～10.50m，层顶标高-9.53～2.87m）。
由于管道建基面所处的第四系海陆交互相沉积的粉砂、中砂和砾砂层中，潜水的水位埋深较浅，富水性好，渗透系数大，地下水与地表水有直接的水力联系，涌水量大。主要由降水和地表水补给，水平侧向径流排泄。
海滨路市政工程岩土工程勘察报告结论及建议认为，箱涵和污水管沟开挖完全在第四系海陆交互相沉积层（即粉砂、中砂和砾砂层）范围内，工程性质较差且富水易造成涌水、流砂。
箱涵和污水管较长，量大，工序多，属于关键项目，地层复杂，管沟开挖深度深，全线基础都存在流砂，如果不采取支护措施，管沟无法按稳定的坡度放坡开挖。若采取强挖方法，第一、流砂会掏空临近构筑物地基，引起大量塌方，由于管沟离公路较近，会引起现有公路（S210线）路基塌陷和危及车辆的正常安全通行；第二、会危及到管沟周边临近建筑物（如DN600的供水管线、架空电信线路）的安全；第三、无支护的基坑存在极大的安全隐患、容易引发施工安全事故，第四、无法在干地施工，影响工程质量和进度。
根据《建筑基坑支护技术规程》，为确保工程安全，箱涵和污水管沟开挖须采取支护措施，兼顾基坑截水，宜采用12m长拉森Ⅳ型钢板桩沿管沟两侧进行支护。
2、基坑钢板桩支护方案及安全验算
2.1 钢板桩的选型和布置
考虑到污水管、箱涵基坑两侧土质和基础中部、底部易产生流砂层的情况，结合拉森Ⅳ型钢板桩的特性（挡土、截水、挡流砂）和施工方法等方面因素，箱涵和污水管沟槽开挖的支护方案采用拉森Ⅳ型钢板桩支护。
拉森Ⅳ型钢板桩宽度适中，抗弯性能好。为确保基坑开挖安全，钢板桩入土深度控制在4m以上，并采用25号H型钢实施围囹加固，用Φ300钢管对撑、间距3m，必要时可沉设锚桩，对围护实施拉锚，如下图所示。
方案一：钢板桩采用9m长、方案二：钢板桩采用12m长。

2.2 9m长拉森Ⅳ型钢板桩支护验算
为确保钢板桩有足够的埋入深度，基槽地面先削掉一层50cm～80cm厚土，再施打。
2.5m~0.0m高程为粘土层，则土的重力密度γ=17.2kN/m3，土的内摩擦角φ1=12°， 0.0m～-2.65m以下高程为粉砂、中砂层，则γ砂=16.0kN/m3，φ2=20°，-2.65m～-6.0 m为砾砂层，则γ砾砂=16.5kN/m3，φ3=25°，土的粘聚力，取c=0。
（1）按9m范围内的加权平均值计算：
γ=（2.5*17.2+2.63*16+3.87*16.5）/9 ≈ 16.5kN/m3
φ=（2.5*12+2.63*20+3.87*25）/9 ≈ 19.93°
钢板桩与土间的摩擦角，取δ≈（1/2~1/3）×φ≈6°，摩擦角很小，忽略不计。钢板桩后填土水平，β=0
（2）钢板桩受土压力分布图：

（3）叠加后的土压力分布图：

（4）动土压力系数及被动土压力系数计算
根据库伦理论，计算得Ka=
=0.49
Kp=
=2.46
（5）计算y值，即钢板桩上土压力强度等于0的点距基坑挖土面的距离。
令y点处 Ea =Ep，得
1/2 ·γ · (5.13+y)2·Ka ·K´=1/2 ·γ砾砂 · y2·Kp·K
式中K´、K值为钢板桩的主动土压力、被动土压力修正系数，参考《建筑施工计算手册》，取K´=1（注：为安全起见，对主动土压力不予扣减），K=1.60。
γ、γ砾砂、Ka、Kp代入上式，解得y=2.80m
（6）按简支梁计算等值梁的最大弯矩Mmax和两个支点的反力（Ra和Po）

按图示，得
ea=γ· H·Ka=16.5×5.13×0.49=41.47 KN/m2
令∑MO=0，得
1/2×2.80×ea×（2.80×2/3）+1/2×5.13×ea×（5.13×1/3+2.80）=Ra×6.93
求得Ra=85.0 KN/m
又令∑MA=0，得
1/2×5.13×ea×（5.13×2/3）+1/2×2.80×ea×（2.80×1/3+5.13）-85.0×1
= Po×7.93
求得Po=80.0 KN/m
（7）钢板桩最小入土深度to
参考《建筑施工计算手册》的公式，x=
=2.90m
则to=x+y=2.80+2.90=5.70m≥3.87m，
结论，采用9m长的钢板桩支护钢板桩埋深不满足安全要求。
2.3 12m长拉森IV钢板桩支护验算
12m长钢板桩受土压力分布图：

同理根据计算，得
to=x+y=2.80+2.90=5.70m ≤ 6.87m，如上图示。
结论，采用12m长的拉森IV钢板桩支护钢板桩埋深满足要求。
2.4 钢板桩抗弯验算
钢板桩所受的最大弯矩Mmax：
因最大弯矩处即为剪力等于0处，设剪力等于0处距钢板桩顶为z，则：
Ra-1/2 · r · z2·Ka=0
85.0-1/2×16.5×z2×0.49=0
求得z=4.59m
故Mmax= Ra×（4.59-1）- 1/2×16.5×4.59^2×0.49×4.59/3
Mmax= 175KN·m
f= Mmax/W
=175/(3000×10-6)
=58.3Mpa < 1/2[f] =100 Mpa
抗弯满足要求。
3 钢板桩施工方法
打拔桩机为挖掘机（日立550）加液压高频振动锤改装而成，为台湾仿荷兰产振动锤，激振力220kN。
1）开挖钢板桩打桩平台
作业平台宽度不小于6m，以便钢板桩材料的堆放和吊桩机施工。
2）钢板桩的插打作业
a）在钢板桩锁口内涂黄油。在桩顶上利用拔桩孔系千斤绳（供换钩用）一根，滑车组一付。在桩的下端系风缆二根。
b）安绑主副吊点千斤绳。其中副吊点（下端吊点）未焊吊环，用钢丝绳捆扎时，应垫以木块，以防滑移和受力后吊点处锁口变形。
c）用吊车两点吊。当提升到一定高度时，放松到吊点，使钢板桩接近垂直状态，并利用风缆控制正反方向。
d）钢板桩就位下插。第一组钢板桩系沿导向木下插，是整个钢板桩的基准，要反复挂线检查，使其方向垂直位置准备。其余各桩组，则以已插桩组为准，对好锁口后，利用自重下插。当自重不能迫使其下插时，可利用滑车组，进行加压。
e）解除夹弧板。当钢板桩下插到接近夹弧板位置时，应及时解除夹弧板，然后继续下插，直到不能下插为止。
f）吊车松钩，并拆除原悬挂在桩顶上的滑车组及千斤绳等。
g）安设柴油锤，并进行锤击，使钢板桩下插到预定标高位置。
e）将已插好的钢板桩，点焊固定于顶层内导环上（用短钢筋头）。
h）拆除悬挂外导环吊杆的挑梁。按上述步骤逐组下插钢板桩，当遇到悬挂外导环吊环吊杆的挑梁时，应及时拆除，并用钢筋钩将外导环悬挂在已插好的钢板桩上，以免外导环下垂变形，影响施工。
4）拔桩
先用打拔桩机夹住钢板桩头部振动1min～2min，使钢板桩周围的土松动，产生“液化”，减少土对桩的摩阻力，然后慢慢的往上振拔。拔桩时注意桩机的负荷情况，发现上拔困难或拔不上来时，应停止拔桩。
5）钢板桩的施工中遇到的问题及处理：
由于地质结构复杂，钢板桩打拔施工中常遇到一些难题，采用如下几点办法解决 ：
① 打桩过程中有时遇上大的块石或其它不明障碍物，导致钢板桩打入深度不够时，采用转角桩或弧形桩绕过障碍物。
② 钢板桩杂填土地段挤进过程中受到石块等侧向挤压作用力大小不同容易发生偏斜，采取以下措施进行纠偏：在发生偏斜位置将钢板桩往上拔l.0m～2.0m，再往下锤进，如此上下往复振拔数次，可使大的块石被振碎或使其发生位移，让钢板桩的位置得到纠正，减少钢板桩的倾斜度。
③ 钢板桩沿轴线倾斜度较大时，采用异形桩来纠正，异形桩一般为上宽下窄和宽度大于或小于标准宽度的板桩，异形桩可根据据实际倾斜度进行焊接加工；倾斜度较小时也可以用 卷扬机或葫芦和钢索将桩反向拉住再锤击。
④ 在基础较软处，有时发生施工当时将邻桩带入现象，采用的措施是把相邻的数根桩焊接在一起。
6）变形观测
在钢板桩支护期间，将定期对钢板桩顶的位移进行观测，发现桩顶向基坑内的偏移量过大时，及时加强防护措施，确保钢板桩支护安全稳定。
7）钢板桩施工质量控制
a）已插下的钢板桩，对垂直于基坑短边的倾斜度，或对于插桩前进方向的倾斜度小于0.005。
b）插入桩位的钢板桩须紧紧靠内导环，即要求钢板沿设计开挖线垂直插入桩位。如不能紧靠内导环时，其间隙小于20毫米。
c）每组钢板桩必须按编号插入正确的桩位，每组偏差小于±15毫米。

4 基坑排水方案
由于管道建基面所处的第四系海陆交互相沉积的粉砂、中砂和砾砂层中，潜水的水位埋深较浅，富水性好，渗透系数大，地下水与地表水有直接的水力联系，涌水量大。主要由降水和地表水补给，水平侧向径流排泄。
4.1 基坑涌水量计算
参考《建筑施工手册》，按经验公式计算基坑涌水量：
Q= （m3/d）
式中：
K——渗透系数，透水层为中砂、砾砂层，K＝75m/d；
R——影响半径（m），透水层为中砂、砾砂层，取R=200m；
H——稳定水位至设计基坑底的深度（m），基底以下为深厚透水层，加3～4米，以保安全。稳定地下水位▽2.50，基坑底深度▽-2.63，则
H=2.5-(-2.63)+4＝9.13m；
r0——引用基坑半径(m)，r0＝u*(L+B)/4，
u为系数，取u=1.0
L、B为基坑长、宽，L=60m，B=10m，
r0＝1.0*(60+10)/4＝17.5m
则基坑总涌水量：
Q=1.36*75*9.132/1.094＝7769m3/d=324m3/h
4.2集水井及明沟排水布置
箱涵和污水管道采取分段施工，根据本工程基坑的实际情况，在基坑两侧的布置明沟，再在明沟的下2个集水井，编号为1#、2#，利用设置集水井和抽水设备，将基坑积水从集水井中不断排走，保持基坑处于干地状态。排水沟、集水井均在开挖下层土以前设置。排水沟沿基坑四周边坡边缘离开坡脚1m布置，排水沟深度保持比挖土面低0.5m，集水井比排水沟低1.0m，并随基坑的挖深而加深，排水沟亦然，保持水流畅通，地下水位始终保持低于开挖基坑底0.5m以下。
4.3 水泵的选择
采用集水井排水，设置泥浆泵口径一般在50~200mm，电机功率22 kw，扬程21m，流量108m3/h的3PN型泥浆泵抽水5台，其中2台备用。同时配备3台3吋潜水泵做为机动抽水，技术性能为流量：25m3/h，扬程15m，电机功率3.5kW。