多级水泥土搅拌桩重力式围护墙在泵闸基坑工程中的应用

张钦杰

（上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市 200061）

0 引言

泵闸工程是较为常见的水利工程之一。近年来随着城市的高速发展，地区防汛排涝压力与日俱增。以泵闸工程为代表的水利工程基础设施建设不断推进，尤其是沿海地区出海入江口处的泵闸，往往承担着周边地区极其重要的防汛除涝及水资源调度任务。其规模较大，结构复杂，基坑开挖深度较深，开挖面积较大。基坑工程作为泵闸工程中的重要组成部分，基坑设计时往往需要考虑结合泵闸结构特点及周边环境情况，既要保证基坑自身及周边环境安全，又要施工便捷，投资费用经济。

1 工程案例

1.1 工程概况

某大型泵闸工程位于上海市浦东新区某地区入长江口处，工程主要内容为新建泵闸一座，泵站规模为设计流量90 m3/s，水闸规模为净宽30 m。拟建的泵闸是浦东新区沿长江口重要引排水口门和通道之一，对防洪排涝和水资源调度的作用巨大，也是调节改善浦东新区内河水质的重要口门之一。拟建泵闸工程位置如图1所示。

图1 工程位置示意图

1.2 基坑概况

泵闸基坑工程拟建场地位于七甲港预留口门中，基坑两侧为现状大堤，堤顶高程约为8.0 m，拟建场地滩地高程约为3.0 m。泵闸工程内外河海漫段因结构埋深较浅，基坑开挖可结合现状堤身进行放坡开挖。泵闸工程的主体部分，包括站身闸首、进水池、进水前池、出水池及内外河翼墙等，均为直立式钢筋混凝土结构，底板埋置深度较深。为确保主体结构施工安全，并考虑到基坑开挖会对周边大堤产生一定影响，故采用基坑围护措施保护主体结构施工。

泵闸设计方案中基坑深度为5.05～9.50 m，根据上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》（DG/TJ 08-61—2018）[1]，基坑安全等级为二级。基坑周边环境保护对象主要为现状大堤，大堤堤脚距基坑边缘最小距离约为17 m。

1.3 围护结构比选及设计

本工程泵闸主体结构采用“闸+泵+闸”布置，中间基坑深、两侧基坑浅。从结构安全和经济合理方面考虑，可采取板式支护结构方案或者水泥土搅拌桩重力式围护墙结构。下面按照围护结构安全性、基坑复杂性、施工难易程度、工程投资等方面对这两种方案进行比选（见表1）。

表1 主体结构基坑围护方案比选表

根据比较分析，在基坑安全性可保证及环境影响可接受的前提下，方案二具有施工便捷性好，与主体结构施工相互影响小以及工程投资较为经济等优点[2]。故推荐采用方案二（水泥土搅拌桩重力式围护墙）。

本次以泵闸站身闸首为例，基坑围护采用放坡+两级水泥土搅拌桩重力式围护墙结构形式。该断面基坑开挖深度为9.5 m，首先对现状地面进行适当放坡开挖，由3.0 m高程放坡至1.0 m高程，1.0 m高程设平台，平台宽度15 m。第一级重力式围护墙采用3Φ850@600三轴搅拌桩围护墙结构，围护墙宽度为5.65 m，桩长21 m，墙前坑底采用三轴搅拌桩进行裙边加固，加固范围宽4.8 m，深4 m。闸首和站身高差部位第二级重力式围护墙采用3Φ850@600三轴搅拌桩围护墙结构，围护墙宽3.25 m，桩底高程为-11 m，墙前坑底采用三轴搅拌桩进行抽条加固[3]。因泵站侧开挖较深，根据施工工序安排，先实施泵站部位开挖，待泵站部位开挖完成且结构实施稳定后再进行水闸部位基坑开挖。基坑断面图如图2所示。

图2 站身闸首段基坑断面图（单位：mm）

2 基坑安全及环境影响分析

对所推荐采用的围护墙结构体系进行基坑安全稳定分析及周边环境影响分析评价。

2.1 围护体系安全性分析

2.1.1 计算方法

围护结构稳定计算方法参照上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》,采用同济启明星frws8.1软件计算。基坑围护计算中，土的c、值均采用固结快剪指标，围护桩变形、内力计算和各项稳定验算均采用水土分算原则。计算中地面超载原则上取20 kN/m2，墙后水位取地下0.5 m。

2.1.2 计算结果

对站身闸首段基坑的各项结构稳定计算结果见表2。

表2 基坑围护结构稳定安全

2.2 基坑开挖对周边大堤影响分析

根据现场保留大堤堤顶距离基坑边缘最小距离约为17 m，采用有限元模拟分析的方法，分析基坑开挖对周边现状大堤的影响。

2.2.1 土体本构模型选取

有限元分析采用PLAXIS 2D，土体本构模型选用小应变土体硬化模型[4]。因其考虑土体剪切硬化、压缩硬化、加卸载、小应变等，对上海软土地区基坑开挖模拟较为合适。

2.2.2 土体本构模型参数

小应变土体硬化模型需要的不同分层土体的重度、黏聚力、摩擦角等参数由勘察报告提供，其他刚度参数和高级参数则根据大量类似工程的监测数据反演分析得到（见表3）。

表3 小应变土体硬化模型参数表

2.2.3 分析成果

（1）泵闸主体基坑对大堤影响分析

泵闸主体基坑站身土体开挖至基坑底时，基坑围护墙出现的最大水平位移为32.41 mm，此时大堤挡墙出现最大水平位移18.49 mm，沉降位移19.35 mm。基坑位移云图如图3所示。

图3 基坑位移云图（泵站施工期）

待站身部分开挖完成且主体结构实施稳定后，再进行闸首侧开挖。待开挖至坑底时，基坑围护墙出现的最大水平位移为39.43 mm，此时大堤挡墙累计出现最大水平位移19.43 mm，沉降位移19.40 mm。基坑位移云图如图4所示。

图4 基坑位移云图（水闸施工期）

3 结果分析

通过以上计算分析，多级水泥土搅拌桩重力式围护结构自身稳定安全系数均能满足上海市工程建设规范《基坑工程技术标准》中二级基坑相关规范要求。根据有限元计算分析可知，在整个基坑工程施工过程中，围护结构出现的水平位移小于允许值0.5%开挖深度47.5 mm，大堤挡墙出现的位移小于20 mm，能够满足基坑环境保护要求。本基坑工程开挖面及开挖深度较大，根据相关规定必须监测基坑自身及周边土体，进行信息化施工，为基坑自身及周边环境进行及时有效的保护提供依据。

4 结 语

本文以某大型泵闸工程中基坑工程为例，针对水利工程泵闸结构特点，提出采用多级水泥土搅拌桩重力式围护墙结构。对于该围护墙结构体系，通过安全稳定分析计算及有限元模拟分析的方法，得出以下结论及意见，为类似泵闸基坑工程提供参考和借鉴。

（1）采用多级水泥土搅拌桩重力式围护墙结构，并结合基坑裙边加固及坑底加固等措施，可保证自身围护结构安全，满足相关规范要求。

（2）基坑工程施工期间，重力式围护结构出现的水平变形小于允许值，对周边环境影响变形也能控制在一定范围内，能够满足基坑环境保护要求。

（3）基坑施工期间必须有专业监测单位对基坑自身及周边环境进行监测，及时提供监测数据，为基坑自身及周边环境进行及时有效的保护提供依据。