王 寧，付東王，高 健，楊 蕾，徐宏妍

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210022；2.南京東大巖土工程勘察設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210018)

初期雨水調(diào)蓄池作為一種減少初期雨水污染物入河的有效措施，對改善城市水環(huán)境起到重要作用，是城市河道水環(huán)境治理的重要舉措之一，目前已逐漸得到廣泛運(yùn)用[1-2]。而隨著中國的快速發(fā)展，城市建設(shè)用地日益緊張，為節(jié)約土地資源，包括初期雨水調(diào)蓄池在內(nèi)的公共設(shè)施開始探究如何更加合理地利用城市地下空間資源[3]。初期雨水調(diào)蓄池一般設(shè)置在排水系統(tǒng)的末端[4-5]，其中相當(dāng)比例的調(diào)蓄池位于近河或臨河區(qū)域，易存在水平向受力不均勻和抗滑穩(wěn)定問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計和基坑支護(hù)設(shè)計時需格外注意其不利影響；若遭遇軟土地基，則進(jìn)一步提高了設(shè)計難度。文章結(jié)合南河綜合整治工程中實(shí)施的雨潤調(diào)蓄池，對軟土地基臨河調(diào)蓄池的特點(diǎn)以及基坑支護(hù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)進(jìn)行分析，并對其具體設(shè)計和計算過程進(jìn)行介紹，以期為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

南河，位于南京主城西南，全長約9.3km。南京市水務(wù)局于2017年啟動南河綜合整治工程設(shè)計工作，作為控源截污的重要舉措之一，工程于南河沿線建設(shè)4座初期雨水調(diào)蓄池，目前工程已竣工驗(yàn)收。4座調(diào)蓄池中，雨潤調(diào)蓄池的自身和外部條件均較為復(fù)雜，文章選取雨潤調(diào)蓄池作為分析對象。

1.1 調(diào)蓄池概況

雨潤調(diào)蓄池與配套水處理站及雨潤排澇泵站合建，調(diào)蓄池有效容積為3500m3，水處理站處理能力為1040m3/d，排澇泵站規(guī)模為3.6m3/s。受用地條件限制，雨潤調(diào)蓄池臨南河而建，臨河側(cè)壁板兼做防洪墻；為全地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(管理房和排澇泵房除外)，整體呈長方形，結(jié)構(gòu)外尺寸為42.20m(長)×25.20m(寬)×11.60m(高)，池頂覆土0.3～0.6m。

1.2 地質(zhì)概況

基坑開挖支護(hù)范圍及其影響范圍內(nèi)土層的主要參數(shù)見表1，地基處理范圍內(nèi)鉆孔灌注樁樁基設(shè)計參數(shù)見表2。調(diào)蓄池基底位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和③-1粉質(zhì)黏土(軟塑～流塑)層。

表1 土層主要參數(shù)表

表2 鉆孔灌注樁樁基設(shè)計參數(shù)

1.3 周邊環(huán)境概況

調(diào)蓄池周邊環(huán)境較為復(fù)雜，其西側(cè)緊臨南河，該側(cè)壁板需兼作防洪墻；東側(cè)為現(xiàn)狀鳳臺南路，是城市主干道，道路邊線距離基坑凈距約22m；南側(cè)為現(xiàn)狀綠化；北側(cè)為地鐵1號線和2號線聯(lián)絡(luò)線，為高架形式，距離基坑最近處約15m。另外，東側(cè)有DN1600給水主管1根，埋深約為4m，距離基坑最近處約1m。

2 工程特點(diǎn)和設(shè)計中應(yīng)注意的難點(diǎn)

(1)平面尺寸大、深度深：本工程調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)外尺寸為42.20m(長)×25.20m(寬)×11.60m(高)，平面尺寸較大，深度較深。在滿足結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上，此類結(jié)構(gòu)的主要難點(diǎn)還在于如何避免超長現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土水化熱和溫度應(yīng)力帶來的裂縫[6-7]。

(2)軟土地基：根據(jù)地勘成果，工程場區(qū)地質(zhì)條件較差，屬典型的軟土地基。工程在設(shè)計時，必須考慮軟土高含水量、高壓縮性、低承載力的特點(diǎn)，采取相應(yīng)的工程措施[8-9]。

(3)周邊環(huán)境復(fù)雜：工程附近分布有城市主干道、地鐵高架、給水主管，且均距離基坑較近，工程在設(shè)計和施工時必須關(guān)注工程實(shí)施對現(xiàn)有設(shè)施的影響。

(4)臨河而建：調(diào)蓄池西側(cè)臨河道，東西向兩側(cè)土壓力相差較大，工程在設(shè)計時需重點(diǎn)關(guān)注土壓力不平衡情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布、調(diào)蓄池抗滑穩(wěn)定安全以及基坑安全。

3 總體方案比選

根據(jù)工程實(shí)際特點(diǎn)，制訂兩個基坑支護(hù)和結(jié)構(gòu)總體方案進(jìn)行比選，分別為方案一(基坑圍護(hù)地下連續(xù)墻兼作主體結(jié)構(gòu)壁板)和方案二(支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立)。

3.1 方案一

該方案地下連續(xù)墻既作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，又作為調(diào)蓄池主體結(jié)構(gòu)的壁板，工程投資相對較??；但受力體系不甚明確，缺少相關(guān)規(guī)范支撐，且對施工要求高，施工難度大。

3.2 方案二

該方案采用傳統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)和支護(hù)結(jié)構(gòu)獨(dú)立的方式，受力體系明確，規(guī)范依據(jù)充分，施工難度一般；但與方案一相比，該方案工程投資較大[10-11]。

3.3 推薦方案

綜合考慮本工程臨近河道、地鐵、城市主干道、給水主管等的實(shí)際情況，選擇受力體系明確、施工相對方便的方案二作為推薦方案，即支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)獨(dú)立的方案。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

4.1 池體結(jié)構(gòu)設(shè)計

池體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下二層為調(diào)蓄池，地下一層為水處理站和排澇泵站。根據(jù)規(guī)范相關(guān)要求，為盡量減小溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響，本工程調(diào)蓄池沿長度方向設(shè)置后澆帶一道，位于第二跨和第三跨之間。調(diào)蓄池平面布置如圖1所示，剖面圖如圖2所示，池體主要結(jié)構(gòu)尺寸見表3。

表3 調(diào)蓄池主要結(jié)構(gòu)尺寸表

圖1 調(diào)蓄池平面布置圖(單位：m)

圖2 調(diào)蓄池剖面圖(單位：m)

考慮到本工程情況較為復(fù)雜，而單一計算軟件均具有局限性，本次計算采用多個計算軟件進(jìn)行相互驗(yàn)證復(fù)核。結(jié)構(gòu)計算主要采用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件，并采用理正復(fù)雜水池進(jìn)行復(fù)核；另外，因調(diào)蓄池臨河而建，其寬度方向上兩側(cè)土壓力不對稱，取寬度方向受力單元，采用理正工具箱中的平面鋼桁架模塊進(jìn)行計算，并對壁板、柱配筋進(jìn)行修正。以理正復(fù)雜水池軟件為例，給出計算模型和檢修工況(池內(nèi)無水、地下高水位)下底板長度方向的彎矩計算云圖(圖3)。

圖3 理正復(fù)雜水池結(jié)構(gòu)計算模型及內(nèi)力計算結(jié)果(單位：kN·m)

4.2 地基處理設(shè)計

本工程調(diào)蓄池位于軟土地基，經(jīng)計算，若采用天然地基，地基承載力和抗浮均不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。

由于不良土層厚度太大，超出了深攪樁及其他復(fù)合地基處理方案的適用范圍，同時鉆孔灌注樁可兼作抗拔樁，故本工程擬采用鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)設(shè)計方案，以④-2粉、細(xì)砂層為持力層，樁徑為1.0m，樁長26m，共89根。

4.3 穩(wěn)定計算分析

根據(jù)池體結(jié)構(gòu)和地基處理設(shè)計進(jìn)行豎向承載力、抗浮、抗滑穩(wěn)定計算。

(1)豎向承載力。控制工況為試運(yùn)行工況(池內(nèi)滿水、地下無水)，計算得到單樁豎向承載力特征值Ra=1860kN，單樁豎向荷載特征值：均值為1629 kN

(2)抗浮穩(wěn)定。控制工況為檢修工況(池內(nèi)無水、臨河側(cè)水位為設(shè)計洪水位11.10m、背河側(cè)水位為地面以下0.5m)，計算得到單樁抗拔承載力特征值T=1320kN，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)2.01>1.05，滿足規(guī)范要求。

(3)抗滑穩(wěn)定。控制工況為河道施工工況(背河側(cè)水位為地面以下1m、臨河側(cè)水位為平河底高程5.0m)，計算得到單樁水平承載力特征值Rh=196 kN，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)0.82<1.30，不滿足規(guī)范要求。

經(jīng)以上計算，地基處理后豎向承載力和抗浮穩(wěn)定滿足要求，抗滑不滿足要求，需進(jìn)一步采取措施(見第6節(jié))。

5 基坑支護(hù)設(shè)計分析

5.1 基坑支護(hù)設(shè)計

基坑采用灌注樁+二層鋼筋混凝土水平支撐形式。灌注樁直徑為1.2m，間距為1.4m，樁長29.9～30.9m，樁端進(jìn)入④-2粉、細(xì)砂層不少于1.5m；支撐設(shè)置為角撐加對撐形式；南河側(cè)設(shè)置鋼板樁圍堰，以應(yīng)對不平衡土壓力，圍堰頂寬6m，內(nèi)填黏土，頂部設(shè)置拉桿。四周采用雙重管高壓旋噴樁作為止水帷幕，止水樁長度為18.60m，形成全封閉止水帷幕，以增強(qiáng)止水效果，減少降水成本；基坑支護(hù)平面布置如圖4所示。

圖4 基坑平面布置圖

5.2 基坑支護(hù)影響分析

采用理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)計算，并采用Midas GTS NX分析基坑支護(hù)對地鐵聯(lián)絡(luò)線的影響，本節(jié)對Midas GTS NX有限元模型的建立、計算工況及計算結(jié)果進(jìn)行分析[12]。

(1)模型的建立

基坑開挖的影響范圍一般認(rèn)定為基坑挖深的3倍距離，本模型為充分考慮基坑的開挖對周邊建筑物的影響，整體幾何尺寸取為147m(長)×109m(寬)×60m(高)，模型網(wǎng)格劃分遵循研究部位劃分密、邊緣部位劃分疏的原則，共建立106062個單元，63917個節(jié)點(diǎn)，模型建立及網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 基坑模型建立及網(wǎng)格劃分

(2)計算工況

根據(jù)施工工序擬定7個計算工況，詳見表4。

(3)計算結(jié)果分析

經(jīng)計算，支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵聯(lián)絡(luò)線高架的變形情況見表4，并給出工況⑦支護(hù)結(jié)構(gòu)和地鐵高架水平位移云圖(圖6)。

圖6 工況⑦計算云圖

表4 支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵高架變形計算成果表 單位：mm

由計算結(jié)果可知，雨潤調(diào)蓄池基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在整個施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在工況⑦，約為11.0mm，地鐵高架結(jié)構(gòu)最大水平位移發(fā)生在工況①和工況⑦，約為1.2mm，地鐵高架結(jié)構(gòu)最大豎沉降發(fā)生在工況⑥，約為1.6mm。計算結(jié)果表明，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工對地鐵聯(lián)絡(luò)線高架的影響很小，滿足地鐵高架的安全要求。根據(jù)施工期基坑監(jiān)測資料，支護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵高架的位移與計算結(jié)果基本吻合，說明本工程基坑支護(hù)設(shè)計是安全合理的。

6 永臨結(jié)合抗滑設(shè)計分析

根據(jù)4.3節(jié)穩(wěn)定計算，調(diào)蓄池抗滑穩(wěn)定不滿足要求，本次將池體與支護(hù)樁有效連接(利用支護(hù)樁65根)，利用地基處理樁與支護(hù)樁共同抗滑。AB側(cè)和CD側(cè)在底板層和標(biāo)高7.0層共設(shè)置兩層連接，AD側(cè)僅在底板層設(shè)一層連接。其中標(biāo)高7.0層增設(shè)橫梁HL1，錨固在壁板和扶壁柱上；底板、橫梁與支護(hù)樁連接處外凸形成“抓手”并配置加強(qiáng)鋼筋以有效傳遞荷載，與支護(hù)樁之間增加隔油氈一層以應(yīng)對池體結(jié)構(gòu)和支護(hù)樁的不均勻沉降，做法如圖7所示。

圖7 永臨結(jié)合設(shè)計圖(單位：m)

抗滑穩(wěn)定復(fù)核：控制工況同加固前，單樁水平承載力特征值：地基處理樁Rh=196 kN，支護(hù)樁Rh′=244 kN，采取永臨結(jié)合措施后，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.31>1.30，滿足要求。

7 結(jié)語

(1)分析了軟土地基臨河調(diào)蓄池設(shè)計過程中應(yīng)注意的難點(diǎn)：避免水化熱和溫度應(yīng)力帶來的裂縫、針對軟土特性采取地基處理措施、關(guān)注對現(xiàn)有設(shè)施的影響、重點(diǎn)關(guān)注土壓力不平衡情況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布和調(diào)蓄池抗滑穩(wěn)定安全以及基坑安全等。

(2)闡述了調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)的設(shè)計和基坑支護(hù)設(shè)計，因工程條件復(fù)雜，應(yīng)采用多個計算軟件進(jìn)行相互驗(yàn)證復(fù)核和修正；提出了一種利用地基處理樁與支護(hù)樁共同抗滑的設(shè)計方案。

(3)目前本工程已竣工驗(yàn)收，工程質(zhì)量優(yōu)良，施工期基坑監(jiān)測結(jié)果與基坑計算結(jié)果基本吻合，說明本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和基坑支護(hù)設(shè)計是安全合理的，相關(guān)特點(diǎn)分析、設(shè)計方法可為其他類似工程提供參考。