廖星樾

瀘州市興瀘水務（集團）股份有限公司 646000

引言

地埋式污水處理廠因不占用地表、噪聲污染小，以及地表常打造為市政公園等優(yōu)點而在市政工程中逐漸被推廣。但地下綜合箱體一般埋置較深，基坑面積大［1］，僅靠池體自重往往難以滿足抗浮穩(wěn)定性的要求，一旦抗浮失效出現(xiàn)上浮事故會直接影響工程正常使用，其處理難度大且成本很高。地下箱體基坑設(shè)計時，選用適宜的基坑支護方式，可大大節(jié)約基坑支護費用，減少基坑開挖對工期及周圍環(huán)境的影響。因此，合理的池體抗浮方案和基坑支護方案對地埋式污水處理廠的成功實施至關(guān)重要。

王星星等［2］通過工程實例對地埋式污水廠微型錨樁的抗浮設(shè)計、計算分析進行了闡述，廖小雄［3］采用SAFE、MIDAS進行地下室底板抗浮錨桿計算，鄒杰［4］通過有限元分析對比對抗浮錨桿的布置方式給出了建議，以往這些地埋式污水廠抗浮研究集中于抗浮錨桿的計算分析，對抗拔樁和抗浮錨桿結(jié)合設(shè)置的方案需要進一步分析研究。萬玉生等［5］、孫安等［1］對地埋式污水處理廠的基坑設(shè)計進行了定性分析，針對復雜地埋式污水處理廠的基坑設(shè)計仍需進一步定量分析。本文以瀘州市某臨江污水處理廠為背景，對抗拔樁+抗浮錨桿結(jié)合的抗浮措施進行了分析，并對基坑支護方案進行了探討。

1 工程概況

瀘州市某臨江污水處理廠的規(guī)劃總規(guī)模為20萬m3／d，位于城市東部，緊靠長江邊。一期已建地面式污水廠規(guī)模5 萬m3／d；二期擴建地埋式污水廠規(guī)模為10 萬m3／d。地下綜合箱體平面尺寸為206.9m×157.2m，設(shè)計頂標高為244.0m～244.50m，原始標高與設(shè)計頂標高相近；箱體負一層為操作層，標高為237.00m；地下負二層為水處理池，標高為227.60m～230.30m。其地下箱體及支護情況見圖1。本場區(qū)土層自上而下分為：①1雜填土，層厚1.5m～11.0m；①2素填土，層厚0.5m～6.5m；②可塑及軟塑粉質(zhì)黏土，層厚1.0m～13.0m；③粉土，層厚1.3m～5.0m；④1粉砂，層厚0.5m～10.0m；⑤1細砂，層厚0.2m～5.0m；⑥卵石土分布較均勻，層厚較大；⑦砂質(zhì)泥巖。

圖1 地下箱體及支護典型剖面示意Fig.1 Typical cross-section of underground box and support

本工程場地附近的地表水主要為場地北側(cè)的溪溝及長江，距長江直線距離約350m，勘察期間水位標高為222.50m，該處長江洪水期間平均水位漲幅在8.0m～12.0m 左右，對應標高230.50m～234.50m，50 年一遇的洪水水位標高為241.68m?；又ёo后，坑內(nèi)肥槽和周邊地層的聯(lián)通性降低，可能產(chǎn)生滯水，故本工程抗浮設(shè)計水位取為242.00m。

2 抗浮方案

2.1 抗浮措施的選用

本工程由于地下水位較高，地下綜合箱體應滿足抗浮穩(wěn)定標準要求，需進行抗浮驗算［5］。地下箱體埋深及平面尺寸較大，地下水產(chǎn)生的浮力較大，而頂部覆土厚度有限，其抗浮方案是工程設(shè)計中必須解決的重難點問題。

地下工程抗浮措施主要有以下四種：釋放水浮力法、增加配重法、抗拔樁和抗浮錨桿。釋放水浮力法［6］是一種有效的抗浮措施，但除了建設(shè)時的一次性投入外，該方法在后期使用中的運行費用較高，同時受排水設(shè)備穩(wěn)定性、停電等情況限制，因此在本工程中未考慮該抗浮措施。增加配重法一般適用于埋深較淺、水浮力較小的情況，通過增加適量的配重即可滿足抗浮穩(wěn)定性要求，本項目地下箱體浮力較大，難以通過配重滿足抗浮穩(wěn)定性要求?？拱螛逗涂垢″^桿則是通過樁體或錨固體的自重及與基底巖土層的摩阻力提供抗拔力［8］，可通過調(diào)整長度及平面間距以滿足不同區(qū)域抗浮力的要求，適用于本項目地下箱體抗浮設(shè)計。

根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，地下綜合箱體西北側(cè)基底土層為中風化砂質(zhì)泥巖，地基承載力及沉降變形滿足設(shè)計要求，此區(qū)域選用錨桿抗??；其余區(qū)域基底土層為粉質(zhì)黏土及粉砂層，地基承載力和沉降變形均不能滿足設(shè)計要求，則選用直徑600mm旋挖鉆孔灌注樁承載地下箱體的同時提供抗拔力。

2.2 抗浮初步設(shè)計

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標準》［7］，本工程抗浮設(shè)計等級為甲級，使用期間需抗浮穩(wěn)定系數(shù)KW＝G／NW，K≥1.1（G 為建筑物自重及壓重之和，NW，K為浮力作用值）。由于箱體底板的剛度并不是無限大，在浮力的作用下會發(fā)生較大的變形及內(nèi)力，需考慮箱體各區(qū)域局部抗浮問題，而非采用整體抗浮計算。本文以地下箱體生化池區(qū)域抗浮計算為例。

生化池區(qū)域底板底標高228.00，板頂覆土按平均1.2m考慮。故生化池區(qū)域單位面積需要提供抗浮力為W -G ＝90.9kN／m2。其中，W 為抗浮力，G為生化池區(qū)域單位面積自重及覆土重。

1.抗拔樁

根據(jù)樁基初步布置，單樁受荷面積為6m2，每樁承擔的抗浮力為545.4kN，每樁抗拔力特征值取600kN滿足要求。經(jīng)計算，生化池區(qū)域選配1820，As＝5655mm2，樁基最大裂縫為0.18mm，滿足要求。根據(jù)《建筑基樁技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）5.4.6.1 條初步計算樁長：各區(qū)域地質(zhì)條件不同，計算樁長為7m～12m，同時結(jié)合其豎向承壓要求，本工程灌注樁樁長為8m～15m。

2.抗浮錨桿

抗浮錨桿是一種有效的技術(shù)手段，具有良好的地層適應性，易于施工，錨桿布置非常靈活，錨固效率高，有利于建筑結(jié)構(gòu)的應力與變形協(xié)調(diào)，減少結(jié)構(gòu)造價，在許多條件下優(yōu)于壓重和抗浮樁方案［2］。

單根錨桿受荷面積2.4m2，每根錨桿承擔的抗浮力為218.16kN，每根錨桿抗浮力特征值取250kN滿足要求。根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標準》（JGJ 476—2019）［7］第7.5.6 條及第7.5.4 條計算：采用328 三級筋，AS＝1847mm2，筋體截面滿足要求。錨桿長度取4.50m，滿足抗浮計算要求。其中：錨桿錨固體的抗拔安全系數(shù)K ＝2.0；錨固體與巖層間的粘結(jié)強度標準值frbk＝320kPa；錨固體直徑d ＝180mm；經(jīng)驗系數(shù)ξ ＝0.8。

2.3 有限元分析復核

利用通用有限元分析軟件SAP2000 對抗浮設(shè)計進行復核，生化池整體模型見圖2，在模型中通過在底板下的抗拔樁及抗浮錨桿相應位置設(shè)置豎向點彈簧來模擬樁基（錨桿）的效應，參考張武等［8］對單樁豎向剛度的研究，樁基豎向點彈簧剛度取值為4 ×105kN／m，根據(jù)《高壓噴射擴大頭錨桿技術(shù)規(guī)程》（JGJ／T 282—2012）［9］第4.6.9 條及工程經(jīng)驗，抗浮錨桿豎向彈簧剛度取值為1.5 ×105kN／m。

圖2 生化池區(qū)域整體模型Fig.2 Overall model of biochemical pool area

以“外土+自重工況”驗算生化池抗浮，將樁基（錨桿）拉力（F3）按照由大到小的順序排列，如表1 所示（表中僅列舉前20 節(jié)點）。

表1 樁基、錨桿抗拔力計算結(jié)果（單位：kN）Tab.1 Calculation results of pile foundation pullout resistance（unit：kN）

由表1 可知，底板下節(jié)點彈簧的內(nèi)力為負，單樁最大拉力548kN，與初步計算的單樁平均拉力545.4kN基本相符；錨桿最大拉力230kN，與初步計算的錨桿平均拉力218.16kN 基本相符，生化池樁基及錨桿布置滿足對應的抗拔要求。

根據(jù)抗浮計算及有限元計算復核結(jié)果，本項目在地質(zhì)條件較好基巖區(qū)域采用“筏板基礎(chǔ)+抗浮錨桿”的形式，在地質(zhì)條件較差區(qū)域采用Φ600旋挖灌注樁+筏板基礎(chǔ)，該方案能有效地解決地下箱體的抗浮問題。

3 基坑支護方案

3.1 基坑概況

本工程綜合箱體基坑東西長約220m，南北長約167m，最大開挖深度15m?；又苓叚h(huán)境復雜，場地北側(cè)有運行鐵路線（距基坑約32m）、輸氣管線（距基坑約12m）、通信管線（距基坑約9m），場地南側(cè)為躍水溪（距基坑約50m），同時場地東側(cè)為運行中污水廠一期（距基坑41m）?；优c周邊環(huán)境關(guān)系如圖3 所示。

圖3 基坑平面及周邊環(huán)境示意Fig.3 Schematic diagram of foundation pit plan and surrounding environment

3.2 基坑支護選型

根據(jù)基坑概況及地質(zhì)條件可知，本基坑設(shè)計存在以下難點：（1）基坑開挖范圍及深度較大；（2）基坑周邊環(huán)境復雜，對變形控制要求高；（3）基坑地下水位較高?；又ёo方案的選擇要綜合考慮場地地質(zhì)條件、場地地下水、施工場地平面布置、場地周圍建筑環(huán)境及工程造價等影響因素。本項目基坑尺寸較大，因此內(nèi)支撐方式不易實現(xiàn)。綜合本基坑特點、地質(zhì)條件、場地周邊環(huán)境、基坑和周圍構(gòu)筑物安全及造價等多方面因素考慮，基坑南北側(cè)及東側(cè)由于存在現(xiàn)狀不可遷改的管線及河流，采用“排樁+錨索”的支護形式，基坑西側(cè)現(xiàn)狀管線經(jīng)建設(shè)單位溝通可進行遷改，故采用“放坡+掛網(wǎng)錨噴”的支護形式。北側(cè)部分區(qū)域因土質(zhì)較差和錨索拉力無法滿足要求，而采“用雙排樁+錨索”的支護形式。

3.3 基坑支護方案計算分析

1.計算依據(jù)及土體參數(shù)

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）［10］，依據(jù)基坑開挖深度以及基坑周邊環(huán)境綜合判定：地下負二層結(jié)構(gòu)基坑安全等級一級，重要性系數(shù)為1.1；局部僅地下負一層時，基坑安全等級二級，重要性系數(shù)為1.0。支擋結(jié)構(gòu)的嵌固穩(wěn)定性系數(shù)Kem在安全等級為一級、二級時分別不應小于1.25、1.2，雙排樁支擋結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性安全系數(shù)Ks分別不應小于1.35、1.3，支擋結(jié)構(gòu)抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)Khe分別不應小于1.8、1.6。

本工程利用理正深基坑軟件進行基坑支護計算，土體參數(shù)取值如表2 所示。

表2 土體參數(shù)取值Tab.3 Soil parameters

2.計算結(jié)果及分析

以雙排樁為例進行分析計算：上部2m 采用1∶2 放坡，網(wǎng)噴80mm厚并設(shè)置鋼筋網(wǎng)片，下部采用“雙排灌注樁+錨索”。灌注樁樁徑為1.2m，樁中心距2m，樁長31.0m，排樁間距為2.4m。設(shè)置2 排4 束15.2 鋼絞線擴大頭錨索，普通錨固體直徑為200mm，錨索水平間距為2.0m。第一道錨索長26.5m（錨桿自由段為10m，普通錨固段為12m，擴大頭段為4.5m，預應力為350kN），第二道錨索長21.5m（錨桿自由段為6m，普通錨固段為11m，擴大頭段為4.5m，預應力為350kN），其支護斷面詳圖4。

圖4 雙排樁基坑支護斷面Fig.4 Cross section of double row pile foundation pit support

最不利斷面計算結(jié)果包絡(luò)圖如圖5 所示，由圖5 可知前排樁最大水平位移為22.36mm，后排樁最大水平位移為26.87mm；前排樁最大彎矩為958.5kN·m，后排樁最大彎矩為533.2kN·m；前排樁最大剪力為351.5kN，后排樁最大剪力為231.0kN。

圖5 基坑支護斷面計算結(jié)果包絡(luò)圖Fig.5 Envelope diagram of calculation results for foundation pit support cross-section

由表3 計算結(jié)果可知，本基坑支護方案能滿足基坑施工及周邊建（構(gòu)）筑物、管線等的穩(wěn)定性和安全性的要求。

表3 計算結(jié)果Tab.3 Calculation results

3.4 基坑降水與隔水

本工程地下水位高，綜合箱體地基處理、基坑開挖施工前需要先降低地下水，施工期間以截水溝、排水溝等明排水方式進行排水?？拥紫虏客翆佣酁樯皩雍吐咽瘜拥葟娡杆畬樱捎霉芫邓?。在進行施工降水方案設(shè)計時，該場地地下水的滲透系數(shù)k粉砂采用1.0m／d，細砂采用3.0m／d，卵石采用32.0m／d。由于降水過程中，容易將卵石中的細粒土（砂、粉土等）抽出，易造成基坑周圍的地面塌陷、建筑物沉降破壞等，因此基坑降水方案要求對出砂量進行控制，并在基坑降水過程中對基坑周邊的路面、建筑物進行沉降觀測。

本項目綜合箱體基坑采用“降水井+明排+局部隔水”的方式排除地下水，共布置降水井38口，井深27.5m，井間距約20m。降水井沿建筑物周邊進行布置。根據(jù)地勘資料，基坑開挖后周邊有透水性較好的土層（砂卵石）時，布置“降水井+隔水”；基坑開挖后地層主要為粉質(zhì)黏土和泥巖的區(qū)域不布置降水井，主要采用明排方式。土方開挖階段及基礎(chǔ)施工時明排、降水井降水和隔水共同實施，以達到降水目的。

3.5 基坑監(jiān)測方案

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》［11］，在基坑開挖前應在基坑周邊布置變形、沉降觀測點。其中：建筑物四角、沿外墻10m～15m 布置監(jiān)測點，沿基坑周邊布置支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測點，間距不宜大于20m且每邊不少于3 個，周邊中部、陽角處均布置，水平、豎向位移監(jiān)測點宜為共用點。共布置水平、豎向位移監(jiān)測點37 個，周邊環(huán)境監(jiān)測點34 個。

4 結(jié)論

本文以瀘州市某臨江地埋式污水處理廠工程為例，對地埋式污水處理廠的抗浮方案及基坑支護方案設(shè)計進行分析，總結(jié)如下：

1.對地下箱體生化池區(qū)域的抗浮設(shè)計方案采用初步計算及有限元計算對比分析，結(jié)果表明采用的筏板結(jié)合錨桿及旋挖灌注樁的樁筏基礎(chǔ)方案能有效解決地下箱體的抗浮問題。

2.地下污水廠平面尺寸及埋深較大，基坑開挖時對周邊環(huán)境影響大，需結(jié)合地質(zhì)條件和周邊環(huán)境選擇多種支護形式相結(jié)合的基坑支護方案。

3.對最不利基坑支護斷面采用雙排錨拉樁結(jié)合噴錨放坡的基坑支護方案，并進行基坑穩(wěn)定性及變形的驗算，結(jié)果表明該方案能滿足本項目基坑安全的要求。