太浦河泵站工程深基坑設(shè)計(jì)與實(shí)施
2009-09-28 

一 工程概況
太浦河泵站工程位于江蘇省吳江市境內(nèi)的太浦河南側(cè),其主要作用是枯水期間通過(guò)抽引東太湖水以有效地改善上海市黃浦江上游二期引水工程取水口段的水質(zhì),提高上海市半數(shù)以上人口的生活及企事業(yè)單位供水水質(zhì)和供水保證率。工程設(shè)計(jì)總流量為300立方米/秒,裝有單泵流量50立方米/秒、葉輪直徑4.1米、斜15度軸伸泵6臺(tái)。工程總投資2.76億元。

工程實(shí)施中基坑擬采用大開(kāi)挖方式,泵房基坑長(zhǎng)(順?biāo)鞣较颍?09.7米。寬(垂直水流方向)71.5米,挖深14.5米(基坑底高程EL-8.05米,原狀土高程EL6.5米),其中集水井部位挖深達(dá)17.2米。由于基坑規(guī)模大、暴露時(shí)間長(zhǎng),如何確?;娱_(kāi)挖過(guò)程及施工期的安全是整個(gè)工程成敗的關(guān)鍵。
 
二、地質(zhì)狀況及環(huán)境分析
1、泵站基坑所在區(qū)域的地質(zhì)狀況見(jiàn)下表:
土層
土層底高程(m)
天然含水量(%)
固結(jié)快剪
滲透系數(shù)(20℃)cm/s
允許承載力(kpa)
C(kpa)
φ(°)
①1
2.1~4.3
 
17/8
32/30
4.0E-6(6.1E-5)(垂直)
 
②2
0.2~1.7
36.6
13/11
22/20
3.0E-6(9.7E-6)(垂直)
80
②3
0.1~-4.5
49.4
16/11
16/14
8.6E-6(2.5E-5)(垂直)
60
②5
-5.1
35.2
10/
 
3.1E-5(2.5E-5)(垂直)
120
③1
-2.5~-3.2
26.7
40/29
20/184
1.0E-7(3.7E-7)(垂直)
255
③2
-3.2~-8.1
30.5
32/21
20/20
4.2E-7(9.5E-7)(垂直)
150
③3
-6.7~-8.7
32.3
5/5
35/33
1.3E-4(1.7E-4)(水平)
120
④1
-9.1~-11.4
33.4
 
 
6.4E-4(垂直)
120
-3.3~-15.0
34.8
18/14
16/15
4.3E-7(1.8E-6)
105
⑤′
 
35.7
11/5
29/27
1.2E-6(2.6E-6)
110
-17.6~-20.1
23.5
55/45
24/22
1.6E-7(6.6E-6)
300
注:(1)滲透系數(shù)攔中,前值為算術(shù)平均值,后值(括號(hào)內(nèi))為大值平均值;
(2)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)欄中,橫線上、下行數(shù)值分別為算術(shù)平均值、小值平均值。
基坑開(kāi)挖深度范圍共涉及十個(gè)不同地質(zhì)亞層,其中以粉質(zhì)粘土層居多,并夾厚達(dá)2~4米的淤泥質(zhì)粘土層。主要含水層為③3、④1和②5層,其滲透系數(shù)(垂直和水平方向)均為K=A×10-5——A×10-4cm/s,屬弱透水層;③2與⑤1層為粘性土夾薄層砂壤土,具有較好的水平層理,地下水以水平運(yùn)動(dòng)為主,K(垂直)=A×10-7cm/s,K(水平)=A×10-5cm/s。其中②3層淤泥質(zhì)粘土層與②2層內(nèi)所夾泥炭層,土質(zhì)極軟,高壓縮性,強(qiáng)度低,是基坑邊坡穩(wěn)定的控制層;③3和④1層為輕砂壤土,在地下水流作用下,可能會(huì)產(chǎn)生流沙。
2、在批復(fù)的工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告中明確,考慮到要盡可能少占用耕地及拆遷民房,泵站站址選擇在太浦河閘南側(cè),并選用泵閘分建方案。泵房中心線與太浦河中心線平行,兩者中心線相距200米,交通橋與太浦閘橋成直線布置,交通橋中心距泵房中心74.15米。工程拆遷原則上只考慮渠堤范圍內(nèi)的建筑物。工程布置見(jiàn)下圖:
 
太浦河節(jié)制閘是1958年建造的,其標(biāo)準(zhǔn)較低,1998年經(jīng)鑒定為病危水閘。而太浦河為太湖流域?yàn)a洪主要通道,其防洪保護(hù)面積大于20萬(wàn)畝,保護(hù)人口超過(guò)20萬(wàn)人。
3、按照工程總體安排,基坑開(kāi)挖將主要集中在2001年3、4月間,5月初基坑形成、進(jìn)行深層水泥攪拌樁施工。這樣,基坑將不可避免地要度過(guò)整整一個(gè)汛期,將經(jīng)受暴雨及洪水的考驗(yàn)。
由此我們可以看出,研究太浦河泵站基坑的安全,不能只考慮基坑本身,還要考慮周邊民房的安全,更要研究如何同時(shí)確保太浦河節(jié)制閘及太浦河防洪大堤的安全。
三、基坑方案選擇
1、增設(shè)地連墻
初設(shè)結(jié)束后經(jīng)進(jìn)一步研究,為了保護(hù)太浦河節(jié)制閘及太浦河大堤,同時(shí)減少因太浦河側(cè)滲流而對(duì)基坑形成破壞,而增加一項(xiàng)輔助工程設(shè)施:即沿太浦河節(jié)制閘右岸設(shè)置一道厚24cm的地下連續(xù)砼防滲墻,上下游長(zhǎng)度共240米,防滲墻深度約18.7m,其墻的底部嵌入相對(duì)不透水層0.3~0.5m深。(見(jiàn)上圖)
2、承包商投標(biāo)時(shí)所報(bào)方案及有關(guān)承諾
本工程在招標(biāo)文件中明確基坑土方(范圍為樁號(hào)0-77.5至0+77.5兩個(gè)橫斷面之間)采用總價(jià)包干的方式。因而投標(biāo)人往往都按較陡的方案考慮基坑邊坡。
中標(biāo)的承包商所報(bào)方案為在EL3.5m、EL-2.6m高程布設(shè)寬度分別為2m和1m的馬道,其中在高程EL3.5m的馬道上布置噴射井點(diǎn)及進(jìn)、排水總管、截水溝等。經(jīng)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算,選定原始地面至EL3.5m高程,開(kāi)挖邊坡為1:1.5,EL3.5m至EL-2.6m之間開(kāi)挖邊坡為1:2.5,EL-2.6以下為1:2.5。由此,計(jì)算泵房基坑開(kāi)挖總量為18.5萬(wàn)方。
評(píng)標(biāo)專(zhuān)家們對(duì)這一方案并不放心,通過(guò)澄清,承包商鄭重承諾在報(bào)價(jià)不變的前提下,基坑開(kāi)挖及圍護(hù)措施根據(jù)基坑開(kāi)挖過(guò)程出現(xiàn)的情況,可按照業(yè)主和監(jiān)理工程師的要求及時(shí)調(diào)整。
3、方案研究
研究基坑方案,重點(diǎn)是研究?jī)蓚€(gè)問(wèn)題:一是邊坡放坡方案;二是降排水方案。
(1)邊坡放坡設(shè)計(jì)
由于感到承包商所報(bào)邊坡方案偏于不安全,為制定可靠、詳實(shí)的基坑實(shí)施方案,工程建設(shè)指揮部分別委托四家設(shè)計(jì)院對(duì)基坑進(jìn)行了邊坡設(shè)計(jì)。
四家設(shè)計(jì)院均認(rèn)為可能的滑動(dòng)面有兩個(gè):一是在②3層——淤泥質(zhì)粘土層滑出,滑出點(diǎn)位于整個(gè)邊坡的中部;二是基坑底部沿⑤層的深層滑動(dòng)。
下表是四家設(shè)計(jì)院(其中C、D兩家聯(lián)合完成)的計(jì)算工況、條件、結(jié)果、建議方案的比較:

設(shè) 計(jì) 院
項(xiàng) 目
A
B
C與D
工程等級(jí)
臨時(shí)建筑物4級(jí)
 
太浦河十年一遇防洪要求
邊坡抗滑安全系數(shù)要求
K≥1.05
K≥1.15,井點(diǎn)降水有效
K≥1.2
K≥1.05,井點(diǎn)降水失效
抗剪強(qiáng)度指標(biāo)選取
直接快剪小值平均值
K≥1.15,固結(jié)快剪小值平均值
結(jié)合地質(zhì)報(bào)告,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),提出的設(shè)計(jì)采用值
K≥1.05,直接快剪平均值
對(duì)排水的考慮
正常地下水位取-2.2m,由坡頂后10m到坑底直線變化
井點(diǎn)降水
在3.5m高程設(shè)輕型井點(diǎn)
在-1.0m高程設(shè)置噴射井點(diǎn)
計(jì)算方法
按瑞典圓弧法,用自編程序
邊坡穩(wěn)定分析電算程序
圓弧滑動(dòng)法,同濟(jì)大學(xué)啟明星軟件
計(jì)算結(jié)果
三級(jí)平臺(tái),5+5+5m,邊坡均以1:2.5
K上=1.452
K下=1.088
(1)按固結(jié)快剪小值平均值,邊坡1:1.5情況下,K=1.293;
(2) 按直接快剪平均值,邊坡1:2.5情況下,K=1.05
按1:1.5、1:2.5、1:2.0放坡
K=1.27
建議方案
在EL4.00、EL0.00、EL-4.00處分別設(shè)置5m 馬道,全部按1:2.5放坡
在②3層以上按1:3放坡
在②3層以下按1:2放坡
在EL3.50m處設(shè)3m寬?cǎi)R道,在EL-1.00m處設(shè)2m寬?cǎi)R道
第一級(jí)邊坡1:1.5
第二級(jí)邊坡1:2.5
第三級(jí)邊坡1:2.0

(2)降排水方案
對(duì)于潛水及雨水均采用開(kāi)挖明溝、排水溝,匯集于集水坑內(nèi)抽走的方法解決。下部地下水抽排方案是降排水方案的核心。為了確保泵房基坑及其它部位的開(kāi)挖施工,以及基礎(chǔ)砼澆筑的順利進(jìn)行,必須采用人工降水方法把水位降至建基面以下。
工程前期地勘過(guò)程曾針對(duì)以③3、④1和⑤1等層共同組成的承壓含水層做過(guò)抽水實(shí)驗(yàn)。泵站場(chǎng)區(qū)淺部承壓水層承壓水位在EL3.26~EL3.47m,承壓水頭約7.8m,抽水試驗(yàn)表明該層滲透系數(shù)K=2.9×10-4 cm/s,具中等透水性,降深3.5~3.6m時(shí)影響半徑36m。如需將地下水位降至EL-9.0m,基坑日涌水量約在250~350m3/d。
基坑開(kāi)挖前,我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了深井降水試驗(yàn),以確定采用何種降水手段。試驗(yàn)深井布置在基坑?xùn)|南角,井深22m,成井直徑¢800mm,井底高程為EL-16.0m,降水后確保承壓水位控制在EL-9.0m。同時(shí)在深井正南隔8m、20m、35m布置E1、E2、E3深水位觀測(cè)井,在深井正東方向隔8m、19m、34m布置S1、S2、S3深水位觀測(cè)井。試驗(yàn)結(jié)果如下圖(深井降水試驗(yàn)曲線表),可看出深井的有效降水區(qū)域并不顯著。
深井降水試驗(yàn)曲線表
 
根據(jù)深井降水試驗(yàn)結(jié)果同時(shí)參考周邊地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn),我們決定在基坑開(kāi)挖時(shí)還是采用多層輕型井點(diǎn)環(huán)狀降水方案。
4、方案確定
工程建設(shè)指揮部在充分分析研究四家設(shè)計(jì)院計(jì)算成果的基礎(chǔ)上認(rèn)為:
(1)邊坡最不利的圓弧滑動(dòng)面分別為:沿著EL-0.2m③1硬土層上的頂層局部圓弧滑動(dòng)和沿著EL-12.7m⑥層硬土層以上的深層圓弧滑動(dòng),邊坡設(shè)計(jì)按起控制作用的深層圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算成果為依據(jù)。
(2)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)水利水電勘察規(guī)范,滑動(dòng)面土的抗剪強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值取固結(jié)快剪峰值的小值平均值,泵站設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)為1.20;根據(jù)上海市標(biāo)準(zhǔn)基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)范,開(kāi)挖深度超過(guò)10m,屬于一級(jí)基礎(chǔ),滑動(dòng)面土的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取固結(jié)快剪峰值的算術(shù)平均值,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.43,邊坡設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)符合國(guó)家及上海市有關(guān)規(guī)范的要求。
考慮到要給地連墻留有足夠?qū)挼耐馏w以保證地連墻的穩(wěn)定,綜合四院的方案,提出如下三級(jí)馬道放坡及四級(jí)井點(diǎn)環(huán)狀布置的方案(如下圖)。
 
對(duì)這樣的邊坡采用不同指標(biāo)的抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果見(jiàn)下表:

土的力學(xué)性能
邊坡
固結(jié)快剪小值平均值
固結(jié)快剪算術(shù)平均值
1:2.5井點(diǎn)完全有效
K上
1.47
1.89
K下
1.91
2.19
1:2.5井點(diǎn)失效
K上
1.21
1.54
K下
1.07
1.30

可見(jiàn)考慮井點(diǎn)完全有效,按圓弧滑動(dòng)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)邊坡為1:2.5三級(jí)馬道時(shí),Kmin=1.47,滿足國(guó)家規(guī)范[K]≧1.2的要求,按上海市規(guī)范計(jì)算Kmin=1.89,滿足上海規(guī)范[K]≧1.43的要求。(滑弧布置見(jiàn)下圖)。雖然計(jì)算K值較規(guī)范偏大,但考慮到井點(diǎn)會(huì)淤堵及長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)降雨等因素,即井點(diǎn)不可能完全有效,而按照計(jì)算如井點(diǎn)完全失效則K值達(dá)不到規(guī)范要求,故認(rèn)為所選擇的放坡及降水方案并不過(guò)分偏于保守而是適宜的。
 
 
四、基坑實(shí)施
承包商以上述邊坡設(shè)計(jì)為依據(jù)編寫(xiě)了施工組織設(shè)計(jì),并通過(guò)了包括劉建航院士在內(nèi)的多名地基處理專(zhuān)家的評(píng)審。
泵房工程的基礎(chǔ)開(kāi)挖土方約20萬(wàn)方,在實(shí)際實(shí)施中考慮到深層水泥攪拌樁施工及坑底保護(hù)的需要而分兩期開(kāi)挖。一期開(kāi)挖至EL-6.2m左右,歷時(shí)近四個(gè)月,5月13日結(jié)束;二期待深層水泥攪拌樁施工結(jié)束達(dá)到強(qiáng)度要求使用小型反鏟式挖機(jī)配合人工開(kāi)挖至EL-8.05m。在基坑開(kāi)挖過(guò)程及保護(hù)方面,我們主要抓了以下幾個(gè)方面:
1、嚴(yán)格遵循“先降水,后開(kāi)挖”的原則,在輕型井點(diǎn)發(fā)揮作用后再進(jìn)行該級(jí)開(kāi)挖;
2、做好施工現(xiàn)場(chǎng)地面排水系統(tǒng),在坡頂和每一平臺(tái)處都設(shè)置了截水溝,匯集后用水泵及時(shí)抽排入太浦河;
3、加強(qiáng)對(duì)坡面的保護(hù),除了對(duì)最下一層邊坡進(jìn)行素砼抹面保護(hù)外,平時(shí)備足土工布,遇有降雨,在土坡上鋪土工布以保護(hù);
4、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)工作,委托了專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)隊(duì)伍在基坑實(shí)施全過(guò)程進(jìn)行地下水位變化、沉降、測(cè)斜等方面的監(jiān)測(cè)工作,以指導(dǎo)實(shí)施;
5、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)操作管理,嚴(yán)格禁止直立開(kāi)挖深度超過(guò)2米。
在基坑實(shí)施過(guò)程中我們也遇到了兩個(gè)問(wèn)題:
一是西北角翼墻部位在開(kāi)挖接近設(shè)計(jì)基面時(shí),出現(xiàn)細(xì)微的流砂現(xiàn)象。我們采取的措施是在加大排水力度的同時(shí)加快局部施工,盡早進(jìn)行封底,根據(jù)監(jiān)測(cè),封底后一切正常;
二是西南邊坡的一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)曾在同一天內(nèi)沉降及傾斜變化均超過(guò)規(guī)范允許范圍。對(duì)此我們?cè)谠搮^(qū)域暫停了三天施工,未采取其它措施。待穩(wěn)定后繼續(xù)施工,經(jīng)后續(xù)監(jiān)測(cè),一切正常。
五、后評(píng)價(jià)
8月中下旬開(kāi)始進(jìn)行泵站底板澆筑,基坑安全渡過(guò)了整整一個(gè)汛期的考驗(yàn)。確保了后續(xù)工程的順利實(shí)施。下面就三方面對(duì)基坑實(shí)施方案進(jìn)行評(píng)價(jià):
1、地連墻
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明地連墻迎太浦河、基坑側(cè)的水位差達(dá)4米左右,同時(shí)太浦閘在施工期的最大沉降為2mm,最大位移為2mm,均在規(guī)范允許范圍內(nèi)??梢灾v地連墻確保了太浦閘及太浦河的穩(wěn)定與安全。
2、井點(diǎn)降水
實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn),井點(diǎn)降水前后坡面的干濕程度截然不一樣,這對(duì)坡面的保護(hù)極為有利。
3、放坡及馬道
基坑很安全,回過(guò)頭來(lái)看邊坡設(shè)計(jì)是否過(guò)于保守了呢?為此,我們從三個(gè)方面評(píng)價(jià):
(1)經(jīng)濟(jì)
實(shí)施方案與承包商投標(biāo)時(shí)所報(bào)方案相比,增加土方量1.5萬(wàn)方,按其報(bào)價(jià)開(kāi)挖8.33元/m3,回填13.03元/m3計(jì)算共增加投入27.5萬(wàn)元。這在整個(gè)工程中所占比例極小。
(2)工期
由于增加開(kāi)挖量而延長(zhǎng)工期,在關(guān)鍵線路上受影響的只是基坑土方開(kāi)挖。按正常日出土2500m3計(jì),延長(zhǎng)工期6天左右。通過(guò)合理組合安排,這不至于對(duì)總體進(jìn)展產(chǎn)生影響。
(3)安全性
進(jìn)水渠段的地質(zhì)狀況與基坑部位基本類(lèi)同,只是②3層土稍厚。進(jìn)水渠為梯形明渠,渠底高程EL-2.50m,渠道邊坡1:3,在EL3.2m處設(shè)寬5m的馬道,堤防頂高程EL7.0m。進(jìn)水渠南堤0-413.00~0-475.00m段2001年10月中旬即已形成斷面,但在2001年11月3日突然發(fā)生滑坡現(xiàn)象,堤腳向外滑移30m左右。堤腳的滑動(dòng)面為自然狀態(tài),未出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。
由此反證基坑的邊坡及馬道設(shè)置并不過(guò)于保守。
綜上可以看出,本工程的基坑方案是符合工程點(diǎn)的、妥切的。
六、體會(huì)與建議
在軟基上進(jìn)行基坑開(kāi)挖是江、浙、滬地區(qū)的工程界要經(jīng)常面臨的一項(xiàng)技術(shù)難題,在基坑實(shí)施中發(fā)生邊坡失穩(wěn)而導(dǎo)致機(jī)毀人亡,給工程造成重大損失的案例也經(jīng)常出現(xiàn)。太浦河泵站工程的基坑深度深、范圍大、施工暴露時(shí)間長(zhǎng)、地質(zhì)和水文條件復(fù)雜,北側(cè)緊鄰太浦閘,防汛要求高,具有典型意義。筆者全過(guò)程參與了方案的論證及實(shí)施,有如下體會(huì);
1、方案論證特別是邊坡與馬道設(shè)計(jì)要慎重,正確的方案是基坑安全的首要前提;
2、降排水是工程成功的保證,要組織專(zhuān)門(mén)的隊(duì)伍負(fù)責(zé)降排水工作。本項(xiàng)目還專(zhuān)門(mén)印制了“泵站基坑降排水管理手冊(cè)”,發(fā)至每個(gè)相關(guān)的工人,使人人都能明了自己的職責(zé)與工作要點(diǎn);
3、加強(qiáng)監(jiān)測(cè),進(jìn)行信息化施工是重要保障。及時(shí)整理數(shù)據(jù),建立上報(bào)制度,使業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工各方都能及時(shí)掌握動(dòng)態(tài)信息,便于在第一時(shí)間對(duì)各種可能出現(xiàn)的情況作出正確的反應(yīng);
4、加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)控制極為重要。再好的方案如沒(méi)有良好的施工現(xiàn)場(chǎng)控制作為保證,那將會(huì)成為一紙空文。很多基坑事故都是在開(kāi)挖中由于直立開(kāi)挖、擾動(dòng)過(guò)大、降排水不及時(shí)等原因誘發(fā)的。
5、關(guān)注基坑主體的同時(shí)應(yīng)關(guān)注周邊建筑物,本工程更多關(guān)心了太浦閘,而忽略了南側(cè)的民房從而帶來(lái)了一些后遺癥;
筆者建議:
1、對(duì)基坑工程建筑物等級(jí)的認(rèn)定不能等同于一般的臨時(shí)工程,應(yīng)適當(dāng)提高其級(jí)別;
2、在邊坡設(shè)計(jì)中,抗剪指標(biāo)的選取極為關(guān)鍵,按直接快剪指標(biāo)過(guò)于偏安全,應(yīng)選擇固結(jié)快剪指標(biāo),但用小值平均值還是算術(shù)平均值,應(yīng)對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的K值要求。建議按不同的規(guī)范分別計(jì)算,取最不利的計(jì)算結(jié)果作為控制依據(jù);
3、在邊坡設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮降水效果,但最終計(jì)算結(jié)果應(yīng)留有一定的余量。因?yàn)榫c(diǎn)有時(shí)會(huì)因連續(xù)較大規(guī)模降雨或孔壁堵塞等原因造成部分甚而全部失效。

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