常熟生活垃圾焚烧发电厂基坑支护方案技术经济比较及选型
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作者: 强国平
摘 要：本文结合工程特点和周边环境条件，通过对两种基坑支护方案在经济上和技术上的对比分析，选择了安全可靠、技术合理、施工可行的方案，并对该选型方案的计算结果和降水、开挖、监测要求作了介绍，可为类似工程提供借鉴。
关键词：场地；土层；预应力砼管桩；基坑；支护：搅拌桩：土钉：SMW工法：降水；开挖：监测
中图分类号：TU94+2
文献标识码：B
文章编号：1008-0422(2010)02-0129-04-
1 工程概况
1.1 常熟生活垃圾焚烧发电厂工程位于常熟市辛庄镇南湖荡南岸，占地约4.67hm2，总建筑面积51374m2，日处理垃圾600t，项目总投资约3亿元人民币。
1.2 本基坑为常熟生活垃圾焚烧发电厂主工艺厂房的垃圾储备坑，位于主工艺厂房垃圾进料大厅，垃圾焚烧区中部，储备坑净尺寸为：长39.35m、宽15m、高27.5m，坑底标高-5.000m，坑顶为22.500m：垃圾渗漏液池为局部落深，坑底标高-7.000m：储备坑采用钢筋砼结构，四周壁厚为300～800mm，扶壁柱断面800×900、8OO×1500、1000×2000，采用桩筏基础。桩为满堂桩，桩间，距1500～2500mm，桩型为φ500 PHC预应力砼管桩、长，17m：储备坑中部底板厚度为l000m州、四周坑壁及扶壁柱处为桩承台，高度1500mm：储备坑中部无竖向隔墙和水平隔(或楼)板。
1.3 根据垃圾储备坑的结构外形尺寸，并考虑土建施工及基坑变形等因素，确定本基坑外形呈凸字形，基本宽度21.6m(局部另突出7.5m、宽9.13m)，总长度为43.85m。经地面挖土1m卸载后(确保坑外桩顶有300mm覆土保护)，基坑深度为5.2m，局部深度为7.2m。
2 工程地质条件
2.1 根据常熟市建筑设计研究院提供的《常熟市生活垃圾焚烧发电厂岩土工程勘察报告》(20D3250-1) (详细勘察)：本工程场地地形地貌形态比较简单，隶属长江三角洲冲积平原。在勘察揭露深度60m范围内，主要沉积地层为第四系全新统河口～滨海相冲(沉)积的粉质粘土、粉土及砂性土组成。
2.2 场地土层组成及其主要物理力学参数的情况自上而下分述如表1。
2.3 拟建场地土类型为中软场地土，且场地内无不良地质现象，场地地下水为孔隙潜水，地下水和土对砼和钢结构无腐蚀性，地下水位较高(地面下0.3～2.1m)，开挖土层均为微弱或不透水层。本工程自然地坪标高为O.3～0.4m(黄海高程系)，所取相对标高±0.000m相当于绝对标高1.8OOm，室内外高差0.3m。
3 周边环境条件
拟建场地原为农田，无建(构)筑物、无公路，无地下管线等设施，因此基坑开挖施工对周围环境不产生影响。但本基坑位于主工艺厂房中部，而厂房主体结构为砼框架一独立承台桩基础，坑内为满堂桩基，且坑内外的沉桩施工已基本完成。桩为预应力砼管桩(PHC桩)φ400×80和中500×100两种，桩长为12～17m，桩顶标高坑内－6.400、坑外为：1.900，坑内外桩顶标高相差达4.5m。坑外桩距基坑边缘一般为2～3m，最近处仅为1.2m，因此，基坑的施工应确保其影响范围内近二百根、坑内三百多根桩的安全，并且基坑的侧向变形应控制在一定范围内，以免造成坑外桩产生较大的倾斜；详见图一：主厂房及垃圾储备坑的桩位、承台、基础平面布置图。
4 基坑支护体系方案的技术经济比较和选型
4.1 基坑方案选型的基本原则
基坑支护结构体系必须确保周围已有桩基的安全，同时做到技术可行、经济合理、方便施工，本工程基坑支护体系应遵循这一原则进行选型。根据大量工程实践经验，目前在粘性土层中开挖深度小于7m的基坑，常用的支护形式有下列三种：①水泥土搅拌桩组成的格栅型重力式挡墙体系，②土钉支护体系，③型钢水泥土搅拌墙(SMW工法1支护体系；鉴于本基坑内外已存在大量的预应力砼管桩。①方案已不能实施，因此仅能在②③方案之间作出对比分析和选择。
4.2 基坑支护体系方案
4.2.1土钉支护体系
用中48×3.5的钢管作为土钉以10°～20°的倾斜角打入基坑四周需加固的土体中，钢管壁上开设10～15mm的注浆孔，通过钢管向土体内注浆进行加固：钢管排列呈矩形或梅花状，水平和竖直向间距均为1m。本工程基坑深5.2m自上而下共设四排土钉，局部坑深7.2m时为六排，土钉长度自上而下为12、9、6m三种；土钉施工完毕后，基坑壁面层再铺设06@200的钢筋网片，并喷射C20砼面层、厚度100mm，分两次完成：最终土钉、注浆加固土体、喷射砼组成了完整的支护承载体系。另外，为了控制基坑的侧向位移，在局部落深7.2m处铺设两道水平支撑，水平支撑由钢围檩、φ609 x 16钢管组成。
因地下水位较浅，需采用两排φ700mm搅拌桩作基坑的止水帷幕：搅拌桩用国产二轴搅拌桩机施工，水泥掺量13％(重量比：即每立方米被搅拌土体中水泥掺入量约250kg)、水泥浆液水灰比0.5左右，桩之间搭接200mm，两排搅拌桩一长一短，靠坑内侧桩端进入⑦层粉质粘土隔水层，桩长14.5m，靠坑外侧桩长10.5m以节省工程量。基坑四周搅拌桩止水帷幕与⑦层天然隔水层，可有效的隔断坑内与坑外的水系通道，形成坑内封闭状态，防止由于地下水作用引起流砂、管涌等危害・同时在施工期间仅在坑内降水。坑外不作降水，以节省造价。
4.2.2型钢水泥土搅拌墙支护(下称SMW工法)体系：
SMW工法是指在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成复合挡土止水结构的一种工艺，型钢在地下永久结构完成后拨出。
本基坑工程采用一排SMW搅拌桩，直径为φ650mm，桩端进入⑦层粉质粘土隔水层、桩长14.5m；搅拌桩内插型钢为HSOOx300x1]×18、长度12.5m、间距0.9m，型钢的布置型式为插一跳一；对局部落深处搅拌桩桩长17.5m，内插型钢长度为15.5m、间距0.45m，即采取密插方式。搅拌桩采用从日本进口的直径为φ650mm三轴搅拌桩机施工，水泥掺量20％(重量比：即每立方米被搅拌土体中水泥掺入量不少于360kg)、水泥浆液水灰比1.5。
基坑内设水平支撑一道。位置设在基坑顶面并与砼围檩组成了良好的空间受力体系，可有效的控制基坑的侧向位移：对于局部落深处需设第二道水平支撑，以控制局部的较大变形；水平支撑分对撑和角撑两种，均采用φ609×1 6钢管；对撑长度较大。为防止失稳需控制长细比，四根对撑中部需设四根立柱，立柱由4L180X 12角钢组成的格构柱，柱下
采用两组φ650搅拌桩，柱插入桩内2m，以确保立柱不发生沉降。支撑间距最小为4m，留有较大空间，以方便挖土。
4.3 方案的经济性比较
4.3.1土钉支护体系的工程量及大致造价如表2。
4.3.2SMW工法支护体系的工程量及大致造价如表3。
4.3.3经以上价格比较，土钉墙支护方案经济上优于SMW工法支护。
4.3.4几点说明：
1)上述经济比较中的工程量仅为基坑的部分工程量：因此，以上造价并不是基坑工程的总造价；两方案共同的工程量如：挖土工程、降水工程、坑内局部采用搅拌桩加固工程，以及基坑施工过程中的监测工作等都不包括在内。
2)上述表中单价为当时的市场综合价格，并不是标准定额单价，因此价格随不同地区和时间会有出入。
3)以上价格是估算，结果仅作为方案比较之用，不能作为建设单价招投标等工作之依据。
4.4 方案的技术性比较
4.4.1土钉支护体系
1)本基坑四周由于桩的存在，而且距坑边较近，对土钉的施工造成很大的困难：①许多位置为了避开桩使土钉的间距达到2m以上：这样就不能完整有效的对土体起到加固作用，也就不能形成完整的土钉支护承载体系，造成基坑安全隐患。②坑外桩间距小、密度高，在土钉打入施工产生偏差时，不可避免会发生土钉与桩相碰：而桩为砼预应力管桩，管壁厚度最小仅80mm，因此很容易破裂，造成桩基的安全隐患，③受桩体阻碍，部分土钉打入深度得不到保证而影响土钉支护体系的完整性。
2)根据上海地区土钉支护工程实践，土钉支护体系的有效性、安全可靠性很大程度上取决于施工质量，而施工质量取决于施工队伍的技术和管理水平、工程经验和人员素质，随机性较大，换言之施工质量不易控制，因此不适于工程环境要求基坑变形控制严的情况・
3)根据所提供的工程地质勘察报告，本工程场地的土层大多属可塑、中密及中密以上状态，土体的天然强度较高，采用国产二轴搅拌桩机施工较困难；因此，φ700mm搅拌桩作基坑的止水帷幕其隔水和防渗性能难以保证：且坑底第⑤、⑥层土为粉性土和粉砂。地下水丰富渗透性强：若围护结构发生渗漏，易造成水土流失或产生较大的位移，对基坑安全和坑边工程桩造成不利影响-
4.4.2 SMW工法支护体系
SMW工法于九十年代后期从日本引进，近几年来在上海地区已成为基坑支护采用的主要技术之一，其最大的特点是施工机具和工艺先进(采用日本进口的三轴搅拌桩机)，其机械功率大，能穿透和充分搅拌强度较高的土层，质量易于控制和保证，能确保水泥土搅拌桩墙体的止水防渗可靠性：搅拌桩内插型钢再结合坑内水平支撑组成了良好的空间受力体系，可有效的控制基坑的侧向位移，特别适用于对环境要求高的基坑工程。该工法另一特点是内插型钢在地下永久结构完成后可拨出，以重复利用；因此，在满足强度和刚度的情况下，在经济上优于常规的砼钻孔灌注桩及地下连续墙等支护结构，在技术可靠性上优于土钉墙、水泥土搅拌桩等重力式挡土墙结构。
另外SMW工法的搅拌桩施工和插型钢的施工基本上不会影响四周现有桩的安全，不会有较大的挤土和震动作用，影响范围小，施工速度快；而且施工时不会与挖土等工序相冲突，便于管理。而土钉施工与挖土会发生相互影响，如果工序上组织协调不好，直接影响施工质量甚至发生事故，施工组织上稍复杂。
因此，本基坑支护型式选用安全可靠、技术合理、施工可行的SMW工法支护体系，其平面布置图和剖面图详见图2、图30
5 基坑支护计算及计算主要成果
5.1 参照上海市标准《基坑工程设计规程>(DBJ08-61-97)，本工程按二级基坑设计。
5.2 计算采用软件：由同济大学地下建筑与工程系编制的同济启明星系列软件：①深基坑支挡结构分析计算软件FRWSV4.O，②深基坑支撑结构分析计算软件BsC V3.1，
5.3 主动土压力计算采用郎金土压力理论公式，水土分算。
5.4 被动土压力计算采用土层侧压基床系数“m”值。
5.5 支挡结构的位移及内力采用“m”法有限元计算，模拟实际施TT况，即考虑分布开挖施工各工况实际状态下的位移变化。
5.6 SMW工法桩支护结构的计算结果见表4，
5.7 支撑结构的计算结果见表5。
6 基坑工程的降水要求
降水可有效改善挖土条件和改良坑内土的物理力学指标，提高基坑整体稳定和安全储备，进―步减小发生流砂、管涌的可能性：本基坑工程采用水泥土搅拌桩的止水帷幕，且插入⑦层粉质粘土隔水层，可有效的隔断坑内与坑外的水系通道，形成坑内封闭状态：因此，本工程基坑可采用坑内轻型井点降水方案，降水工作在土方开挖前二～三周进行，降水有效深度：在基坑开挖过程中应深于开挖面0.5～1.0m以下，开挖至坑底时，应在基坑底以下0.5～1.0m之间。
坑外顶部四周应设置截水沟，以防止地面水流入坑内：坑底内适当位置也应设置排水沟和集水井，以及时排出因雨天或施工期间的坑内积水，保持坑内干燥。
7 基坑土方开挖要求
土方开挖的顺序、方法必须与设计工况相一致，并遵循，开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖的原则；即应先开挖支撑上方土体至设计标高，待砼围檩和支撑施工完毕、砼强度达到设计要求后，再继续向下开挖。土方开挖采用分块、分区分层对称均匀开挖；开挖至设计标高后，应立即浇筑垫层，或随挖随浇垫层，无垫层坑底最大暴露面积不大于200m2；硷垫层直接铺设至围护桩内侧面，使垫层能够起到一层支撑作用。以减小基坑侧向位移。
采用机械挖土时，坑底应保留200～300mm厚基土，用人工挖除整平，并防止坑底扰动；严禁挖土机械碰撞支撑、立柱、维护桩和工程桩，挖土机械不得直接压在支撑上作业；地面超载应控制在20kN／m2之内。
8 基坑工程的监测要求
8.1 为了确保基坑工程的安全和质量，对基坑周围已有桩进行有效的保护，在基坑施工过程中应采取一定的监测措施，以及时预报施工过程中可能出现的问题，并通过信息反馈法指导施工，防止意外事件的发生。
8.2 监测工作必须在围护结构施工前测得初读数，在基坑降水及开挖期间须做到一日一测，在基坑施工期间的观测间隔，可视测得的位移及内力变化情况确定。当监测值超出控制指标时，施工单位应及时会同建设、设计、监理单位有关人员一起进行原因分析，并研究确定相应的控制位移及沉降的措施。
8.3 基坑工程应监测内容如下：
1)基坑顶面水平位移：用经纬仪和前视固定点形成测量基线，测量顶面各测点和基线距离变化，精度为1mm：
2)基坑顶面沉降和立柱沉降观测：用水准仪监测，精度不低于1mm；
3)基坑周围桩的垂直、水平位移和倾斜度，在桩头安装测点，用经纬仪和水准仪测量，测试精度≤lmm；
4)坑外、坑内水位变化监测：用设置水位管的方法测试水位计的标尺，最小读数为1mm：
5)深层土体侧向变形监测：用侧斜仪测试，精度≤1mm；
6)水平支撑轴力的测试：用安装在支撑端部的轴力计测试，精度不低于1/100(F.S)。
8.4 基坑的监测报警界限：
1)基坑周边桩和围护结构的水平、垂直位移大于3mm／日或累计大于40mm；
2)基坑周围地面沉降速率大于4mm／日或累计大于50mm：
3)基坑外地下水位下降大于500mm。
9 结语
该基坑工程尽管开挖深度和面积都不大，但作为垃圾焚烧发电厂主工艺厂房的重要部分以及周围已有桩的保护需要，建设单位予以了高度重视，选择了技术和装备好、施工经验丰富的队伍进行基坑支护施工，委托了有经验的监测单位进行基坑监测：施工单位根据基坑支护设计密切结合现场条件，编制了全面的施工组织设计，细化各工况的具体施工方法和措施，采取合适的成桩工艺、施工技术参数等，并在施工中严格控制；监测单位编制了详细的基坑和环境监测方案，并切实实施和加强管理、实现了信息化施工，确保了基坑和周边桩的安全：同时也证实了基坑支护方案选型的合理有效，取得了良好的效果；该工程已竣工并投入使用两年多。
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