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摘 要：在软土地基上进行深基坑开挖是江、浙、沪地区大型水利工程实施中经常面临的一项技术难题。对太浦河泵站工程的边坡设计、降水措施的选用、施工过程的控制及信息化管理等多个方面进行了总结。对不同规范的选用、土壤力学指标特别是抗剪指标的选取对边坡设计的影响进行了分析并提出了相关的一些建议。
关键词：深基坑设计；边坡开挖；井点降水
1工程概况
太浦河泵站工程位于江苏省吴江市境内的太浦河南侧，其主要作用是枯水期间通过抽引东太湖水以有效地改善上海市黄浦江上游二期引水工程取水口段的水质，提高上海市半数以上人口的生活及企事业单位供水水质和供水保证率。工程设计总流量为300ｍ３／ｓ，装有单泵流量50ｍ３／ｓ、叶轮直径4.1ｍ、斜15°轴伸泵6台。工程总投资276亿元。工程实施中基坑拟采用大开挖方式，泵房基坑长(顺水流方向)109.7ｍ。宽(垂直水流方向)71.5ｍ，挖深14.5ｍ(基坑底高程EL-8.05ｍ，原状土高程EL6.5ｍ)，其中集水井部位挖深达17.2ｍ。由于基坑规模大、暴露时间长，如何确保基坑开挖过程及施工期的安全是整个工程成败的关键。
2地质状况及环境分析
(1)泵站基坑所在区域的地质状况见表1。
基坑开挖深度范围共涉及10个不同地质亚层，其中以粉质粘土层居多，并夹厚达2～４ｍ的淤泥质粘土层。主要含水层为③３、④1和②5层，其渗透系数(垂直和水平方向)均为K＝（Ａ×10－5～Ａ×10－4）ｃｍ／ｓ，属弱透水层；③２与⑤′层为粘性土夹薄层砂壤土，具有较好的水平层理，地下水以水平运动为主，K(垂直)＝Ａ×10－7ｃｍ／ｓ，K(水平)＝Ａ×10－5ｃｍ／ｓ。其中②３层淤泥质粘土层与②２层内所夹泥炭层，土质极软，高压缩性，强度低，是基坑边坡稳定的控制层；③3和④1层为轻砂壤土，在地下水流作用下，可能会产生流沙。
(2)在批复的工程初步设计报告中，明确考虑要尽可能少占用耕地及拆迁民房，泵站站址选择在太浦河闸南侧，并选用泵闸分建方案。泵房中心线与太浦河中心线平行，两者中心线相距200ｍ，交通桥与太浦闸桥成直线布置，交通桥中心距泵房中心74.15ｍ。工程拆迁原则上只考虑渠堤范围内的建筑物。工程布置见图1。
太浦河节制闸是1958年建造的，其标准较低，1998年经鉴定为病危水闸。而太浦河为太湖流域泄洪主要通道，其防洪保护面积大于1.33万ｈｍ２，保护人口超过20万人。
(3)按照工程总体安排，基坑开挖将主要集中在2001年3、4月间，5月初基坑形成，进行深层水泥搅拌桩施工。这样，基坑将不可避免地要度过整整一个汛期，将经受暴雨及洪水的考验。
由此可以看出，研究太浦河泵站基坑的安全，不能只考虑基坑本身，还要考虑周边民房的安全，更要研究如何同时确保太浦河节制闸及太浦河防洪大堤的安全。
3基坑方案选择
3.1增设地连墙
初设结束后经进一步研究，为保护太浦河节制闸及太浦河大堤，减少因太浦河侧渗流而对基坑形成坡坏，需增加一项辅助工程设施：即沿太浦河节制闸右岸设置一道厚24ｃｍ的地下连续混凝土防渗墙，上下游长度共240ｍ，防渗墙深度约18.7ｍ，其墙的底部嵌入相对不透水层0.3～0.5ｍ深(图1)。
32承包商投标时所报方案及有关承诺
工程在招标文件中明确基坑上方(范围为桩号0－77.5至0＋77.5两个横断面之间)采用总价包干的方式，因而投标人往往都按较陡的方案考虑基坑边坡。
中标的承包商所报方案为在EL3.5ｍ、EL－2.6ｍ高程布设宽度分别为2ｍ和1ｍ的马道，其中在高程EL3.5ｍ的马道上布置喷射井点及进、排水总管、截水沟等。经对边坡进行稳定计算，选定原始地面至EL3.5ｍ高程，开挖边坡为1∶1.5，EL3.5ｍ至EL－2.6ｍ之间开挖边坡为1∶2.5，EL－2.6以下为1∶1.25。由此，计算泵房基坑开挖总量为18.5万ｍ３。
评标专家们对这一方案并不放心，通过澄清，承包商郑重承诺在报价不变的前提下，基坑开挖及围护措施根据基坑开挖过程出现的情况，可按照业主和监理工程师的要求及时调整。
3.3方案研究
基坑方案的研究，重点是两个问题：一是边坡放坡方案；二是降排水方案。
3.3.1边坡放坡设计
由于感到承包商所报边坡方案偏于不安全，为制定可靠、详实的基坑实施方案，工程建设指挥部分别委托4家设计院对基坑进行了边坡设计。
4家设计院均认为可能的滑动面有两个：一是在②３层——淤泥质粘土层滑出，滑出点位于整个边坡的中部；二是基坑底部沿⑤层的深层滑动。
表2是4家设计院(其中C、D两家联合完成)的计算工况、条件、结果、建议方案的比较)。
3.3.2降排水方案
(1)对于潜水及雨水均采用开挖明沟、排水沟，汇集于集水坑内抽走的方法解决。
(2)下部地下水抽排方案是降排水方案的核心。为了确保泵房基坑及其它部位的开挖施工，以及基础混凝土浇筑的顺利进行，必须采用人工降水方法把水位降至建基面以下。
(3)工程前期地勘过程曾针对以③3、④1和⑤′等层共同组成的承压含水层做过抽水实验。泵站场区浅部承压水层承压水位在EL3.26～EL3.47ｍ，承压水头约7.8ｍ，抽水试验表明该层渗透系数K＝2.9×10－４ｃｍ／ｓ，具中等透水性，降深3.5～3.6ｍ时影响半径36ｍ。如需将地下水位降至EL－9.0ｍ，基坑日涌水量约在(250～３５０）ｍ３／ｄ。
(4)基坑开挖前，曾在现场进行了深井降水试验，以确定采用何种降水手段。试验深井布置在基坑东南角，井深22ｍ，成井直径ψ800ｍｍ，井底高程为EL－16.0ｍ，降水后确保承压水位控制在EL－9.0ｍ。同时在深井正南隔8ｍ、20ｍ、35cm布置E1、E2、E3深水位观测井，在深井正东方向隔8ｍ、19ｍ、34ｍ布置S1、S2、S3深水位观测井。试验结果见图2(深井降水试验曲线)。由此可看出深井的有效降水区域并不显著。
根据深井降水试验结果同时参考周边地区的成功经验，研究决定在基坑开挖时采用多层轻型井点环状降水方案。
3.4方案确定
工程建设指挥部在充分分析研究4家设计院计算成果的基础上认为：
(1)边坡最不利的圆弧滑动面分别为：沿着EL－0.2ｍ③１硬土层上的顶层局部圆弧滑动和沿着EL－12.7ｍ⑥层硬土层以上的深层圆弧滑动，边坡设计按起控制作用的深层圆弧滑动稳定计算成果为依据。
(2)根据国家标准水利水电勘察规范，滑动面上的抗剪强度的标准值取固结快剪峰值的小值平均值，泵站设计规范规定边坡稳定的安全系数为1.20；根据上海市标准基坑工程设计规范，开挖深度超过10ｍ，属于一级基础，滑动面土的抗剪强度标准值取固结快剪峰值的算术平均值，边坡稳定安全系数为1.43，边坡设计应同时符合国家及上海市有关规范的要求。
考虑到要给地连墙留有足够宽的土体以保证地连墙的稳定，综合4院的方案，提出如下3级马道放坡及4级井点环状布置的方案(图3)。
对上述边坡采用不同指标的抗滑稳定计算成果见表3。
由表3可见考虑井点完全有效，按圆弧滑动计算结果，当边坡为1∶2.5三级马道时，Ｋｍｉｎ＝1.47，满足国家规范［Ｋ］≧1.2的要求。按上海市规范计算Ｋｍｉｎ＝1.89，满足上海规范［Ｋ］≧1.43的要求。虽然计算K值较规范偏大，但考虑到井点会淤堵及长时间连续降雨等因素，即井点不可能完全有效，而按照计算如井点完全失效则K值达不到规范要求，故认为所选择的放坡及降水方案并不过分偏于保守，而是适宜的。
4基坑开挖
承包商以上述边坡设计为依据编写了施工组织设计，并通过了专家评审。
泵房工程的基础开挖土方约20万ｍ３，在实际实施中考虑到深层水泥搅拌桩施工及坑底保护的需要而分两期开挖。一期开挖至EL－6.2ｍ左右，历时近4个月；二期待深层水泥搅拌桩施工结束达到强度要求后，使用小型反铲式挖机配合人工开挖至EL－8.05ｍ。在基坑开挖过程及保护方面，采取了以下措施。
(1)严格遵循“先降水，后开挖”的原则，在轻型井点发挥作用后再进行该级开挖。
(2)做好施工现场地面排水系统，在坡顶和每一平台处都设置了截水沟，汇集后用水泵及时抽排入太浦河。
(3)加强对坡面的保护，除了对最下一层边坡进行素混凝土抹面保护外，平时备足土工布，遇有降雨，在土坡上铺设土工布保护。
(4)加强监测工作。委托专业监测队伍在基坑开挖的全过程中进行地下水位变化、沉降、测斜等方面的监测工作，以指导施工。
(5)加强现场操作管理，严格禁止直立开挖深度超过2ｍ。
在基坑开挖过程中遇到以下两个问题：
一是西北角翼墙部位在开挖接近设计基面时，出现细微的流砂现象。采取的措施是在加大排水力度的同时加快局部施工，尽早进行封底。根据监测，封底后一切正常；
二是西南边坡的一个观测点曾在同一天内沉降及倾斜变化均超过规范允许范围。对此在该区域暂停3d施工，未采取其它措施。待稳定后继续施工，经后续监测，一切正常。
5综合评价
8月中下旬开始进行泵站底板浇筑，基坑安全度过了整整一个汛期的考验，确保了后续工程的顺利实施。现就三个方面对基坑实施方案进行评价：
(1)地连墙。监测数据表明地连墙迎太浦河、基坑侧的水位差达4ｍ左右，同时太浦闸在施工期的最大沉降为2ｍｍ，最大位移为2ｍｍ，均在规范允许范围内。可以讲地连墙确保了太浦闸及太浦河的稳定与安全。
(2)井点降水。实施过程中发现，井点降水前后坡面的干湿程度截然不一样，这对坡面的保护极为有利。
(3)放坡及马道。基坑很安全，回过头来看边坡设计是否过于保守了呢?为此，可从3个方面评价：
①经济。实施方案与承包商投标时所报方案相比，增加土方量1.5万ｍ３，按其报价计算共增加投入27.5万元。这在整个工程中所占比例极小。
②工期。由于增加开挖量而延长工期，在关键线路上受影响的只是基坑土方开挖。按正常日出土2500ｍ３计，延长工期约6d。通过合理组合安排，这不至于对总体进展产生影响。
③安全性。进水渠段的地质状况与基坑部位基本类同，只是②３层土稍厚。进水渠为梯形明渠，渠底高程EL－2.50ｍ，渠道边坡1∶３，在EL3.2ｍ处设宽5ｍ的马道，堤防顶高程EL7.0ｍ。进水渠南堤0－413.00～０－475.00ｍ段2001年10月中旬即已形成断面，但在2001年11月3日突然发生滑坡现象，堤脚向外滑移30ｍ左右。堤脚的滑动面为自然状态，未出现隆起现象。
由此可反证基坑的边坡及马道设置并不过于保守，说明工程的基坑方案是符合工程实际的。
6体会与建议
在软基上进行基坑开挖是江、浙、沪地区的工程界要经常面临的一项技术难题，在开挖过程中发生边坡失稳而导致机毁人亡，给工程造成重大损失的案例也时有出现。太浦河泵站工程的基坑深度深、范围大、施工暴露时间长、地质和水文条件复杂，北侧紧邻太浦闸，防汛要求高，具有典型意义。笔者全过程参与了方案的论证及实施，有如下体会与建议：
(1)方案论证特别是边坡与马道设计要慎重，正确的方案是基坑安全的首要前提。
(2)降排水是工程成功的保证，要组织专门的队伍负责降排水工作。该项目还专门印制了“泵站基坑降排水管理手册”，发至每个相关的工人，使人人都能明了自己的职责与工作要点。
(3)加强监测，进行信息化施工是重要保障。及时整理数据，建立上报制度，使业主、设计、监理、施工各方都能及时掌握动态信息，便于在第一时间对各种可能出现的情况作出正确的反应。
(4)加强施工现场控制极为重要。最好的方案如没有良好的施工现场控制作为保证，那将成为一纸空文。很多基坑事故都是在开挖中由于直立开挖、扰动过大、降排水不及时等原因诱发的。
(5)关注基坑主体的同时应关注周边建筑物，该工程更多关心了太浦闸，而忽略了南侧的民房从而带来了一些后遗症。
(6)建议对基坑工程建筑物等级的认定不能等同于一般的临时工程，应适当提高其级别。
(7)在边坡设计中，抗剪指标的选取极为关键，按直接快剪指标过于偏安全，应选择固结快剪指标，但用小值平均值还是算术平均值，应对应于相应的K值要求。建议按不同的规范分别计算，取最不利的计算结果作为控制依据。
(8)建议在边坡设计中应考虑降水效果，但最终计算结果应留有一定的余量。因为井点有时会因连续较大规模降雨或孔壁堵塞等原因造成部分甚至全部失效。
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