进水箱涵基坑围护方案
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摘 要：本项目是上海国际旅游度假区南雨水泵站工程，在进水箱涵施工时，其箱涵南北两端的泵房下部沉井结构和进水闸门井已施工完毕，箱涵东西两侧有施工道路和已完成主体结构的配电房。因此，进水箱涵基坑施工围护方案在确保基坑施工安全前提下，结合工程实际做到因地制宜、方案优化。
关键词：基坑安全等级和环境等级；开挖与支护设计；工况顺序
1 工程概况
上海国际旅游度假区南雨水泵站进水箱涵基坑设计深度7.8m，安全等级二级基坑，环境等级为三级。参照《上海市标准-基坑工程技术规范（DG/TJ08-61-2010）》进行设计计算。
1.1 土层参数
续表
土层地下水位埋深：0.50m。
1.2 基坑周边荷载
基坑地面超载：0.0kPa；基坑邻近荷载如下表，其邻近荷载的作用方式：
2 开挖与支护设计
进水箱涵基坑支护方案图
2.1 围护桩设计
围护桩类型：采用钢板桩；钢板桩插入深度：4.3m；钢板桩露出长度：0.5m；拟采用的型钢型号：400×170×15.5；钢板桩间距：0.4m。
2.2 放坡设计
第1级采取放坡设计，其放坡坡面参数：坡高3.8m；坡宽5.13m；台宽0.5m。
2.3 坑内加固设计
坑内加固设计参数为：加固深度：7.8m；加固宽度：3.0m。坑内所加固土的物理指标：c=25.00kPa；φ=25.00°；γ=21.0kN/m3；m=6.0MN/m4；Kmax=30.0MN/m3。
2.4 支撑结构设计
本支撑结构设计方案共设置2道水平支撑，其各层设计为：
第1道水平支撑，其支撑着力点为两侧钢筋砼外壁。水平支撑轴线距离桩顶深度0.6m， 安装时其作业面超出支撑深度0.5m，支撑无预加轴力。第1道平面内支撑具体参数为：水平支撑材料为钢支撑型号500*300*11*18其支撑长度分别为4.5m和6.0m；支撑与围檩之间的夹角12°；不动点调整系数0.5；松弛系数0.9；计算点位置系数0.5；围檩采用型钢其型号500*300**11*18。
第2道水平支撑，其支撑着力点为两侧钢筋砼外壁。其安装位置是水平支撑轴线距离桩顶深度2.8m，无预加轴力。其它参数与第1道相同。
2.5 换（拆）撑设计
2.6 工况顺序
该基坑的施工工况顺序如下图所示：
3 内力变形计算
3.1 计算参数
水土侧压力按土层分算后再合算；水压力按静止水压力计算其修正系数为1.0；主动土压力按朗肯主动土压力方法计算，其应力分布为矩形，调整系数为1.0，计算负位移时不考虑土压力增加；被动土压力按“m”法，计算，其土体抗力考虑极限土压力限值，计算抗力时桩和土体之间的摩擦角系数取0.4；墙桩体抗弯刚度折减系数取1.0。
3.2 内力计算结果
3.2.1 水土压力计算结果
进行水土压力计算时，取单桩宽度0.40m为计算宽度，其计算如下表所示。
3.2.2 内力变形结果
根据钢板型号可知每根桩抗弯刚度EI=9620kN.m2。
下面的计算结果是每根桩的内力和土体抗力和是桩每延米的支撑反力。
第1工况：开挖至-4.40（深4.40）m
第2工况：在-3.90（深3.90）m处加撑（锚）
第3工况：开挖至-6.60（深6.60）m
第4工况：在-6.10（深6.10）m处加撑（锚）
第5工况：开挖至-7.80（深7.80）m
第6工况：在-7.60（深7.60）m处换撑
第7工况：拆除2支撑
第8工况：在-4.20（深4.20）m处换撑
支撑和换撑反力表
4 整体稳定计算
4.1 计算参数
整体稳定采用瑞典条分计算方法，且计算时考虑水平应力； 采用有效应力法进行应力状态计算，计算孔压时考虑土性。土钉法向力和切向力折减系数分别为ξ=0.5，ξ=1.0；锚杆法向力和切向力折减系数均为ξ=0.0；采用滑面绕桩来考虑桩墙抗滑；计算浸润线时考虑止水帷幕影响；滑弧搜索不考虑局部失稳但考虑开挖工况，其搜索范围包括坡顶和坡底；滑弧搜索方法采用遗传算法。
4.2 计算结果
4.2.1 开挖至-3.80m（深3.80m）
经计算土体抗滑力200.15kN/m，土体下滑力140.37kN/m；滑弧半径7.21m，其滑弧圆心坐标（3.60m，-3.24m），滑弧起点坐标（-2.84m，0.00m）， 滑弧终点（5.13m，3.80m）；拱高比0.342；其安全系数为1.43。
4.2.2 开挖至-7.80m（深7.80m）
经计算土体抗滑力1273.90kN/m，土体下滑力1019.22kN/m；滑弧半径22.27m，其滑弧圆心坐标（9.68m，-9.21m），滑弧起点坐标（-10.61m，0.00m）， 滑弧终点坐标（24.06m，7.80m）， 拱高比0.498；其安全系数为1.25。
5 计算坑底抗隆起
5.1 计算方法
进行坑底抗隆起计算时以滑弧中心为最下道支撑，滑弧位置通过桩底；采用总应力法计算应力且计算过程中考虑到桩墙弯曲抗力和滑面水平应力的影响。
5.2 计算结果
经计算土体下滑力305.6kN/M，土体抗滑力553.5kN/M；每延米桩墙抗滑力31.7kN/M；则安全系数为1.92，即（553.5 +31.7k）/305.6=1.92。
6 计算桩墙底抗隆起
6.1 计算方法
采用Prandtl公式进行桩墙底抗隆起计算，计算时隆起土层不均匀性厚深比取值1.0，放坡影响宽深比取值1.0。由于坑底采取了压密注浆加固，验算断面以下范围内土体平均内聚力和平均内摩擦角达到提高，其取值为平均内聚力9.5kPa；平均内摩擦角14.5°。
6.2 计算结果
经计算桩墙体向外7.8m 范围内总荷载1443.8kN/M；
根据地基承载力计算公式，得出地基承载力为374.9 kN/M
则安全系数为2.03，即374.9 kN/M×7.8M/1443.8 kN/M =2.03。满足规范要求。
7 钢板桩强度计算
7.1 计算参数
钢板桩强度计算的设计系数取值1.25，弯矩折减系数取值1.0。
7.2 计算结果
经计算得出最大弯矩标准值为24.2kN.M，则最大弯矩设计值为30.25kN.M，即24.2*1.25=30.25；查表可知，钢板桩抗弯截面模量为362.0cm3，则
钢板桩应力为83.56MP，即30.25*103/362*106=83.56 MP
8 钢板桩抗倾覆计算
8.1 计算方法
水压力和土压力采用合算方法，其主动侧土压力为三角形分布。
8.2 计算结果
依据上图中结果可计算出钢板桩抗倾覆安全系数为1.31，即■1.31。
满足设计及规范要求。
9 坑底土体抗渗流稳定计算
9.1 计算方法
采用临界水力坡度法进行坑底土体抗渗流稳定计算，计算时垂直渗径换算系数取值为1.0，水平渗径换算系数取值为1.0，由比重和孔隙比计算出有效重度。
9.2 计算结果
经计算坑底土体抗渗流稳定安全系数为2.41，即
■=2.41
10 计算地表沉降
10.1 计算方法
采用同济抛物线法进行地表沉降计算。
10.2 计算结果
11 计算汇总
采用第1级放坡，第2级钢板桩400x170x15.5支护方案，计算结果如下表
表中限值按《上海市基坑工程技术规范》中第6章和第18章查找。计算结果满足规范及设计要求。
参考文献
[1]上海市工程建设规范.DG/TJ08-61-2010.基坑工程技术规范[S].
[2]JGJ120-2012.建筑基坑支护技术规程[S].
[3]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社.