福州市连坂污水厂厂外管网深基坑施工方案

1福州市连坂污水处理厂厂外管网工程（LG-05标段工程）深基坑支护及安全施工方案神州建设有限公司2009年4月1日2一、工程概况福州市连坂污水处理厂厂外管网工程LG-05标段工程位于福州市仓山区福峡路，北起城门黄山、南至乌龙江。在本工程中采用明开槽施工、顶管施工、拉管施工。二、地质水文情况根据现场钻探揭露的地层和现场开始初步开挖的现场情况来看，本工程坑底主要由以下几个土层组成：⑴杂填土：灰黄、褐黄色，松散-可塑，湿，含少量耕土、房屋拆迁后的钢筋混凝土块、基础条石、钢筋砼基础梁、碎石块、路面水泥块等硬杂质，含量约25%，多为新近堆填，性质不均。本层在勘察线路上分布广泛，层厚一般约在0.9-2.7m；⑵粘土：局部为粉质粘土。褐黄色，可塑，湿，粘性较强，含铁锰结核，捻面较光滑，有光泽，无摇震反应，干强度与韧性中等。本层在多数钻孔场地位置有揭示，层厚度较小，一般约在0.4-2.0m。在ZK31-34#（K4+470-4+740之间）该层厚度较大，一般约在4.0-10.0m；⑶淤泥：深灰色，流塑，饱和，含腐植物，局部含少量粉砂，有腐腥味，捻面较光滑，有光泽，摇震反应慢，干强度与韧性中等。本层广泛分布于拟建场地，层厚度较大，一般约在2.5-7.2m。该层在部分地段未揭示，在少数钻孔中未揭穿；⑷粉质粘土：浅黄、褐黄色，可塑，很湿，粘性较强，含少量云母片，部分含少量砾石颗粒，捻面较光滑，有光泽，无摇震反应，干强度与韧性中等。本层在多数钻孔场地位置有揭示，但多未揭穿，控制层一般约在2.1-6.0m。⑸淤泥质粘土：灰色，软塑，饱和，含腐植物，有腐腥味，捻面较光滑，有光泽，摇震反应慢，干强度与韧性中等。本层只在个别钻孔中有揭示，揭示层厚度约4.0m；⑹中砂：浅灰色，松散-稍密，饱和，局部含泥，该层只在个别钻孔场地有揭示，控制层厚度约1.5-11.0m；⑺残积砂质粘性土：灰白，灰黄，可塑-硬塑，稍湿，含粗中粒石英颗粒，长石、白云母片，为花岗岩母岩经风化残积而成。该层较广泛分布于拟建场地，在少数钻孔中有揭穿，层厚度约4.0-10.0m，在多数部分钻孔中未揭穿，揭示厚度约2.0-18.3m；⑻强风化花岗岩：灰白、褐黄，硬塑，很湿，含细中粒石英颗粒，岩芯用手可掰断，钻进较快。岩石坚硬程度等级属软岩，岩体完整性等级属破碎，岩体基本质量等级属Ⅴ类，岩性主要为花岗岩。3⑼中风化花岗岩：浅黄、褐黄色，坚硬，湿，含粗中粒石英颗粒、长石、云母片，上部岩芯较多破碎，呈短柱状，裂隙较发育，岩性主要属花岗岩类，风化程度为中风化，岩石坚硬程度等级属较硬岩，岩体完整性等级属较破碎，岩体基本质量等级属IV类。根据上述地层来看，拟建场地地层在水平及垂直向变化均较大，均匀性较差。根据上述地层来看，场地土主要为冲洪积、淤积成因。场地地震效应：本工程所在区域为地震基本烈度7度近震区，根据场地条件和地基复杂程度分类，属于II类建筑场地。三、钢板桩支护的设计、计算方法通过对钢板桩支护的受力分析，基坑支护计算方法及步骤：1主要计算内容钢板桩支护设计中主要进行以下计算：(l）钢板桩内力计算。(2）支撑系统内力计算。(3）稳定性验算。(4）变形估算。各项计算内容又包含多个子项，下面逐个阐述其计算方法及步骤。2计算方法及步骤2.1钢板桩内力计算对钢板桩进行内力分析的方法很多，设计时应根据支护的构造形式选择合适的分析方法，本文仅对等值梁法进行介绍，计算步骤如下。(l）计算反弯点位置。假定钢板桩上土压力为零的点为反弯点，设其位于开挖面以下y处，则有：12()piakyKHy整理得：212apiakHyKk（1）式中，1，2——坑内外土层的容重加权平均值；H——基坑开挖深度；Ka——主动土压力系数；Kpi——放大后的被动土压力系数。(2）按简支梁计算等值梁的最大弯矩和支点反力。4等值梁法计算简图如图1所示。(3）计算钢板桩的最小人土深度。由等值梁BG求算板桩的人土深度，取0MG，则2121[()()]6bpaQxKyxKHyxx由上式求得126(piaQBxKK(2)如桩端为一般的土质条件，则应乘以系数1.1～1.2，即t=（1.1～1.2）t0对于多层支点的支护体系，常采用等弯矩布置的形式以充分利用钢板桩的抗弯强度，减少支护体系的投人量。其计算步骤为：a.根据所选钢板桩型号由以下公式确定最大悬臂长度h。326afwhK（4）式中，f——钢板桩抗弯强度设计值；W——截面抗弯模量；2、Ka——同前b.根据表1确定各支撑跨度52.2支撑系统内力计算桩的最小人土深度：t0=y+x(3)多层支撑点布置见图2支撑内计算主要是分析围檩和撑杆（或拉锚）的内力，围檩为受均布荷载作用的连续梁，均布荷载的大小可按下式计算：211()2kakkqKHhh（5）式中，qk——第k层围凛承受的荷载；H—―围檩至墙顶的距离；1kkhh——相临两跨度值。撑杆按偏心受压构件计算其内力即可，作用力为：121()2kRqll（6）式中，12ll、——相临两支撑间距。2.3稳定性验算6支护体系的稳定性验算是基坑工程设计计算的重要环节，主要包括整体稳定性分析、抗倾覆或踢脚稳定性分析、基底抗隆起稳定分析和抗管涌验算等。(1）整体稳定性分析。整体稳定性验算一般采用土层的圆弧滑动面计算，不同于边坡验算的是，由于受支撑或锚杆的影响，圆心位于坑壁面上方，靠坑内侧附近。考虑支撑作用时，可不进行整体稳定性验算，当无支撑或者不考虑支撑作用时，可通过下式计算：111()cos()sinnniiiiiiiiiiiniiiiiiiclqbrbhtgKqbrbh（7）式中，ci——第i条土的粘聚力；li——第i条土的圆弧长度；qi——第i条土的地面荷载；ir——第i条土的重力密度，水面以下取浮容重；bi——第i条土的宽度；hi——第i条土的高度；i——第i条土弧线中心点切线与水平线的夹角；li——第i条土的内摩擦角；K——抗滑稳定安全系数，依规范及地区经验取值，一般1.1～1.5。(2）抗倾覆稳定性分析。抗倾覆稳定性又称踢脚稳定性，是验算最下道支撑以下的主动、被动土压力绕支撑点的转动力矩是否平衡，按下式计算：RCQOCMKM(8)式中，QK——抗倾覆安全系数，根据基坑重要性取值；RCM——抗倾覆力矩，取开挖面以下钢板桩内侧人土深度范围内的土压力，对最下一道支撑点的力矩；RCM——倾覆力矩，取最下一道支撑点以下钢板桩外侧人土压力支撑点的力矩。(3）基底抗隆起稳定性分析。基底抗隆起稳定性验算的方法较多，本文仅介绍“同时考虑c、Φ的抗隆起验算法”。结构底平面作为求极限承载力的基准面，可由以下公式求抗隆起安全系数：721()qqTNcNcKsHt（9）式中，1，2——坑内、外土层的容重加权平均值；c——桩底处地基土粘聚力；q——坑外地面荷载；H——基坑开挖深度；t——钢板桩入土深度；qN、cN——地基承载力系数；Φ——桩底处地基土内摩擦角Ks——抗隆起安全系数，根据基坑重要性取值2(45)2(1tgqqcNetgNNtg）（10）(4）抗管涌验算。地下水位较高的地区，开挖后会形成水头差，产生渗流，当渗流力较大时，有可能造成底部管涌稳定性破坏，因此，验算管涌稳定性也是十分必要的，可通过下式对其进行验算：cgiKi（11）式中ic——临界水力坡度，ic=（ρ-1）/(e+1)ρ——坑底土体相对密度；e——坑底土体天然孔隙比；i——渗流水力坡度，i=hw/L；hw——坑内外水头差；L——最短渗流流线长度；Kg——抗渗流安全系数，一般取1.5～2.0，砂土、粉土时取大值。2.4变形估算当基坑附近有建筑物和地下管线线时，必须对支护进行变形估算，以确保建筑物及管线的安全，变形包括支护周围土体变形和地基回弹变形两部分，对于中小基坑地基回弹变形可不进行估算。基坑周围土体的变形应根据土质、支护情况及当地经验采用合适的估算方法，本文采用以下公式计算：1vkh（12）式中，k1——修正系数，对于钢板桩k1＝1.0；h——基坑开挖深度；α——地表沉降量与基坑开挖深度之比（%），可参照图3查得83构件设计3.1钢板桩设计计算出最大弯矩Mmax后，可根据下式对钢板桩进行选型：maxmax[]MfW(13)式中，max——桩身最大应力（KN/m2）；Mmax——桩身最大弯矩值（KN.m）W——钢板桩截面抵抗矩；β——抵抗矩折减系数，对于小企口钢板桩，当设有整体围擦和冠梁时，β取1.0；不设冠梁或围檩分段设置时，β取0.7。3.2围檩设计围檩示实际情况按连续梁或简支梁计算其最大弯矩Mmax，一般采用工字钢或方钢材料，可根据下式进行选型：maxmax[]MfW(14)式中各参数意义同前。3.3支撑设计支撑按偏心受压构件计算。偏心弯矩除竖向荷载产生的弯矩外，还应考虑轴向力对构件初始偏心距的附加弯矩。初始偏心距可根据《钢结构设计规范》相关规定计算。同时，考虑到支撑预压力和温度的影响，验算时轴力宜乘以1.1～1.2的增大系数。构件型号可根据下式确定：maxmax[]MNfAW(15)式中，N——轴心压力（KN）；A——构件毛截面面积（m2）——稳定系数，根据《钢结构设计规范》相关规定取值4构造要求9(l）为防止接缝处漏水，在沉桩前应在锁口处嵌填黄油、沥青或其他密封止水材料，必要时可在沉桩后坑外注浆防渗或另施工挡水帷幕。(2）在基坑转角出的支护钢板桩，应根据转角的平面形状做成相应的异形转角板桩，且转角桩和定位桩宜加长lm。5本工程实际分析及验算本工程市政道路两侧排水管基坑开挖，以桩号k4+933处为例，具体工程情况和详细计算过程如下。基坑开挖示意图如图4所示。5.1设计资料（1）桩顶高程H1：8.292m，施工水位H2：5.400m以下。（2）地面标高H0：8.542m；开挖基坑底面标高H3：3.30m；开挖深度约为H=5.25m。（3）坑内、外土的天然容重加全平均值1，2均为：20KN/m3；内摩擦角加全平均值Φ：20°；粘聚力加全平均值c：22；孔隙比e：0.89。（4）地面超载q=20.0KN/m2。（5）基坑开挖宽b=1.5m。（6）拟设置单层支撑，撑杆每隔1.5m一道。5.2内力计算（1）作用于板桩上的土压力强度及压力分布见图5。102222(45/2)(4520.0/2)0.49(45/2)1.3(4520.0/2)3.26apiKtgtgKtgtg。。。。板桩外侧均布荷载换算填土高度h0,h0=q/r=20.0/20=1.0m。（2）根据式（1）：2a1pi2a200.49(1.04.350.9)20.03.2620.00.491.106mKHyKK（3）按简支梁计算上部钢板桩，其受力简图如图6所示。由0BM得：(4.01.106)0.5(61.2512.25)5.0(5/31.106)12.255(5/21.106)0.561.251.1062/31.106aR解得：Ra=114.7KN/mQb=(12.25+61.25)×5/2+61.25×1.106/2-114.7=102.9kN/m设最大弯矩处距桩顶距离为x，则有：Ra=12.25x+(61.25-12.25)x2/5/2解得x=3.747m所以，Mmax=Ra(x-1)-12.25x2/2-0.5(61.25-12.25)x3/5/3=143.2kN·m（4）计算钢板桩的最小入土深度。11根据式（2）得：1266102.93.338203.260.49bplaQmKK由式（3）得：最小入土深度t=1.106+3.338）=4.45m（应选用工字型钢，上部的土方需要进行放坡处理）5.3支撑系统计算（1）围檩。因本工程为单层支撑，围檩所受荷载qk=Ra=114.7kN/m。（2）撑杆。由式（6）得：R=0.5×114.7×（5+5）=573.5