江南泵站深基坑开挖方案

刘吕刚1郝鹏1韩娜娜2

2.长安大学公路学院陕西西安710064

摘要：基坑工程是多年的岩土工程热点问题，具有技术复杂、综合性强等特点，同时又具备事故多发性。基坑开挖涉及土方开挖、降水、施工管理、现场监测、相邻场地施工、既有建筑物相互影响等相关问题，其施工过程不仅要保证基坑自身的安全与稳定，还要严格控制基坑周围地层移动以保护周围环境。本项目的依托工程是巡司河第二出江泵站（江南泵站），采用有限元计算方法，通过分块区域和分层厚度的分析，确定了合理的开挖方案。

1引言

为了加快施工进度并确保施工安全，在确定支护条件以后需要对施工参数进行优化、比选，以建立最优的施工方案[1-4]。为此，建立基坑开挖过程的有限元模型，通过大量数值计算模拟不同工况下基坑开挖过程，得到相应工况下基坑周围土体及支护结构的变形及应力结果，在保证施工安全的前提下优化施工参数。

施工方案的参数主要有[5-7]：土体开挖厚度、土体开挖步长、土体开挖速度和土体无支撑暴露时间等。各个参数都不是独立作用的，需要考虑各参数之间的相互关系；例如调整土体开挖厚度之后要相应调整开挖步长以控制土体的开挖速率，达到即缩短工期又确保安全的目的。

2工程概况

巡司河第二出江泵站工程位于长江右岸，在洪山武金堤、八坦路、夹套河以及拟建的草市路合围区域内，占地面积5.0公顷，距上游白沙洲大桥2360m，距下游在建的杨泗港长江大桥580m，如图1所示。主要建设内容包括进水箱涵、进水间、格栅间、前池、泵房、配电间、出江压力流道（管道）、出江消能设施、自排闸、自排箱涵等。出江压力流道（管道）中心轴线桩号为武金堤51+015，泵站规模为150m3/s，自排箱涵中心线桩号为武金堤51+123，设计流量为48m3/s。

图1江南泵站位置示意图

拟建场地内除表层为填土（Qml）外，其下依次主要为第四系全新统冲洪积（Q4al+pl）的黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉细砂、粉质黏土与粉土粉砂互层、粉细砂层，中更新统冲积（Q2al+pl）的碎石土层、黏土层、砂砾层组成，基岩为白垩系～第三系（K-E）泥质粉砂岩。根据年代、成因、岩土层结构及强度大小，场地自上而下可分为7层，其中②层分出2个亚层，③层分出2个亚层和一个夹层，⑤层分出2个夹层，⑥层分出一个夹层，⑦层分出2个亚层。

工程原计划为2016年10月中旬开工，2019年04月30日完工。2016年夏天武汉市大雨给城市带来了极大的破坏，武汉市市政府、武汉市城投等单位要求工程于2017年5月30日基本具备抽排条件（或工程全部完工）。由于巡司河第二出江泵站（江南泵站）工期被大大压缩，原基坑支护及施工方案已不能满足施工的要求。基于泵站具体情况，考虑项目施工工期的紧迫性，为确保工程按照工期顺利完成，必须对基坑的支护方案和基坑开挖施工方案进行优化。

3.开挖方案初定

分层分块开挖方案需要确定的参数有两个：分块区域和分层厚度，分别加以分析。

3.1分块区域

分块开挖中的需要遵循两个原则：（1）分块的平衡性。分块后各小块的工程量大小要具有一定的平衡性，为了方便组织施工，开挖量相差不要过大；（2）分块的对称性。大量研究表明，釆用对称、间隔的分块开挖更有利于控制基坑的变形。分块开挖中需要确定两个参数分别是分块的区域和各子块的开挖顺序。

结合江南泵站基坑泵房、前池、格栅间、进水间和进水闸各个区域大小，以及基坑深度的变化，将泵站划分为3个大区域10个小区域，如图2所示。其中区域1包括泵房、格栅间部分区域，开挖深度为15米。该区域又分为4个小区域，分别为区域1-1、区域1-2、区域1-3、区域1-4，开挖时可以采用对称开挖的形式；区域2包括格栅间剩余对撑部分，开挖深度为15米。该区域分为2个小区域，分别为区域2-1、区域2-2，开挖时也可以采用对称开挖的形式。区域2包括格栅间、进水间和进水闸区域，开挖深度由15米逐渐过渡到10米左右。该区域分为4个小区域，分别为区域3-1、区域3-2、区域3-3、区域3-4，开挖时可以采用从左到右依次对称开挖的形式。

由于基坑深度从左到右逐渐变化，因此基坑分层后每一层含有的分块区域并不相同。例如开挖到最后一层土时只有区域1和区域2，没有区域3。

图2江南泵站开挖方案分块示意图

3.2分层厚度确定

按照《建筑深基坑工程施工安全技术规范（JGJ311-2013）》内容8.1.8第二条：基坑开挖应采用全面分层开挖或台阶式分层开挖的方式；分层厚度按土层确定，开挖过程中的临时边坡坡度按计算确定；8.2.11：多道内支撑基坑开挖遵循“分层支撑、分层开挖、限时支撑、先撑后挖”的原则，且分层厚度须满足设计工况要求，支撑与挖土相配合，严禁超挖，在软土层及变形要求较为严格时，应采用“分层、分区、分块、分段、抽条开挖，留土护壁，快挖快撑，先形成中间支撑，限时对称平衡形成端头支撑，减少无支撑暴露时间”等方式开挖。

工程中常用开挖厚度为1.5~2.0米左右，当土质较好时可适当加深开挖厚度，但一般不超过4米。江南泵站虽然靠近长江，但拟建场地内表层主要为填土（Qml），其下依次主要为黏土、粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉细砂、粉质黏土与粉土粉砂互层、粉细砂层，中更新统冲积（Q2al+pl）的碎石土层、黏土层、砂砾层，基本不存在软弱土层。同时考虑到工期的紧迫性，开挖厚度应尽量加大。

因此初步拟定开挖厚度为3米、4米和5米。

综合分块区域和分层厚度，拟定开挖方案如下：

方案1：开挖厚度为5米，基坑分为3层开挖，开挖顺序如图3所示：

图3方案1开挖步示意图

方案2：开挖厚度为4米，基坑分为4层开挖，开挖顺序如图4所示：

图4方案2开挖步示意图

方案3：开挖厚度为3米，基坑分为5层开挖，开挖顺序如图5所示：

图5方案3开挖步示意图

4开挖方案的有限元模拟

为比选上一节初步确定的三种方案，采用有限元软件ABAQUS对三种方案分别进行计算，通过分析计算结果最终确定开挖方案。

有限元模拟计算采用的本构模型和计算参数等均与第一部分研究内容中模拟计算过程相同。模型尺寸为240m×172m×60m，共产生25997个单元，其中土体包含19937个单元，墙体共558个单元，支撑结构为1834×3=5502个单元，基坑三维模型及网格划分示意图如图6所示。

图6网格划分示意图

图7、图8和图9分别是分层分块开挖5m工况、分层分块开挖4m工况及分层分块开挖3m工况对应的地表沉降分布曲线，从图中可以看出，三种工况下曲线分布规律一致，随着距离坑边距的增加呈逐渐减小后趋于平直的趋势。随着开挖步数的增加，地表沉降值呈衰减性增大变化。分层分块开挖5m工况开挖完成后地表沉降最大值为9.23968mm，分层分块开挖4m工况开挖完成后地表沉降最大值为8.80434mm，分层分块开挖3m工况开挖完成后地表沉降最大值为8.80104mm，三种工况所产生的沉降差量为0.43534mm和0.0033mm，因此，每层开挖厚度约大，所产生的地表沉降越大，但是差异影响不明显。三种工况下对应的地表沉降均在允许范围内。

图7分层分块开挖5m工况地表沉降曲线图8分层分块开挖4m工况地表沉降曲线

图9分层分块开挖3m工况地表沉降曲线

从理论上讲，地表沉降曲线应该呈现三角形或是凹槽型，但从上面的分析可以看出，在所有工况中，其地表沉降曲线并不是规则的三角形，而是在0~8m的范围出现了波动，这是因为在开挖过程中桩体先作为围护结构来抵挡侧向土压力，这使得桩体变形较大，桩后土体松动范围较大。又因为随着开挖深度的增加，松动土体被压实后产生的隆起左右对地表沉降的影响越来越小。

5开挖方案的确定

经过上述分析确定开挖方案采用分层分块开挖，分层厚度5米，主要分为5个开挖阶段，具体开挖方案如下：

1.第一层区域1即开挖泵房及前池部分区域即角撑区域第一层5米（EL21m～EL16m范围内）的土方。

2.第一层区域2和区域3即开挖前池其余部分和格栅间区域即对撑区域、进水间和进水闸区域的第一层5米（EL21m～EL16范围内的）土方。

3.第二层区域1和区域2即开挖泵房及前池部分区域即角撑区域、前池其余部分和格栅间区域即对撑区域的第二层5米（EL16m～EL11m）范围内的土方。

4.第三层区域1和区域2即开挖泵房及前池部分区域即角撑区域、前池其余部分和格栅间区域即对撑区域的第三层5米（EL11m～EL6.7m）范围内的土方。

5.第二层区域3即开挖进水间和进水闸区域第二层5米（EL16m～EL11m范围内的）土方。

参考文献：

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