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颍上复线船闸基坑支护方案设计
孙加鑫 安徽水利开发股份有限公司 234000
【摘 要】颍上复线船闸和现有船闸两船闸轴线间距为62m，拟建复线基坑开挖深度为20.3～22.2m，为保证基坑开挖过程中，不影响现有船闸的安全运行，通过技术经济比较采取灌注桩支护措施，并通过安全符合验算，支护措施安全可靠。
【关键词】复线船闸 基坑支护 灌注桩 稳定
1 工程概况
拟建颍上复线船闸位于沙颍河下段，距上游阜阳船闸约80km，距下游入淮河口45km，现有船闸规模为180m×12m×3m（闸室长×口门宽×槛上水深，下同），其通航能力已不能满足现在的航运要求，拟在现有船闸的左侧新建一座复线船闸，新建船闸为Ⅳ级船闸，船闸的上闸首为2级建筑物，闸室和下闸首为3级建筑物，导航墙、靠船墩等为4级建筑物。规模为180m×24m×3m，新建船闸轴线和现有船闸轴线距离为62m，根据现场场地条件和目前国内基坑支护的主流方式，设计中对基坑支护进行了技术经济比较后，选用灌注桩支护方案。
2 基坑支护形式选择
基坑需要支护的部位有三部分，分别为上闸首（包括上游导航墙）、闸室、下闸首（包括下游导航墙），基坑最大开挖深度超过22m。基坑开挖以不影响现有船闸的稳定和正常运行为原则，根据地质资料，若按1：2边坡开挖（每4～5m留一道平台），上边线至现有船闸左侧17m高程，将影响现有船闸的稳定，闸室和上下闸首左边将会有一半以上的高度临空，船闸将会产生向左侧倾斜等不利影响，影响现有船闸的正常运行，甚至可能使现有船闸报废，其影响和损失巨大。根据稳定验算，现有船闸上下闸首两侧的填土可对称卸载至24m高程，闸室两侧填筑可对称卸载至26m高程，卸载后保留平台宽度7～10m，再按1：2坡度开挖，在距建筑物外边线2m处采取支护措施。设计对采用灌注桩和钢板桩支护进行了比较，钢板桩施工要快速方便，但其投资较灌注桩方案大（可比投资比较表见表1），且钢板桩拔除过程中可能会对主体建筑产生影响，综合比较后采用灌注桩支护方案。
拟在基坑右侧布置一排支护桩，桩顶以上按1：2放坡开挖，每4～5m高设一道2m宽平台，坡顶距现有船闸道外边线约8～10m。经分析计算，选用桩径1.2m的砼灌注桩，嵌入深度按《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-99）悬臂式支护结构计算，分别得出：上闸首基坑开挖高程7.8m， hd=13.5m，桩顶高程16m，桩底高程－4.7m，桩长20.7m，桩距1.6m，共42根；闸室基坑开挖高程9.5m， hd=11m，桩顶高程16m，桩底高程－0.2m，桩长16.2m，桩距2.4m，共74根；下闸首基坑开挖高程6.8m， hd=18.1m，桩顶高程16m，桩底高程－10.3m，桩长26.3m，桩距1.2m，共53根。支护桩参数表见表2。
表1 基坑支护方案投资比较表
项目
钢板桩方案
灌注桩方案
钢板桩（t）
辅助钢材（t）
C25灌注桩φ1.2m（m）
C25砼冠梁（m3）
支护工程量
上闸首
498
14.5
956
59
闸室
1315
38
1296
151
下闸首
471
14
1533
56
合计
2284
67
3785
266
综合单价（元）
4200
3500
1740
1290
可比造价（万元）
983
693
注：钢板桩综合单价为考虑回收后的单价
表2 支护桩参数表
项目
基坑开挖高程（m）
桩顶高程（m）
桩底高程（m）
桩长（m）
桩距（m）
数量（根）
上闸首
7.8
16
-4.7
20.7
1.6
42
闸室
9.5
16
-0.2
16.2
2.4
74
下闸首
6.8
16
-10.3
26.3
1.2
53

图1 上闸首基坑开挖和支护剖面图
3 稳定计算
闸址处土质分为5层，以粘土为主，偶夹粉土层及粘土层夹细砂。各土层的抗剪强度和渗透系数见表3。
表3 各土层渗透系数
土层
土 层 名 称
渗透系数（cm/s）
抗剪强度
C( kPa)
φ(度)
①2
重粉质壤土
5.00 E-05
32.0
12.0
③1
重粉质壤土
3.00 E-06
38.0
12.0
④1
轻粉质壤土、砂壤土
2.00 E-05
20.0
20.0
④2
细 砂
2.00 E-04
3.0
34.0
⑤
重粉质壤土
2.00 E-05
36.0
16.0
选取上闸首作为典型计算，闸室及下闸首限于篇幅简略，不再列出，同时闸室四周考虑高喷截渗墙围封，计算过程已考虑截渗。上闸首支护结构计算简图见图2，计算基本信息见表4。

图2 上闸首支护计算简图
表4 计算基本信息
内力计算方法
增量法
桩直径(m)
1.200
规范与规程
《建筑基坑支护技术规程》 JGJ 120-99
桩间距(m)
1.600
基坑等级
二级
有无冠梁
有
基坑侧壁重要性系数γ0
1.00
冠梁宽度(m)
1.000
基坑深度H(m)
15.200
冠梁高度(m)
0.800
嵌固深度(m)
15.000
水平侧向刚度(MN/m)
50.000
桩顶标高(m)
-8.000
放坡级数
2
桩材料类型
钢筋混凝土
超载个数
0
混凝土强度等级
C30
支护结构上的水平集中力
0
桩截面类型
圆形

3.1嵌固深度计算

图3 悬臂式支护结构嵌固深度计算简图
计算参数：嵌固深度系数为1.2，抗渗嵌固系数为1.2.
按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-99）悬臂式支护结构计算嵌固深度值，规范公式如下：

∑Epj ——桩、墙底以上根据基坑内侧各土层水平抗力标准值epjk的合力之和（kN）；
hp——合力∑Epj作用点至桩、墙底的距离（m）；
∑Eai ——桩、墙底以上根据基坑外侧各土层水平荷载标准值eaik的合力之和（kN）；
ha——合力∑Eai作用点至桩、墙底的距离（m）；
g0——建筑基坑侧壁重要性系数；对应基坑安全等级二级取1.0；
b——嵌固深度的安全系数，规范值取1.2，
计算得： = 1.200 ， = 1.000， = 5.017m， = 3888.435kPa
= 7.319m， = 2219.211kPa， 得到= 13.200m，采用值为：15.000m
3.2整体稳定验算

图4 整体稳定计算简图
计算方法：瑞典条分法，条分法中的土条宽度为1.00m；应力状态：总应力法。
滑裂面数据：圆弧半径(m) R = 35.090，圆心坐标X(m) X = -8.758，圆心坐标Y(m) Y = 18.248，整体稳定安全系数 Ks = 1.619
3.3 抗倾覆稳定性验算
抗倾覆安全系数：

Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩, 对于内支撑支点力由内支撑抗压力，
决定;对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值。
Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩。
注意：锚固力计算依据桩体实际锚固长度计算。
计算得： Mp=27137.603kN.m，Ma=20550.74kN.m，Ks=1.329>= 1.20，满足规范要求。
3.4 抗隆起验算

图5 抗隆起计算简图
抗隆起安全系数分别按randtl(普朗德尔)公式和Terzaghi(太沙基)公式计算，安全系数均满足要求，本文仅列出Prandtl(普朗德尔)公式的计算过程。
。 ，
，

Ks = 1.311 >= 1.1, 满足规范要求(Ks > = 1.1～1.2)，《建筑基坑工程技术规范》（YB 9258-97）(冶金部)
3.5 隆起量计算
按以下公式计算的隆起量，如果为负值，按0处理。

式中δ—基坑底面向上位移(mm)；N—从基坑顶面到基坑底面处的土层层数； ri—第i层土的重度(kN/m3)；地下水位以上取土的天然重度(kN/m3)；地下水位以下取土的饱和重度(kN/m3)； Hi—第i层土的厚度(m)； Q—基坑顶面的地面超载(kPa)； D—桩(墙)的嵌入长度(m)； H—基坑的开挖深度(m)； C—桩(墙)底面处土层的粘聚力(kPa)；φ—桩(墙)底面处土层的内摩擦角(度)； r—桩(墙)顶面到底处各土层的加权平均重度(kN/m3)。

δ = 0(mm)
3.6 抗承压水(突涌)验算

图6 抗承压水突涌计算简图

式中 Pcz———基坑开挖面以下至承压水层顶板间覆盖土的自重压力(kN/m2)； Pwy———承压水层的水头压力(kN/m2)； Ky———抗承压水头(突涌)稳定性安全系数，规范要求取大于1.050。
Ky = 40.00/30.00 = 1.33 > = 1.05。基坑底部土抗承压水头稳定。
4 结语
颍上复线船闸基坑开挖靠现有船闸侧采用灌注桩支护，根据安全稳定计算，支护方案经济可行。