白坭泵站主泵房深基坑开挖工程的探讨

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发布时间:2017年6月17日
     钢板桩结构具有重量轻,强度高,锁口紧密,施工方便,施工速度快等优点,虽然其用钢量大,造价较高(钢板桩不再回收利用时),在港口板桩码头或作深基坑的支护时,钢板桩的使用还是较为普遍的,但在泵站深基坑开挖中使用还比较少见。
    1998年,广东省佛山市三水区白坭电力排水站进行重建时,由于受到泵站工程地质条件的制约,在采取轻型井点排水、木桩护坡等办法不能根本解决基坑开挖出现的土坡塌方问题时,采用钢板桩支护截渗的方法,取得了良好的效果,从而确保了泵站工程的施工进度和施工质量。
    一、 工程概况
    白坭镇位于佛山市三水区的最南端,西面紧邻西江。该镇80%的排涝任务均由原有的两座排涝站(角里电站和大岗电排站)承担,然而,这两座泵站均为二级排水站,其中的角里电排站始建于1958年,几十年来虽然经过了几次技术改造,但限于种种原因,设计标准偏低,排涝系统规划欠妥等一些根本性问题一直没能解决。特别是泵站运行要受到下游的官山大泵站制约,因此出现涝渍时不能正常排水。为了适应白坭镇工农业生产的稳步持续发展,决定把里站迁址重建,将原有的两个二级泵站合建成一个一级排涝站,将涝水直接排入西江。重建的泵站定名为白坭电排站,其受益面积有2800hm2,其中鱼塘为860hm2,它将是三水区目前装机容量最大的泵站工程。
    重建的白坭电排站位于樵桑联围19+200桩号处。泵站辖集雨面积93km2,按10年一遇24h暴雨量(206.4mm)3天排干的标准设计,总排水流量为35.42m3/s,装置1600ZLQ9.5-8型立式轴流泵4台,配TL1000-20/2150型10kV立式同步电动机,总装机容量4×1000kW。
    泵站工程等别为三等,主要水工建筑物为3级。泵房为块基型结构,四周有边墩,基础为联合底板,其底部高程为珠基-5.35m,下部采用预制管桩基础,设计打桩平台高程为-3m。
    二、 水文地质条件
    白坭镇地处亚热带,气候温暖,雨量充沛,且大部分雨量集中在4~9月之间,其余月份雨量较少。年最大雨量1720.9mm,最小933.8mm,平均1475.6mm。
    白坭电排站位于西江干流左岸岸边,所处河段地形单一,主要受西江和北江洪水的控制,潮汐的影响甚少,基本上属于非潮感区。泵站所在地段原属河相冲积平原,地形呈阶梯状,堤外为河滩台地,堤内为鱼塘、稻田和蔬菜地。根据地质勘察报告,地质构造从上至下分别是:人工填土层(防洪堤)、第四系河流相松散沉积物层、第三系灰砂基岩层。各岩土层的特性自上而下为:
      (1)回填粉质黏土,厚3.8~12.4m,为筑堤填土,填筑较坚实,硬且可塑。泵站的出水涵管全部埋设在本层,防洪堤身经长期沉实后,填土已稳定、密实,承载力也较高。
     (2)粉土,厚8.0~20.3m,土层稳定,全场分布,是泵房基础的持力层,土质硬,可塑,承载力较高。
     (3)细砂,厚17.3~31.3m,全场分布,土质松散至稍密。
      (4)粉砂,厚8.4~8.6m,仅见于部分地层,饱和松散。
     (5)淤泥质粉砂黏土,厚3.2~9.6m,分布较广,饱和,流塑至软塑。
     (6)中微风化灰砂岩,岩面不平,高差较大,致密,坚硬,强度高,但埋深大,一般在地表以下38~45m处。
    场内地貌单元简单,土层变化不大,多为粉土和粉质黏土、粉砂、砂但强度不均且较低,地下水埋深较浅,水量较丰富,地下水位高,场地属二类及其他地基条件。
    三、 基坑施工
   白坭电排站重建工程于1998年12月破土动工,开挖基坑,填筑围堰。主泵房的基坑经过10多天的施工基本挖出雏形。接下来采取的工程措施包括有:打桩平台、轻型井点排水、木桩护坡、钢板桩支护、基坑深井降水和基面处理六个环节。
      1.打桩平台
      按设计要求,打桩基面高程为-3.0m,但当基坑开挖至设计高程以后,由于地下水位较高,水量较多,采用常规的边沟排水方法均未能有效地降低地下水位。
      由于地基土呈现饱和状态,此时如有扰动极有可能变成淤泥质粉细砂,降低承载力,桩机就无法进入工作面操作。为了避免上述问题发生,决定采用回填1m厚比较干燥的黏土,经过整平碾压后作为打桩平台基面,从而保证了打桩施工队的顺利进场施工。
      2.轻型井点排水
      由于基坑开挖面下近10m深处范围内的土质均含有淤泥质,透水性差,极容易产生流沙管涌,加上在管桩施打过程中产生的震动,边坡塌方更为严重,对基坑边坡的稳定是极为不利的。
      为了保持打桩平台填土不受水浸,确保管桩施工的顺利进行,经有关专家详细勘察后,在使用水泵明排水方法未能奏效的情况下,决定采取人工降低地下水位的方法,即采用轻型井点排水的方法。具体做法是用钢管和硬塑管成孔成井,沿基坑四周每隔3m布置一个6m深的井点,总共布置了40个井点。井点采用挖掘机沉压φ150钢管成孔,然后将带孔眼的φ100硬塑管用过滤布包扎后插入φ150钢管孔内成井,并且在硬塑管周边灌入碎米石。这样,就可用水泵先将井水抽到泵房基坑两侧的集水沟内,再用水泵将渍水排出基坑之外。
      事实表明,采用轻型井点排水(井底高程约为-8m),确实在降低基坑地下水位方面起到了一定作用,在一定程度上保证了该站管桩施工的进行。
       3.木桩护坡
       管桩施工完毕后,对主泵房基坑做继续挖深工作,但由于地下水位未能控制在有效高度以下,结果基坑涌水较多。施工中因为基坑在靠前池和泵房左右三侧的开挖空间比较大,开挖比较顺利,但在靠出水涵管即西江一侧,却出现了边坡塌方,致使基坑开挖不能继续进行。
       为保持边坡稳定,我们在基坑靠出水涵管一侧的-2.0m和-3.0m高程的坡脚处各打入了一排6m长的木桩,间距0.5m,并在木桩顶码砂包护脚。但在继续进行基坑开挖时,仍然出现边坡开裂及下滑的趋势,并有危及出水涵管地基安全的可能。这就说明光靠井点排水和木桩护坡仍然是不能从根本上解决上述问题。
        4.钢板桩支护
       由于泵站工程开工时间较迟,在工程开工一个多月且基础管桩已完工近10天后,主泵房基坑仍未能开挖至建基面-5.35m。为了保证工期,工程指挥部召集设计、监理、施工单位等部门有关人员共同商量,决定采用钢板桩支护截水的方案,其结果是既起到了支护作用,又起到了截渗的作用。具体做法是在靠近出水涵管一侧的基坑边坡处,即原来布置双排木桩附近布置了一排钢板桩,桩位距主泵房底板边线约3m,沿主泵房底板长边方向两端各延伸5m布置,总长为32m。钢板桩为LSⅢ型,每根长9m,桩顶高程为-1.5m,桩底高程为-10.5m,在钢板桩顶部用10mm钢丝绳拉锚加固,锚向外江出水涵管一侧,并在该侧边坡进行削坡减载,以减少钢板桩的压力。
        5.基坑深井降水
        采用钢板桩后,解决了基坑支护和水平截渗的问题,但仍未能降低地下水位及解决钢板桩两侧的绕渗问题。为把泵房基坑开挖至-5.35m高程以下,必须将基坑水位至少降到-6.0m高程,才能使基坑保持干燥,故需截断地下水主要补给源的渗水以及钢板桩两侧的渗水流。
    为此,除采用钢板桩外,我们还在主泵房基坑左右两侧各均匀布置了4口降水井,口径为127mm,成井深度为12.0m,井底高程在-14.0m左右,井壁采用φ127m套管,井下部的滤水管也用φ127mm套管加工,外包6层过滤布,用钻机成φ146mm的孔,孔内放置套管,四周回填碎米石,底部密封,用扬程为40m的小型水泵从套管内抽水,先将水抽到基坑两侧的集水沟,然后再用水泵排出基坑外。
         6. 基面处理
         采用钢板桩支护截渗和深井降水,能够很好地维持边坡稳定,并有效地降低了基坑的地下水位,使基坑挖深工作得以顺利进行,但在挖至建基面时,基坑仍有少量管涌。为此,施工中我们将基底超挖0.3m,然后回填0.3m厚的碎石,并在基坑纵横方向均设置排水暗沟,用碎石回填,间距约为4~5m,深约0.5m,以疏通管涌水流;在基坑中间及靠进水前池一侧基坑外两边均设口径为1m的排水井,井内套钢筋笼,外包过滤布,四周回填中砂,主要用于收集基坑内的管涌水流,再排出基坑外,以保持基坑无积水。超挖回填的碎石经压实整平后,也可增加基底地基强度。
    四、 工程效果
    实践证明,采用钢板桩支护截渗和基坑深井降低地下水位后,使基坑继续挖深能迅速挖至预定高程,经基面处理后的次日即可浇筑主泵房底板的混凝土垫层,从而为下一阶段的施工创造了有利条件。不难看出,我们在基坑开挖后期采用的钢板桩支护和深井降水这一施工方案是可行的、有效的,抢回了工程进度,保障了整个工程的顺利进行。