软土地区地上式污水处理厂基坑支护设计案例分析_梁俊玮.pdf

148工程设计 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究软土地区地上式污水处理厂基坑支护设计案例分析梁俊玮上海市政工程设计研究总院集团有限公司，广东 佛山 528253摘要：污水处理厂构筑物基坑一直是污水厂设计、施工的重点。文章以广东软土地区的两座新建污水厂的生化反应池基坑为研究对象，分析斜抛撑+钢板桩支护、锚拉钢板桩支护对基坑稳定性及施工的影响，分析结果表明，采用斜抛撑+钢板桩支护、锚拉钢板桩可以节省成本，便于施工，缩短工期；最后文章结合前文的案例分析，总结了常用基坑支护形式的特点，以期为类似工程的基坑设计提供参考。关键词：软土地区；污水处理厂；基坑设计；生化反应池Abstract:The foundation pit of sewage treatment plant structure has always been the focus of sewage plant design and construction.Taking the biochemical reaction tank foundation pit of two newly-built sewage treatment plants in soft soil area of Guangdong as the research object,this paper analyzes the influence of inclined throwing support+steel sheet pile support and anchor steel sheet pile support on the stability and construction of the foundation pit.The analysis results show that the use of inclined throwing support+steel sheet pile support and anchor steel sheet pile can save cost,facilitate construction and shorten the construction period.Finally,combined with the previous case analysis,this paper summarizes the characteristics of common foundation pit support forms,in order to provide reference for the foundation pit design of similar projects.Key Words:soft soil area;sewage treatment plant;foundation pit design;biochemical reaction tank分类号：TU753Case Analysis of Foundation Pit Support Design of Aboveground Sewage Treatment Plant in Soft Soil AreaLIANG JunweiShanghai Municipal Engineering Design Institute(Group)Co.,Ltd.,Foshan 528253,Guangdong,China047.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.02.作者简介：梁俊玮，男，本科，工程师，研究方向为市政结构、基坑设计。软土中的淤泥及淤泥质土在我国沿海地区分布十分广泛，是进行地基设计、基坑设计时经常遇到的土层1。淤泥土质具有高含水量、高孔隙比、高压缩性、抗剪强度低、触变性等特点。软土地层中的基坑设计是污水厂结构设计的一个难点。近年来随着黑臭水体治理的推进，各地相继建设了一批新的污水处理厂。由于投资相对经济，地上式污水厂仍然是主流。地上式污水厂主要建构筑物有进水泵房、细格栅沉砂池、生化反应池、二沉池、高效沉淀池、鼓风机房、变电所等，其中生化反应池面积较大、埋深较大，因此也比较有代表性。文章以生化反应池基坑为例，对珠三角地区常见的软土区域中的污水厂基坑设计展开分析。1 案例分析1.1 案例一对于深度为 5 m 左右的基坑，常见的基坑支护形式有放坡开挖、放坡+钢板桩悬臂支护、钢板桩+内支撑、水泥搅拌重力式挡墙等形式。在软土地区，采用放坡、放坡+钢板桩或重力式挡墙支护，常常无法满足规范的整体稳定、抗倾覆稳定等要求。例如，采用钢板桩+内支撑支护，虽然能满足各项稳定指标，但由于内支撑体系施工需要较长时间，尤其在大面积基坑中内支撑体系更为复杂，因此有条件时应采用一种更简单的支撑方法。为了施工方便，可将内支撑改为斜抛撑，将内撑另一端支撑点设在底板上，由此可大幅度简化基坑内支撑施工，缩短工期。例如，东莞温塘某新建污水厂，设计日处理量为 5 万 t，生化反应149工程设计工程技术研究 第 8 卷 总第 130 期 2023 年 1 月池基坑平面尺寸为 77.8 m55.9 m，基坑深度为 5.0 m。典型钻孔 WXZK21 土层从上至下为杂填土、素填土、淤泥质黏土、黏土、淤泥质黏土、中砂。温塘某污水厂生化反应池基坑标准断面如图 1 所示。图 1 温塘某污水厂生化反应池基坑标准断面（单位：mm）基坑的施工顺序：场地平整桩基施工放坡开挖1.0 m 施工钢板桩开挖土方至围檩底，施工围檩坑内留土，向下盆式开挖至坑底，浇筑垫层，盆式开挖底板，安装底板支座，并施工斜抛撑挖除坑内留土，浇筑基础底板、传力带，并养护至设计强度拆除钢支撑，施工剩余主体结构回填土方，拔除钢板桩2。采用斜抛撑相对于采用水平内支撑体系具有以下优点：（1）平面尺寸较大的基坑，水平内支撑体系要设置立柱支撑，在软土层中立柱还需有立柱桩。采用斜抛撑免去了立柱支撑及其基础的施工，基坑造价降低、缩短了工期。（2）由于采用盆式开挖的底板部分无内支撑，机械高度没有限制，施工更方便，也能缩短工期。基坑采用理正深基坑 7.0 软件进行计算，基坑等级为三级，土层计算参数如表 1 所示，计算结果如表 2所示。从计算结果可知，除抗隆起验算不满足外，其他各项指标均满足要求3。由于钢板桩插入比已大于 2，结合以往工程经验，认为抗隆起稳定满足安全要求。目前该生化反应池主体结构已施工完成，基坑始终处于安全可控状态。由上述案例可见，采用斜抛撑能够在一定程度上简化基坑施工，缩短工期。如果场地条件足够宽阔，能否进一步优化基坑设计？下文再分析一工程实例。1.2 案例二东莞高埗某新建污水厂，设计日处理量为 5 万 t，生化反应池基坑平面尺寸为 90.5 m54.2 m，基坑深度为 4.8 m。典型钻孔 GBZK62 土层从上至下为杂填土、素填土、淤泥质砂、粗砂、砾砂、圆砾。由案例一可知，采用斜抛撑的基坑比采用水平支撑体系基坑施工更方便，但结构底板需要以盆式开挖的坡底为边界分次浇筑，基坑仍需要分两次开挖，仍有一定不便。为了进一步优化基坑设计与结构施工，案例二根据此项目场地开阔的特点，采用锚拉式钢板桩支护。如考虑完全放坡支护方案，由于地面以下 3.2 m 为淤泥质软土砂层，放坡方案很难满足基坑整体稳定指标要求，因此经过方案比选后，最终采用锚拉式钢板桩支护。锚拉式钢板桩，其基本原理是将围檩处的内支撑改为锚杆，锚杆锚固在钢板桩外侧一定距离的钢板桩上，利用钢板桩的水平承载力平衡锚杆的拉力，为围檩提供支点，替代内支撑，以满足基坑稳定要求。由于坑底土层为淤泥质砂，基坑底进行了旋喷桩裙边加固，加固宽度为 3 m，加固厚度为 4 m。基坑支护剖面如图 2（见下页）所示。基坑采用理正深基坑 7.0 软件进行计算，基坑等级为三级，土层计算参数如表 3（见下页）所示，计算结果如表 4（见下页）所示。另外，从理正计算结果可知，支锚处最大轴力为138 kN，锚杆间距为 2.5 m。对锚杆的支点 6 m 拉森钢板桩，受水平力作用时，最大承载力为钢板桩受到的表 1 案例一土层参数表表 2 案例一基坑计算结果土层天然容重/（kNm-3）直接快剪指标黏聚力 C/kPa 内摩擦角/1-1 杂填土17.511.010.01-2 素填土17.811.713.62-1 淤泥质黏土16.25.92.72-2 黏土18.015.010.42-3 淤泥质黏土16.15.72.2计算项目生化反应池基坑规范限值最大水平位移/mm29.450.0钢板桩最大应力/MPa73.0215.0整体稳定性1.881.25抗倾覆稳定性（踢脚破坏）1.201.15抗隆起验算1.351.70流土稳定性5.161.40150工程设计 2023 年 第 02 期 总第 130 期 工程技术研究被动土压力与主动土压力之差。由验算可知，其被动土压力为 560 kN/m，主动土压力为 139 kN/m，则最大承载力为 421 kN/m，则水平承载力的安全系数为 7.6。从以上计算结果可知，除抗隆起验算不满足外，其他各项指标均满足要求。由于钢板桩插入比已达到 1.7，同时，基坑底做了裙边旋喷桩加固，结合以往工程经验，认为抗隆起稳定满足安全要求。采用锚拉式钢板桩支护体系具有以下优点：（1）基坑内部没有支撑、立柱等临时构件，施工作业面大，施工时不必考虑分期施工，相比斜抛撑支撑体系进一步缩短了工期4。（2）锚杆采用钢板桩作为锚桩提供水平承载力，与传统灌浆锚杆相比，基坑的材料全部可回收，既节约了成本，又避免了影响后期其他构筑物及管线的施工。2 常用基坑支护形式特点总结（1）放坡支护是最常用、最经济的基坑支护形式。放坡坡率可根据需要灵活调整、施工方便、成本低。但放坡支护对土质、场地条件有一定要求，不适用于地下水位较高及土质较差的软土地区，不适用于场地狭窄的城市建成区。尽管放坡支护有一定条件限制，因其造价低的特点，在条件允许的情况下，仍应优先考虑放坡支护。另外，放坡可结合钢板桩进行支护，也能起到与钢板桩优势互补，节省工程造价的效果。文章提到的两个案例在坡顶均进行了一定高度的放坡，起到减少钢板桩土压力的作用，提高了安全性。（2）钢板桩+内支撑支护是当前市政工程中主流的支护形式。内支撑通过实现围檩受力的自平衡，不需要侵入基坑以外的地区，对于尺寸较小或坑内施工主体较简单的基坑，具有施工便利、快捷的优势，如市政管线沟槽、城市综合管廊等，内支撑体系应用非常普遍。但内支撑会占用一定的基坑内部空间，多道内撑时，对施工便利及构筑物的施工质量会有一定的影响。（3）在大中型基坑中，斜抛撑支撑体系比内支撑体系施工简单，施工面开阔，且不需要占用基坑外的场地，在 5 m 左右的基坑中采用斜抛撑比水平内支撑更合理。如果在场地条件足够开阔的软土地区，则可以考虑采用锚拉式钢板桩，基坑内没有支撑等临时构件，便于施工。3 结束语随着社会的发展，新建项目周边的条件越来越复杂，大中型项目需要因地制宜，考虑多种基坑支护形式结合的基坑设计方案。文章通过两个基坑支护实际案例的分析，为其他类似项目提供了参考，相对于传统内支撑的支护方式而言，案例采用的斜抛撑+钢板桩支护、锚拉式钢板桩支护节省了成本，缩短了工期，对于类似地层的基坑工程具有较好的推广价值。参考文献1 常士骠,张苏民.工程地质手册M.4版.北京:中国建筑工业出版社,2007.2 彭逸勇.软土地层超宽深基坑施工优化与时空效应研究D.南宁:广西大学,2020.3 中国建筑科学研究院.建筑基坑支护技术规程:JGJ 1202012S.北京:中国建筑工业出版社,2012.4 蔡训.深厚软土地基深基坑支护坑内墩式加固模式及效果评价D.苏州:苏州科技大学,2021.图 2 高埗某污水厂生化反应池基坑标准断面（单位：mm）表 3 案例二土层参数表表 4 案例二基坑计算结果土层天然容重/（kNm-3）直接快剪指标黏聚力 C/kPa内摩擦角/1-2 素填土18.512102-2 中砂18.50282-3 淤泥