太浦河泵站工程深基坑设计与实施
摘要：在软土地基进行深基坑开挖是江、浙、沪地区大型水利工程实施中经常要面临的一项技术难题。本文对太浦河泵站工程的边坡设计、降水措施的选用、施工过程的控制及信息化管理等多个方面进行了，对不同规范的选用、土壤力学指标特别是抗剪指标的选取对边坡设计的影响进行了分析并提出了相关的一些建议。太浦河泵站工程深基坑的成功实践可为今后类似工程的实施提供借鉴。
关键词：深基坑 设计 开挖 井点降水
一、工程概况
太浦河泵站工程位于江苏省吴江市境内的太浦河南侧，其主要作用是枯水期间通过抽引东太湖水以有效地改善上海市黄浦江上游二期引程取水口段的水质，提高上海市半数以上人口的生活及企事业单位供水水质和供证率。工程设计总流量为300立方米/秒，装有单泵流量50立方米/秒、叶轮直径4.1米、斜15度轴伸泵6台。工程总投资2.76亿元。
工程实施中基坑拟采用大开挖方式，泵房基坑长（顺水流方向）109.7米。宽（垂直水流方向）71.5米，挖深14.5米（基坑底高程EL-8.05米，原状土高程EL6.5米），其中集水井部位挖深达17.2米。由于基坑规模大、暴露时间长，如何确保基坑开挖过程及期的安全是整个工程成败的关键。
二、地质状况及环境分析
1、泵站基坑所在区域的地质状况见下表：
土层 | 土层底高程(m) | 天然含水量(%) | 固结快剪 | 渗透系数（20℃）cm/s | 允许承载力（kpa） | |
C(kpa) | φ(°) | |||||
①1 | 2.1～4.3 |
| 17/8 | 32/30 | 4.0E-6（6.1E-5）（垂直） |
|
②2 | 0.2～1.7 | 36.6 | 13/11 | 22/20 | 3.0E-6（9.7E-6）（垂直） | 80 |
②3 | 0.1～-4.5 | 49.4 | 16/11 | 16/14 | 8.6E-6（2.5E-5）（垂直） | 60 |
②5 | -5.1 | 35.2 | 10/ |
| 3.1E-5（2.5E-5）（垂直） | 120 |
③1 | -2.5～-3.2 | 26.7 | 40/29 | 20/184 | 1.0E-7（3.7E-7）（垂直） | 255 |
③2 | -3.2～-8.1 | 30.5 | 32/21 | 20/20 | 4.2E-7（9.5E-7）（垂直） | 150 |
③3 | -6.7～-8.7 | 32.3 | 5/5 | 35/33 | 1.3E-4（1.7E-4）（水平） | 120 |
④1 | -9.1～-11.4 | 33.4 |
|
| 6.4E-4（垂直） | 120 |
⑤ | -3.3～-15.0 | 34.8 | 18/14 | 16/15 | 4.3E-7（1.8E-6） | 105 |
⑤′ |
| 35.7 | 11/5 | 29/27 | 1.2E-6（2.6E-6） | 110 |
⑥ | -17.6～-20.1 | 23.5 | 55/45 | 24/22 | 1.6E-7（6.6E-6） | 300 |
注：(1)渗透系数拦中，前值为算术平均值，后值（括号内）为大值平均值；
(2)抗剪强度指标栏中，横线上、下行数值分别为算术平均值、小值平均值。
基坑开挖深度范围共涉及十个不同地质亚层，其中以粉质粘土层居多，并夹厚达2~4米的淤泥质粘土层。主要含水层为③3、④1和②5层，其渗透系数（垂直和水平方向）均为K=A×10-5——A×10-4cm/s，属弱透水层；③2与⑤1层为粘性土夹薄层砂壤土，具有较好的水平层理，地下水以水平运动为主，K（垂直）=A×10-7cm/s，K（水平）=A×10-5cm/s。其中②3层淤泥质粘土层与②2层内所夹泥炭层，土质极软，高压缩性，强度低，是基坑边坡稳定的控制层；③3和④1层为轻砂壤土，在地下水流作用下，可能会产生流沙。
2、在批复的工程初步设计报告中明确，考虑到要尽可能少占用耕地及拆迁民房，泵站站址选择在太浦河闸南侧，并选用泵闸分建方案。泵房中心线与太浦河中心线平行，两者中心线相距200米，桥与太浦闸桥成直线布置，交通桥中心距泵房中心74.15米。工程拆迁原则上只考虑渠堤范围内的建筑物。工程布置见下图：
太浦河节制闸是1958年建造的，其标准较低，1998年经鉴定为病危水闸。而太浦河为太湖流域泻洪主要通道，其保护面积大于20万亩，保护人口超过20万人。
3、按照工程总体安排，基坑开挖将主要集中在2001年3、4月间，5月初基坑形成、进行深层水泥搅拌桩。这样，基坑将不可避免地要度过整整一个汛期，将经受暴雨及洪水的考验。
由此我们可以看出，研究太浦河泵站基坑的安全，不能只考虑基坑本身，还要考虑周边民房的安全，更要研究如何同时确保太浦河节制闸及太浦河大堤的安全。
三、基坑方案选择
1、增设地连墙
初设结束后经进一步研究，为了保护太浦河节制闸及太浦河大堤，同时减少因太浦河侧渗流而对基坑形成破坏，而增加一项辅助工程设施：即沿太浦河节制闸右岸设置一道厚24cm的地下连续砼防渗墙，上下游长度共240米，防渗墙深度约18.7m，其墙的底部嵌入相对不透水层0.3~0.5m深。（见上图）
2、承包商投标时所报方案及有关承诺
本工程在招标文件中明确基坑土方（范围为桩号0-77.5至0+77.5两个横断面之间）采用总价包干的方式。因而投标人往往都按较陡的方案考虑基坑边坡。
中标的承包商所报方案为在EL3.5m、EL-2.6m高程布设宽度分别为2m和1m的马道，其中在高程EL3.5m的马道上布置喷射井点及进、排水总管、截水沟等。经对边坡进行稳定，选定原始地面至EL3.5m高程，开挖边坡为1:1.5，EL3.5m至EL-2.6m之间开挖边坡为1:2.5，EL-2.6以下为1:2.5。由此，计算泵房基坑开挖总量为18.5万方。
评标专家们对这一方案并不放心，通过澄清，承包商郑重承诺在报价不变的前提下，基坑开挖及围护措施根据基坑开挖过程出现的情况，可按照业主和工程师的要求及时调整。
3、方案研究
研究基坑方案，重点是研究两个问题：一是边坡放坡方案；二是降排水方案。
（1）边坡放坡设计
由于感到承包商所报边坡方案偏于不安全，为制定可靠、详实的基坑实施方案，工程建设指挥部分别委托四家设计院对基坑进行了边坡设计。
四家设计院均认为可能的滑动面有两个：一是在②3层——淤泥质粘土层滑出，滑出点位于整个边坡的中部；二是基坑底部沿⑤层的深层滑动。
下表是四家设计院（其中C、D两家联合完成）的计算工况、条件、结果、建议方案的比较：
设 计 院 项 目 | A | B | C与D |
工程等级 | 临时建筑物4级 |
| 太浦河十年一遇要求 |
边坡抗滑安全系数要求 | K≥1.05 | K≥1.15,井点降水有效 | K≥1.2 |
K≥1.05，井点降水失效 | |||
抗剪强度指标选取 | 直接快剪小值平均值 | K≥1.15,固结快剪小值平均值 | 结合地质报告，根据经验，提出的设计采用值 |
K≥1.05，直接快剪平均值 | |||
对排水的考虑 | 正常地下水位取-2.2m，由坡顶后10m到坑底直线变化 | 井点降水 | 在3.5m高程设轻型井点 在-1.0m高程设置喷射井点 |
计算方法 | 按瑞典圆弧法，用自编程序 | 边坡稳定分析电算程序 | 圆弧滑动法，同济大学启明星 |
计算结果 | 三级平台，5+5+5m，边坡均以1:2.5 K上=1.452 K下=1.088 | （1）按固结快剪小值平均值，边坡1:1.5情况下，K=1.293； （2） 按直接快剪平均值，边坡1:2.5情况下，K=1.05 | 按1:1.5、1:2.5、1:2.0放坡 K=1.27 |
建议方案 | 在EL4.00、EL0.00、EL-4.00处分别设置5m 马道，全部按1:2.5放坡 | 在②3层以上按1：3放坡 在②3层以下按1：2放坡 | 在EL3.50m处设3m宽马道，在EL-1.00m处设2m宽马道 第一级边坡1：1.5 第二级边坡1：2.5 第三级边坡1：2.0 |
（2）降排水方案
对于潜水及雨水均采用开挖明沟、排水沟，汇集于集水坑内抽走的方法解决。下部地下水抽排方案是降排水方案的核心。为了确保泵房基坑及其它部位的开挖，以及基础砼浇筑的顺利进行，必须采用人工降水方法把水位降至建基面以下。
工程前期地勘过程曾针对以③3、④1和⑤1等层共同组成的承压含水层做过抽水实验。泵站场区浅部承压水层承压水位在EL3.26～EL3.47m，承压水头约7.8m，抽水试验表明该层渗透系数K=2.9×10-4 cm/s,具中等透水性，降深3.5～3.6m时影响半径36m。如需将地下水位降至EL-9.0m，基坑日涌水量约在250～350m3/d。
基坑开挖前，我们在现场进行了深井降水试验，以确定采用何种降水手段。试验深井布置在基坑东南角，井深22m，成井直径￠800mm，井底高程为EL-16.0m，降水后确保承压水位控制在EL-9.0m。同时在深井正南隔8m、20m、35m布置E1、E2、E3深水位观测井，在深井正东方向隔8m、19m、34m布置S1、S2、S3深水位观测井。试验结果如下图（深井降水试验曲线表），可看出深井的有效降水区域并不显著。
深井降水试验曲线表
根据深井降水试验结果同时周边地区的成功经验，我们决定在基坑开挖时还是采用多层轻型井点环状降水方案。
4、方案确定
工程建设指挥部在充分分析研究四家设计院成果的基础上认为：
（1） 边坡最不利的圆弧滑动面分别为：沿着EL-0.2m③1硬土层上的顶层局部圆弧滑动和沿着EL-12.7m⑥层硬土层以上的深层圆弧滑动，边坡设计按起控制作用的深层圆弧滑动稳定计算成果为依据。
（2） 根据国家标准水电勘察规范，滑动面土的抗剪强度的标准值取固结快剪峰值的小值平均值，泵站设计规范规定边坡稳定的安全系数为1.20;根据上海市标准基坑工程设计规范，开挖深度超过10m，属于一级基础，滑动面土的抗剪强度标准值取固结快剪峰值的算术平均值，边坡稳定安全系数为1.43，边坡设计应同时符合国家及上海市有关规范的要求。
考虑到要给地连墙留有足够宽的土体以保证地连墙的稳定，综合四院的方案，提出如下三级马道放坡及四级井点环状布置的方案（如下图）。
对这样的边坡采用不同指标的抗滑稳定计算成果见下表：
土的力学性能 边坡 | 固结快剪小值平均值 | 固结快剪算术平均值 | |
1：2.5井点完全有效 | K上 | 1.47 | 1.89 |
K下 | 1.91 | 2.19 | |
1：2.5井点失效 | K上 | 1.21 | 1.54 |
K下 | 1.07 | 1.30 | |
可见考虑井点完全有效，按圆弧滑动计算结果，当边坡为1：2.5三级马道时，Kmin=1.47，满足国家规范[K]≧1.2的要求，按上海市规范计算Kmin=1.89，满足上海规范[K]≧1.43的要求。（滑弧布置见下图）。虽然计算K值较规范偏大，但考虑到井点会淤堵及长时间连续降雨等因素，即井点不可能完全有效，而按照计算如井点完全失效则K值达不到规范要求，故认为所选择的放坡及降水方案并不过分偏于保守而是适宜的。
四、基坑实施
承包商以上述边坡设计为依据编写了组织设计，并通过了包括刘建航院士在内的多名地基处理专家的评审。
泵房工程的基础开挖土方约20万方，在实际实施中考虑到深层水泥搅拌桩及坑底保护的需要而分两期开挖。一期开挖至EL-6.2m左右，历时近四个月，5月13日结束；二期待深层水泥搅拌桩结束达到强度要求使用小型反铲式挖机配合人工开挖至EL-8.05m。在基坑开挖过程及保护方面，我们主要抓了以下几个方面：
1、 严格遵循“先降水，后开挖”的原则，在轻型井点发挥作用后再进行该级开挖；
2、 做好现场地面排水系统，在坡顶和每一平台处都设置了截水沟，汇集后用水泵及时抽排入太浦河；
3、 加强对坡面的保护，除了对最下一层边坡进行素砼抹面保护外，平时备足土工布，遇有降雨，在土坡上铺土工布以保护；
4、 加强监测工作，委托了专业监测队伍在基坑实施全过程进行地下水位变化、沉降、测斜等方面的监测工作，以指导实施；
5、 加强现场操作管理，严格禁止直立开挖深度超过2米。
在基坑实施过程中我们也遇到了两个问题：
一是西北角翼墙部位在开挖接近设计基面时，出现细微的流砂现象。我们采取的措施是在加大排水力度的同时加快局部，尽早进行封底，根据监测，封底后一切正常；
二是西南边坡的一个观测点曾在同一天内沉降及倾斜变化均超过规范允许范围。对此我们在该区域暂停了三天，未采取其它措施。待稳定后继续，经后续监测，一切正常。
五、后评价
8月中下旬开始进行泵站底板浇筑，基坑安全渡过了整整一个汛期的考验。确保了后续工程的顺利实施。下面就三方面对基坑实施方案进行评价：
1、地连墙
监测数据表明地连墙迎太浦河、基坑侧的水位差达4米左右，同时太浦闸在期的最大沉降为2mm，最大位移为2mm，均在规范允许范围内。可以讲地连墙确保了太浦闸及太浦河的稳定与安全。
2、井点降水
实施过程中发现，井点降水前后坡面的干湿程度截然不一样，这对坡面的保护极为有利。
3、放坡及马道
基坑很安全，回过头来看边坡设计是否过于保守了呢？为此，我们从三个方面评价：
（1）
实施方案与承包商投标时所报方案相比，增加土方量1.5万方，按其报价开挖8.33元/m3，回填13.03元/m3计算共增加投入27.5万元。这在整个工程中所占比例极小。
（2）工期
由于增加开挖量而延长工期，在关键线路上受影响的只是基坑土方开挖。按正常日出土2500m3计，延长工期6天左右。通过合理组合安排，这不至于对总体进展产生影响。
（3）安全性
进水渠段的地质状况与基坑部位基本类同，只是②3层土稍厚。进水渠为梯形明渠，渠底高程EL-2.50m，渠道边坡1：3，在EL3.2m处设宽5m的马道，堤防顶高程EL7.0m。进水渠南堤0-413.00~0-475.00m段2001年10月中旬即已形成断面，但在2001年11月3日突然发生滑坡现象，堤脚向外滑移30m左右。堤脚的滑动面为状态，未出现隆起现象。
由此反证基坑的边坡及马道设置并不过于保守。
综上可以看出，本工程的基坑方案是符合工程点的、妥切的。
六、体会与建议
在软基上进行基坑开挖是江、浙、沪地区的工程界要经常面临的一项技术难题，在基坑实施中发生边坡失稳而导致机毁人亡，给工程造成重大损失的案例也经常出现。太浦河泵站工程的基坑深度深、范围大、暴露时间长、地质和水文条件复杂，北侧紧邻太浦闸，防汛要求高，具有典型意义。笔者全过程参与了方案的论证及实施，有如下体会；
1、 方案论证特别是边坡与马道设计要慎重，正确的方案是基坑安全的首要前提；
2、 降排水是工程成功的保证，要组织专门的队伍负责降排作。本项目还专门印制了“泵站基坑降排水管理手册”，发至每个相关的工人，使人人都能明了自己的职责与工作要点；
3、 加强监测，进行信息化是重要保障。及时整理数据，建立上报制度，使业主、设计、、各方都能及时掌握动态信息，便于在第一时间对各种可能出现的情况作出正确的反应；
4、 加强现场控制极为重要。再好的方案如没有良好的现场控制作为保证，那将会成为一纸空文。很多基坑事故都是在开挖中由于直立开挖、扰动过大、降排水不及时等原因诱发的。
5、 关注基坑主体的同时应关注周边建筑物，本工程更多关心了太浦闸，而忽略了南侧的民房从而带来了一些后遗症；
笔者建议：
1、 对基坑工程建筑物等级的认定不能等同于一般的临时工程，应适当提高其级别；
2、 在边坡设计中，抗剪指标的选取极为关键，按直接快剪指标过于偏安全，应选择固结快剪指标，但用小值平均值还是算术平均值，应对应于相应的K值要求。建议按不同的规范分别计算，取最不利的计算结果作为控制依据；
3、 在边坡设计中应考虑降水效果，但最终计算结果应留有一定的余量。因为井点有时会因连续较大规模降雨或孔壁堵塞等原因造成部分甚而全部失效。