三门核电站2#常规岛深基坑支护工程设计

摘要:三门核电站2#常规岛基坑32m深、地下水位高、回填石层及淤泥层较厚、下伏基岩面呈倾斜状,基坑支护问题较为复杂。文章对这些问题进行了分析,并作了相应的设计:防渗帷幕不但阻隔地下水而且能保持高边坡的稳定;采用排桩与深搅桩重力墙的方式解决了较大的侧压问题;采用无粘结、压缩型岩锚技术,提供了强有力的锚固力,确保了深基坑支护的稳定和安全。

关健词:三门核电站;防渗帷幕;深基坑;压缩型岩锚;工程设计

中图分类号:X947文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)23-0161-03

我国沿海地区多为滨海相具较厚淤泥质沉积地层,工程场地具有特殊的地层结构,地下工程位于此处,要面临一系列复杂的岩土工程问题,其中基坑支护问题最为突出。笔者就三门核电站2#常规岛基坑所涉及到的主要支护问题进行了研究分析,并相应提出了解决方法。

一、工程概况

浙江三门核电站是在建的国家重点建设项目。采用世界上最先进的AP1000核电技术,其特点之一是模块化设计,即直接在工厂里按模块进行预制、组装,最后在现场实行总装,这要求工程场地更加紧凑,也给场地基建带来一定的挑战。

(一)场地条件

三门核电站位于半岛区,三面环海,一面靠山,海滩区沉积较厚的淤泥,场地堆石层顶部标高在+11m左右。2#常规岛位于场区中部,基坑南北长129m,东西宽68m ,基坑为坑中坑形式,一级基坑底标高-6.9m,二级基坑底最深开挖处标高为-21m,上下高差达32m。

基坑西侧及北侧基岩出露,平均标高+10m,基岩埋深呈斜坡状,西北高,东南低。东南角探明基岩埋深在-38m,基岩面平均坡度1:4。基坑开挖各点平面高程如图1所示。图中A-E点为外支护桩轴线,长198m;G-J为内支护桩轴线,长138m,东侧防渗帷幕轴线长190m,南侧深搅桩区长83m。

(二)地层概况

2#常规岛区域地层如下:

1.回填石:局部夹杂少量粘性土,层厚13m。

2.淤泥质粘土:呈软～流塑状态,高压缩性土,层厚4～8m。

3.含粘性土中砂:密～中密状态,层厚为0.9～4.4m。

4.粘土:可塑状态,中等压缩,层厚1.2～12m。

5.侏罗系砂岩、玄武岩:强、中风化岩厚1～3m。

(三)基坑支护所面临的问题:

1.回填石层底部含水丰富,透水性大。

2.呈软～流塑状态的淤泥质粘土在回填石层荷载作用下,开挖时易引起失稳、挤出。

3.粘土层摩阻力较低,锚杆锚固力不足。

4.基础处理要求开挖到微风化岩,相应点埋深标高为-21m,基坑开挖深度大。

二、地下水控制方案设计

(一)方案的选择

经对比多套方案,决定采用混凝土桩连续墙作为防渗帷幕,南侧淤泥区采用深搅桩作防渗措施,这样可阻挡

地下水,并对边坡开挖起稳定作用。

(二)防渗帷幕灌注桩的设计

回填石层按1:1坡度开挖,为防止边坡失稳,需计算回填石层开挖深度,采用瑞典圆弧法对边坡进行稳定计算,稳定安全系数Kz≥1.3,地层的力学参数见表1:

经计算,开挖深度取8.5m,即+2.5m 标高为施工作业面。防渗帷幕桩桩径1m, 桩距0.9m,桩顶标高+2m,桩底穿过含粘土中砂层,桩长12m ,可以阻水,也可防止淤泥挤出。帷幕桩桩前开挖3m,抗倾覆是安全的,但桩前不能进行大面积开挖,可进行条状换填,使边坡整体稳定。

三、基坑支护方案的设计与计算

针对淤泥质粘土较大的侧压以及软粘土摩阻力较低的问题,基坑南侧采用排桩+深搅桩重力墙形式的基坑组合支护方式。

(一)排桩+重力墙支护参数及计算

1.上部荷载:支护桩顶设在+2.0m标高,以上9m回填石层以1∶1放坡,取180kPa作为荷载。

2.深搅桩重力墙参数及计算。对支护桩后的淤泥层进行深搅,深搅后即形成重力式挡墙,其作用是减小支护桩的侧压,降低支护桩的弯矩和锚索力要求。深搅桩整体呈单排格栅状,置换率0.62,桩尖深入下伏粘土0.3m。只要深搅桩的宽度与淤泥层的厚度相等,深搅桩重力墙独立作用时,抗倾覆安全系数Kq≥1.6。按淤泥层厚度8m ,布置15排直径0.6m深搅桩,桩间搭接0.1m,设计墙宽7.6m。

3.支护桩计算参数。设计桩径1m,间距1.5m,第一级基坑底标高为-6.9m,支护高度8.9m,设2层斜拉锚索,桩长以桩尖嵌入基岩1m计。淤泥质地层按原参数计算,支护系统锚拉力最大要求为502kN、弯矩值为1066kN・m。在软粘土层中实现这一锚拉力较为困难。考虑重力墙的抗剪与摩擦作用,加固后的地层参数C’、φ’值经换算,取C’=20.6 kPa,φ’=14.9°。

计算结果使锚拉力要求降低至308kN,弯矩值为665kN・m。基坑支护及南侧深搅区剖面如图2所示:

(二)锚索锚固力

2#常规岛区域内淤泥地层的摩阻力仅qsik=18kPa,锚固力要达到300kN以上,需采用高压二次灌浆工艺提高摩阻力,设计锚索长度28m,自由段长7m,二次灌浆后,要求摩阻力qsik提高到30kPa以上。

摩擦型锚索拉力设计值是根据土体与锚固体的粘结强度决定的,二次高压灌浆能提高近一倍的摩阻力。现场进行了二次高压灌浆后的锚索张拉试验,加载到304kN时,锚索变形稳定,其对应的总位移量为29.6mm,弹性变形为9.5mm,证明二次灌浆工艺是可行的。

二级基坑下层采用“无粘结、压缩型锚索”,其结构与摩擦型锚索不同,锚索从头到尾均为带PE外皮钢绞线,即整条锚索无粘结、均为自由段。在钢绞线里端安装内锚头,用钢套锁紧。锚拉力设计值是由岩体抗剪强度与钢绞线强度小者决定的,在岩体抗剪强度满足要求条件下, 锚索拉力值完全由钢绞线决定,单束7φ5规格钢绞线设计值可达到150kN。

(三)二级基坑支护设计取值

2#常规岛二级基坑是在一级基坑内部再开挖一个深槽,支护高度14m。

经计算,支护桩最大弯矩803kN・m,最大锚拉力386kN,下2层采用压缩型岩锚,锚索长度以内锚头进入微风化岩6m为准,锚索由2～3束钢绞线组成,设计轴向拉力值300～450kN。

现场岩锚张拉试验加载到360kN时,其对应的总位移量为118mm,弹性变形为88mm。从土锚与岩锚张拉试验的Q―S曲线上分析:

1.两者的变形比例是近似的,土锚自由段7m,总变形30mm,而岩锚自由段30m,总变形118mm,符合虎克定律,即:

ΔL=FL/AG

式中:A――钢绞线截面,土锚304mm2,岩锚528mm2;

L――自由段长,土锚7m,岩锚30m;

G――钢绞线变模,1.8×105MPa;

F――锚索受力,土锚304kN,岩锚360kN。

2.土锚弹性变形与总变形比为0.32,岩锚弹性变形与总变形比为0.75,说明土锚的拉力已接近疲劳强度,二次灌浆效果已达到极限;而岩锚的拉力还有很大储备,安全系数较高。

四、三维数值仿真计算分析

采用大型有限元软件ANSYS建立三维数值仿真模型,计算涉及非线性、复杂边界、弹塑性等诸多问题,利用FLAC3D对该模型进行三维非线性数值计算,分析了基坑在开挖过程中的位移量值,支护桩的弯矩以及锚索的拉力变化,研究了内坑开挖对外支护体系的影响。

三维建模采用实体单元模拟岩土体,模型共有140362个网格点,195015个实体单元,FLAC3D中基坑支护桩、锚索和顶梁分别采用Pile、Cable 和Beam单元模拟。

模拟基坑开挖完后的外支护桩最大水平位移93mm,弯矩1592kN・m,在CD段。内支护桩最大水平位移145mm,弯矩862kN・m,在HI段。锚索最大值678KN,发生在内支护桩GC段第3层。

对仿真计算结果的分析,认为支护结构是安全可靠的,基坑整体是稳定的。

五、基坑安全监测

本工程现场安全监测内容包括回填层边坡沉降、支护桩测斜管水平位移、锚索应力等项目,在基坑开挖到基底设计标高过程中,通过上述监测,各项指标均在正常范围内,与设计预测值较为接近,如最大水平位移45.18mm,最大锚索拉力261kN,均在可控范围内,表明支护桩结构设计是合理的。

六、结语

三门核电站2#常规岛基坑支护工程是一项大型岩土工程,其所面临的岩土工程问题具有一定的复杂性,对这些问题的研究分析以及基坑支护设计理念,有利于今后类似工程的借鉴。本工程设计有以下要点结论:

1.在较厚的回填石层下开挖淤泥质地层存在着滑坡的危险,采用合理的开挖深度,是安全施工的保证。

2.采用防渗帷幕可起到既阻水又保证高边坡稳定的作用。

3.在深厚淤泥层中设置深搅桩,采用较低的置换率,提高支护系统的抗倾覆能力,抵销部分淤泥层侧压,降低了支护桩所需弯矩及锚索拉力的要求。

4.采用无粘结、压缩型岩锚,可提供强大、可靠的锚固力,这项技术在岩土工程上具有广阔的应用前景。

参考文献

[1]程良奎.岩土加固实用技术[M].北京:地震出版社,1994.

[2]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3]浙江省地球物理技术应用研究所.三门核电站二号常规岛基坑支护工程锚索抗拔试验[R].2009.

[4]浙江省地球物理技术应用研究所.三门核电站循环水泵房基坑支护工程锚索抗拔试验[R].2009.

[5]华东勘测设计研究院.三门核电站二号常规岛基坑支护工程整体稳定性三维数值仿真计算分析[R].2009.

[6]浙江省地球物理技术应用研究所.三门核电站二号常规岛基坑支护工程监测[R].2009.