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超高層建筑深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工
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摘要:深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工是當(dāng)前城市高層、超高層建筑突顯的技術(shù)難題。通過(guò)工程實(shí)例,從設(shè)計(jì)方案的選擇到施工、監(jiān)測(cè),提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。
1 工程概況
福州平安大廈系一座31層商住樓,高度115 m,占地面積4614 ㎡,總建筑面積37355 ㎡.設(shè)地下室3層,基坑平面尺寸56.6 m×36.5 m,自然地面標(biāo)高-1.65 m,坑底標(biāo)高-11.70 m,開(kāi)挖深度10.05 m,土方開(kāi)挖工作量約21000 m3.
2 地質(zhì)條件
擬建場(chǎng)地處于福州盆地中部,上部覆蓋層為海陸相沖積形成的砂性土,基底為燕山期中粗?;◢弾r。
在基坑支護(hù)樁埋深范圍內(nèi),自上而下垂直分布地層為:雜填土,灰黑色,松散,夾碎石塊,厚度1.5~3.6 m;粘土,黃綠色,可塑,厚度2~3 m,容重γ=18.30 kN/m3,內(nèi)聚力C=50.66 kPa,內(nèi)摩擦角φ=14.19°;淤泥,深灰色,流塑(天然含水量55.8%~74.2%),厚度5.7~10.1 m,γ=18.10 kN/m3,C=7.92 kPa,φ=4.95°;粉質(zhì)粘土,褐黃色,可塑,厚度1.4~5.7 m,γ=17.50 kN/m3,C=19.90 kPa,φ=9.51°;含泥中細(xì)砂,灰白色,中密,粒徑0.10~0.25 mm,含泥量15%~20%,厚度2.7~10.4 m.
水文地質(zhì)情況:地下水位在自然地面下0.6~1.7 m,場(chǎng)地內(nèi)除淤泥、粘土層頂上貯有上層滯水外,還有埋藏于粘土層下中細(xì)砂至碎卵石的多層承壓水。對(duì)本工程而言,關(guān)鍵是要隔斷來(lái)自于含泥中細(xì)砂的承壓水(第一含水層)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn),此含水層滲透系數(shù)k=1.62 m/d;單孔涌水量q=11.48 m3/d;影響半徑R=96.5m.
3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)一般由垂直擋土結(jié)構(gòu)和水平支撐結(jié)構(gòu)組成,設(shè)計(jì)方案必須滿足以下2方面要求:保證邊坡穩(wěn)定及周?chē)ㄖ?、地下管線設(shè)施安全,不得引起擬建物正面五一路主干道開(kāi)裂,影響市區(qū)交通;確?;娱_(kāi)挖順利進(jìn)行,并提供足夠的地下室施工作業(yè)空間。
根據(jù)上述要求,業(yè)主邀請(qǐng)了有關(guān)專(zhuān)家多次研討,經(jīng)可行性論證、方案比較,最后確定方案如下。
3.1 以鉆孔灌注樁作為基坑的擋土結(jié)構(gòu),高壓旋噴樁形成止水帷幕(如圖1所示)
圖1 深基坑支護(hù)樁平面布置圖
首先依據(jù)開(kāi)挖各土層的的γ、C.φ值,當(dāng)把擋土樁視為彈性地基上的豎直構(gòu)件,基坑開(kāi)挖面以下的土體視為直線變形體時(shí),采用庫(kù)侖郎肯公式計(jì)算坑外側(cè)土壓力,然后考慮基坑面積、開(kāi)挖深度、施工條件等綜合因素確定。本工程鉆孔擋土樁直徑800 mm,樁長(zhǎng)23 m,樁端落在含泥中細(xì)砂層上,沿封口環(huán)梁中軸線布置,混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25,配筋率0.8%,數(shù)量177根。
止水帷幕旋噴樁沿2根鉆孔擋土樁外切圓密布,計(jì)算樁徑500 mm,樁長(zhǎng)15 m(阻隔上層滯水及第一含水層),水泥置換率18%~22%,數(shù)量179根。
3.2 水平支撐結(jié)構(gòu)由2層橢圓環(huán)形鋼筋混凝土梁和14根格構(gòu)式鋼架豎向支柱組成(如圖2所示)
圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖
第一道水平支撐梁面標(biāo)高-3.35 m,斷面尺寸1000 mm×800 mm;第二道水平支撐梁面標(biāo)高-7.75 m,斷面尺寸1200 mm×800 mm.
設(shè)計(jì)采用雙層橢圓環(huán)梁及其臨時(shí)鋼架立柱與鉆孔擋土樁及其樁頂封口梁共同作用形成一個(gè)空間結(jié)構(gòu)來(lái)承受基坑開(kāi)挖后側(cè)向土壓力、水壓力和附加壓力。兩相交的雙橢圓梁水平支撐見(jiàn)圖3,在基坑四周共形成了6個(gè)拱圈。眾所周知,拱圈結(jié)構(gòu)承受水平推力后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小,并使水平支撐構(gòu)件完全處于受壓應(yīng)力狀態(tài),有利于抵抗基坑外側(cè)壓力。相交雙橢圓水平支撐結(jié)構(gòu)除了受力狀態(tài)最佳外,還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn),就是基坑左右兩半形成無(wú)任何障礙物的寬闊空間,極有利于機(jī)械挖土及構(gòu)筑地下室時(shí)裝模、布筋、澆注混凝土作業(yè)。
圖3 第一道平面支撐結(jié)構(gòu)圖
經(jīng)計(jì)算水平支撐橢圓環(huán)梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25,其配筋計(jì)算可采用PK程序、TBSA程序計(jì)算疊加,配筋率0.7%,箍筋按構(gòu)造要求設(shè)置。
4 支護(hù)結(jié)構(gòu)施工與土方開(kāi)挖
4.1 鉆孔擋土樁施工
鉆孔灌注樁作為擋土樁使用,施工時(shí)需注意:(1)樁孔施工順序應(yīng)按同一軸線5孔為一小組,3小組為一大組,跳隔循環(huán)施工,以避免已灌注的樁身混凝土受到破壞。(2)樁孔垂直度要求要比工程樁更嚴(yán),一般≤0.5%L(L為樁長(zhǎng))。否則,同一編組最后一根樁難以施工到位,影響質(zhì)量。(3)鋼筋籠投放埋設(shè)要準(zhǔn)確,受拉、受壓區(qū)密布弧段欲放置于基坑內(nèi)外側(cè)方向,這樣才能發(fā)揮鋼筋在混凝土構(gòu)件中作用。
4.2 旋噴止水帷幕樁施工
按設(shè)計(jì)要求,本工程旋噴止水帷幕樁選用單層管法施工,噴漿壓力12~18 MPa,噴管提升速度15~20 cm/min,漿液水灰比1,水泥置換率≮15%.
4.3 封口梁、上下橢圓水平支撐環(huán)梁施工
?。?)擋土樁頂封口梁及第一層(上層)橢圓水平支撐環(huán)梁先行施工。工藝流程是:定位放線→模板工程→鋼筋工程→混凝土工程。對(duì)拱圈與封口梁、角撐、立柱等交匯節(jié)點(diǎn)處,均應(yīng)采取加強(qiáng)措施,確保安全。
?。?)根據(jù)先支撐后開(kāi)挖原則,當(dāng)土方開(kāi)挖至-7.75 m標(biāo)高時(shí),停止挖土作業(yè),按第一道水平支撐環(huán)梁施工方法施工第二道(下層)橢圓水平支撐環(huán)梁。
4.4 基坑土方開(kāi)挖
依施工組織設(shè)計(jì),本基坑工程土方開(kāi)挖分3個(gè)階段進(jìn)行。第一階段,從自然地面標(biāo)高-1.65 m挖至-3.35 m,挖深1.70 m(該標(biāo)高以上土體用M10水泥砂漿砌筑240 mm厚磚墻擋土),然后鑿去擋土樁頂疏松混凝土,施工樁頂封口梁及第一道橢圓水平支撐環(huán)梁。第二階段,待第一道水平支撐環(huán)梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后,繼續(xù)開(kāi)挖至-7.75 m,挖深4.40 m,施工第二道水平支撐環(huán)梁。第三階段,待第二道水平支撐環(huán)梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值后,繼續(xù)挖土至-11.70 m,挖深3.95m.最后一次開(kāi)挖局部深度到達(dá)基底標(biāo)高后,要隨挖隨即澆搗300 mm厚C15毛石混凝土墊層,并使封底混凝土緊抵擋土樁。
4.5 土方開(kāi)挖的注意事項(xiàng)
?。?)采用機(jī)械開(kāi)挖,注意防止挖掘機(jī)鏟斗碰撞損壞工程樁及臨時(shí)支柱。
?。?)在土方開(kāi)挖過(guò)程中,自始至終要做好排水、疏水、截水、降水工作。
(3)每日挖出的棄土,應(yīng)當(dāng)班運(yùn)走,嚴(yán)禁基坑四周堆土過(guò)量(堆土高度≯1 m),否則會(huì)增加擋土樁的附加荷載。
(4)-10.70 m以下部分土體要采用人工挖掘及修整。承臺(tái)施工應(yīng)逐個(gè)進(jìn)行,土方挖好后即刻澆搗鋼筋混凝土,避免大面積開(kāi)挖或基坑長(zhǎng)時(shí)間暴露。
5 施工監(jiān)測(cè)
由于影響基坑工程安全的不確定因素甚多,故需采取信息化施工,對(duì)基坑施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
?。?)根據(jù)埋設(shè)于擋土樁頂封口梁上10個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè),擋土樁向基坑內(nèi)側(cè)方向最大水平位移S=34 mm≤40 mm,滿足一級(jí)安全等級(jí)的支護(hù)要求。
(2)經(jīng)橢圓環(huán)梁預(yù)埋鋼筋應(yīng)力計(jì)測(cè)定,拱圈水平支撐構(gòu)件均處于受壓狀態(tài),壓應(yīng)力不大。
(3)開(kāi)挖基坑底部未出現(xiàn)土體變形與隆起。
?。?)基坑開(kāi)挖作業(yè)自1997年12月8日開(kāi)始至1998年3月29日結(jié)束,累計(jì)112天(含春節(jié)放假15天),正面五一路市區(qū)交通干道及地下管線未發(fā)現(xiàn)異常情況,周?chē)ㄖ镎J褂谩?/p>
6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果
?。?)該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)工程總造價(jià)320萬(wàn)元,按支護(hù)延長(zhǎng)米計(jì)算17390元/m,按支護(hù)面積計(jì)1549元/㎡,按支護(hù)空間體積計(jì)153元/m3,比預(yù)算造價(jià)節(jié)約18.5%,效益可觀。
?。?)本工程采用鉆孔擋土樁、高壓旋噴止水帷幕、雙層橢圓環(huán)梁水平支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系,技術(shù)先進(jìn),安全適用,經(jīng)濟(jì)合理。
?。?)水平支撐拱圈結(jié)構(gòu)受力佳,空間大,極利于多層地下室施工,為類(lèi)似深基坑施工提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。
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