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。通過工程實(shí)例，從設(shè)計(jì)方案的選擇到施工、監(jiān)測，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，開挖深度10.05 m，土方開挖工作量約21000 m³.

　　2　地質(zhì)條件

　　擬建場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)鍵是要隔斷來自于含泥中細(xì)砂的承壓水（第一含水層）。經(jīng)現(xiàn)場抽水試驗(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)定及周圍建筑物、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裂，影響市區(qū)交通；確保基坑開挖順利進(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，基坑開挖面以下的土體視為直線變形體時(shí)，采用庫侖郎肯公式計(jì)算坑外側(cè)土壓力，然后考慮基坑面積、開挖深度、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)來承受基坑開挖后側(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）。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。

　　（2）根據(jù)先支撐后開挖原則，當(dāng)土方開挖至-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　基坑土方開挖

　　依施工組織設(shè)計(jì)，本基坑工程土方開挖分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　土方開挖的注意事項(xiàng)

　?。?）采用機(jī)械開挖，注意防止挖掘機(jī)鏟斗碰撞損壞工程樁及臨時(shí)支柱。

　?。?）在土方開挖過程中，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，避免大面積開挖或基坑長時(shí)間暴露。

　　5　施工監(jiān)測

　　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)基坑施工全過程進(jìn)行監(jiān)測。

　?。?）根據(jù)埋設(shè)于擋土樁頂封口梁上10個(gè)位移觀測點(diǎn)監(jiān)測，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）開挖基坑底部未出現(xiàn)土體變形與隆起。

　?。?）基坑開挖作業(yè)自1997年12月8日開始至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，周圍建筑物正常使用。

　　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)320萬元，按支護(hù)延長米計(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，為類似深基坑施工提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。