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        上海深厚軟土分布區(qū)超大深基坑工程設(shè)計(jì)與分析

        2020-11-05 05:01:18
        建材世界 2020年5期
        關(guān)鍵詞:坑底支撐體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)

        尤 波

        (華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司, 南京 210001)

        隨著近年來(lái)上海浦東新區(qū)的快速發(fā)展,出現(xiàn)越來(lái)越多的大型商業(yè)辦公綜合體項(xiàng)目,伴隨著大量的地下商場(chǎng)、地下車庫(kù)等商業(yè)性的地下空間開(kāi)發(fā)。由于項(xiàng)目位于浦東新區(qū),項(xiàng)目所在場(chǎng)區(qū)軟土層分布較厚。在深厚軟土分布區(qū)進(jìn)行地下空間開(kāi)發(fā),其設(shè)計(jì)、施工難度大,風(fēng)險(xiǎn)高,基坑圍護(hù)工程造價(jià)高。文章主要介紹了深厚軟土層基坑工程的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)的控制要點(diǎn),可為類似基坑工程提供參考。

        1 工程實(shí)例

        1.1 項(xiàng)目概況

        1)基坑情況

        項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū),基坑總面積約為13 380 m2,總延長(zhǎng)米約為700 m,基坑形狀不規(guī)則?;悠毡殚_(kāi)挖深度為11.65 m,最深貼邊集水坑區(qū)域挖深約為14.35 m。根據(jù)上海市基坑規(guī)范,基坑安全等級(jí)和環(huán)境保護(hù)等級(jí)均為二級(jí)[2]。

        2)環(huán)境情況

        基坑工程?hào)|側(cè)為規(guī)劃景觀湖,基坑實(shí)施期間為荒地,尚未建造。南側(cè)為規(guī)劃啟帆路,基坑施工期間道路未施工,僅為素砼鋪設(shè)的臨時(shí)道路,道路南側(cè)為已建成的商場(chǎng),基坑距離商場(chǎng)較遠(yuǎn),約為50 m?;游鱾?cè)為規(guī)劃流云路,該規(guī)劃路尚未施工,規(guī)劃路寬約24 m,規(guī)劃路西側(cè)為已建商業(yè)辦公樓,基坑距離已建辦公樓約36.5 m?;颖眰?cè)為規(guī)劃秋水路,秋水路尚未施工,寬約24 m。周邊環(huán)境相對(duì)寬松。

        1.2 地質(zhì)水文概況

        擬建場(chǎng)地屬于濱海平原地貌類型。地基土主要由粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉砂等組成,其中軟土層主要為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和④層淤泥質(zhì)粘土,淤泥質(zhì)軟土最大厚度超過(guò)16 m。

        工程地下水分為淺層孔隙潛水和深層承壓水,其中潛水位埋深0.7~1.5 m。承壓水主要為⑦層第I承壓水,由于⑦層承壓水層埋深約30 m,經(jīng)驗(yàn)算,基坑普遍區(qū)域和集水井區(qū)域挖深情況下,抗承壓水穩(wěn)定性均滿足要求,故工程基坑可不考慮承壓水突涌情況。

        場(chǎng)地土層主要物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 土層主要物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

        1.3 基坑特點(diǎn)

        1)基坑規(guī)模:工程基坑面積約為13 381 m2,總延長(zhǎng)米約為696 m。基坑普遍側(cè)挖深11.65 m,貼邊集水坑區(qū)域基坑挖深達(dá)14.35 m,屬于大面積深基坑工程。

        2)地基土:工程場(chǎng)區(qū)土層屬于上海地區(qū)典型③、④層淤泥質(zhì)軟土分布區(qū)。軟土總厚度約15~16 m。從第一道支撐底至普遍區(qū)域坑底以下6.5 m均為淤泥軟土層分布,基坑施工及土方開(kāi)挖難度大。

        3)不良地質(zhì):擬建場(chǎng)地東側(cè)和南側(cè)局部有厚填土分布,厚填土夾植物根莖等雜物,土性較差,厚度在2.8~3.6 m。圍護(hù)樁施工需要對(duì)影響成樁質(zhì)量的厚填土進(jìn)行處理。

        4)施工空間:工程基坑邊線距離四周紅線均為4 m左右,西側(cè)、南側(cè)和北側(cè)紅線位置為場(chǎng)地圍墻,該三側(cè)圍墻內(nèi)部設(shè)置為施工道路,施工空間狹小。西側(cè)和北側(cè)圍墻外為規(guī)劃流云路和規(guī)劃秋水路,施工期間為相鄰地塊已建辦公樓場(chǎng)地的臨時(shí)施工道路、材料堆場(chǎng)和鋼筋加工區(qū)?;?xùn)|側(cè)為紅線,外為場(chǎng)地圍墻,圍墻外為各地塊集中臨設(shè)和項(xiàng)目辦公區(qū)。整個(gè)場(chǎng)區(qū)布置相對(duì)較為緊湊,施工空間較小。

        5)土方工程:工程基坑面積較大,基坑總土方量約15.6萬(wàn)方,且土方大部分為淤泥質(zhì)軟土層,土方開(kāi)挖難度較大。

        1.4 方案設(shè)計(jì)

        1.4.1 方案選型

        工程基坑屬于深大基坑工程。綜合基坑周邊環(huán)境以及基坑自身特點(diǎn),在滿足上海市基坑工程相關(guān)規(guī)范和發(fā)行的相關(guān)條文規(guī)定的基礎(chǔ)上,考慮選擇圍護(hù)樁結(jié)合內(nèi)支撐的板式支護(hù)體系進(jìn)行支護(hù)。

        1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系選型

        圍護(hù)結(jié)構(gòu)可采用SMW工法樁、鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻[3]等。

        SMW工法樁:SMW工法樁工藝成熟,施工難度小,但其剛度相對(duì)灌注樁和地墻較弱,基坑開(kāi)挖后,圍護(hù)樁變形較大,變形較大容易使三軸開(kāi)裂,導(dǎo)致滲漏。且SMW工法樁中的型鋼為租賃,適合工期較短的基坑。綜合以上因素,SMW工法樁對(duì)于本工程基坑不適用。

        地下連續(xù)墻:地下連續(xù)墻剛度大,止水效果在所有圍護(hù)體中最好。施工工藝成熟,墻體的質(zhì)量有保證,占用空間較少。圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和周邊地層的位移和沉降都較小,適合于周邊環(huán)境保護(hù)類型較高、基坑開(kāi)挖深度較深的大型深基坑工程。但地下連續(xù)墻造價(jià)較高,從業(yè)主對(duì)經(jīng)濟(jì)性的要求,地下連續(xù)墻不適用。

        鉆孔灌注樁+攪拌樁止水帷幕:鉆孔灌注樁結(jié)合攪拌樁止水帷幕是傳統(tǒng)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,施工工藝成熟,施工難度小,適用于大部分基坑工程。其樁身剛度和工程造價(jià)均介于SMW工法樁和地下連續(xù)墻之間。從基坑工程安全性、工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性、施工便利性等因素考慮,均適用于本基坑工程。

        止水帷幕可采用雙、三軸水泥土攪拌樁或者五軸水泥土攪拌樁,其中五軸攪拌樁屬于近年來(lái)新興發(fā)展起來(lái)的工法[4],具有高效、環(huán)保綠色的特點(diǎn)。五軸攪拌樁成樁采用“兩噴兩攪”工藝。在同等條件下,通過(guò)與雙軸攪拌樁和三軸攪拌樁工效對(duì)比,五軸攪拌樁每天完成方量是雙軸攪拌樁的7~10倍,是三軸攪拌樁的2~3倍。工效優(yōu)勢(shì)較為明顯。

        2)支撐體系選型

        支撐體系分為鋼筋混凝土支撐體系和鋼支撐體系。其中鋼支撐分為鋼管支撐和型鋼支撐。

        鋼支撐:鋼支撐體系為鋼支撐結(jié)合鋼立柱的形式。當(dāng)基坑面積較小,且形狀比較規(guī)則時(shí),鋼支撐受力和控制變形的能力能夠得到有效發(fā)揮,但鋼支撐桿件的受力和穩(wěn)定性受支撐桿件長(zhǎng)度限制,其中常用的單根Φ609鋼管支撐的極限長(zhǎng)度約60 m,桿件過(guò)長(zhǎng)的鋼支撐體系,其受力和穩(wěn)定性控制均難以保證。

        鋼筋混凝土支撐:鋼筋混凝土支撐體系為鋼筋混凝土支撐結(jié)合立柱的形式,其立柱為灌注樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱的豎向組合結(jié)構(gòu)體。鋼筋混凝土支撐體系不受基坑深度和基坑形狀的限制,支撐剛度大,布置形式靈活,控制變形效果好,適用范圍廣泛。

        根據(jù)上海市建設(shè)主管部門相關(guān)規(guī)定,基坑挖深超過(guò)8 m,必須設(shè)置兩道支撐,且第一道支撐需為混凝土支撐,故本工程基坑支撐體系采用兩道鋼筋混凝土支撐。

        綜上,工程基坑采用鉆孔灌注樁結(jié)合五軸攪拌樁止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系,采用鋼筋混凝土支撐結(jié)合鉆孔樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱作為支撐體系。

        1.4.2 圍護(hù)體系

        圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ900@1 100、Φ1 000@1 200、Φ1 100@1 300灌注樁。止水帷幕采用Φ800@500五軸水泥土攪拌樁,其有效長(zhǎng)度為17.5 m,水泥摻量為13%,水灰比為0.8,28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于0.8 MPa。其中普遍區(qū)域基坑典型剖面見(jiàn)圖1(圖中尺寸單位為mm,高程單位為m)。

        1.4.3 基坑加固

        工程基坑總體呈不規(guī)則多邊形形式,其南北向單邊長(zhǎng)度超過(guò)200 m,且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)均為流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)土,因此,采用被動(dòng)區(qū)加固的方式控制基坑長(zhǎng)邊效應(yīng)的變形是十分必要的。基坑加固分為圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)區(qū)加固和基坑內(nèi)集水井加固兩種。

        基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固可以提高被動(dòng)區(qū)抗力,有效控制基坑開(kāi)挖過(guò)程圍護(hù)樁變形。被動(dòng)區(qū)加固采用φ700@500雙軸水泥土攪拌樁格柵布樁的形式,加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下4 m,水泥摻量為13%,另基坑邊分布有1.7 m和2.7 m集水井區(qū)域,采用φ800@600高壓旋噴樁加固,加固厚度為坑底以上6.8 m和坑底以下6 m,水泥摻量為25%。

        基坑內(nèi)1.4 m集水井不進(jìn)行加固,1.7 m/1.8 m集水井采用700@500雙軸水泥土攪拌樁進(jìn)行加固,加固樁長(zhǎng)4 m,水泥摻量13%,2.8 m集水井采用高壓旋噴樁加固,加固樁長(zhǎng)6 m,水泥摻量25%。

        1.4.4 支撐體系

        工程基坑采用鋼筋混凝土支撐,支撐布置采用角、對(duì)撐結(jié)合邊桁架的形式。工程場(chǎng)地有兩個(gè)出入口,分別在東側(cè)南、北兩端?;又苓呍O(shè)置為貫通的臨時(shí)道路,故工程基坑采用三道東、西向棧橋布置,棧橋連接周邊施工道路,形成貫通的施工環(huán)路交通體系。既滿足基坑土方車回轉(zhuǎn),也能兼顧施工過(guò)程建材堆放的平臺(tái),緩解施工場(chǎng)地緊張的問(wèn)題。

        棧橋?qū)挾仍O(shè)置為12 m,保證兩車道通行?;邮┕て陂g,要求棧橋上運(yùn)載車輛荷載不超過(guò)60 t,堆載不超過(guò)25 kPa,并避免出現(xiàn)兩臺(tái)滿載運(yùn)土車或挖機(jī)等設(shè)備位于同一跨度內(nèi)等不利荷載分布情況,當(dāng)有空載車輛時(shí),空載車輛不得超過(guò)2輛,以保證安全。支撐桿件信息見(jiàn)表2。支撐、棧橋布置圖見(jiàn)圖2(陰影部分為棧橋分布區(qū))。

        表2 支撐信息表 mm×mm

        1.4.5 降水系統(tǒng)

        工程為地下兩層基坑,考慮采用真空管井降水。每口真空管井有效降水面積取200 m2?;涌偯娣e約13 381 m2,理論上布置70口深井,考慮實(shí)際施工過(guò)程中損耗、死井等情況,實(shí)際布置真空管井為80口。管井長(zhǎng)度17 m,管井至坑底以下5.35 m,進(jìn)入到④層淤泥質(zhì)粘土。為保證降水效果,真空降水管井采用多濾頭形式設(shè)置,即第1、2道支撐設(shè)置3 m長(zhǎng)濾頭,第2道支撐至基底設(shè)置2 m長(zhǎng)濾頭,基底以下設(shè)置3 m長(zhǎng)濾頭。

        經(jīng)驗(yàn)算基坑內(nèi)承壓水滿足抗突涌穩(wěn)定性要求,故不考慮布置減壓井,基坑內(nèi)部集水井等深坑區(qū)域考慮采用高壓旋噴樁加固和封底等措施,保證基坑安全。

        1.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

        工程基坑監(jiān)測(cè)包括地表沉降、圍護(hù)墻頂變形、立柱隆沉、水位監(jiān)測(cè)和圍護(hù)樁測(cè)斜等。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,基坑周邊圍護(hù)墻墻頂共設(shè)置37個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其中墻頂沉降量均為30~33 mm,墻頂水平位移量普遍向坑內(nèi)位移了3~11 mm,均控制在報(bào)警值以內(nèi)。

        工程坑外共設(shè)置13個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn),水位變化基本在150~450 mm,均控制在報(bào)警值范圍內(nèi),另有個(gè)別水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了水位下降過(guò)大的情況,水位沉降超過(guò)了報(bào)警值。這是由于該點(diǎn)處止水帷幕出現(xiàn)滲漏,出現(xiàn)滲漏后,業(yè)主召集各參建單位經(jīng)認(rèn)真討論滲漏原因后,及時(shí)采取了引水和封堵措施,使得坑外水位及時(shí)恢復(fù),保證了周邊環(huán)境的安全。

        工程基坑共設(shè)置20個(gè)圍護(hù)樁測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn),基坑開(kāi)挖至基底時(shí),大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁身位移為30~45 mm,最大變形處位于樁身12~13 m處,與理論計(jì)算值基本吻合。圍護(hù)樁變形理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比如圖3所示。

        基坑支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一道支撐和第二道支撐分別布置19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中第一道支撐軸力監(jiān)測(cè)值基本在3 000 kN左右,個(gè)別測(cè)點(diǎn)達(dá)到4 500 kN,均在報(bào)警值范圍內(nèi)。第二道支撐軸力監(jiān)測(cè)值約為4 000~6 000 kN,在報(bào)警值范圍內(nèi),個(gè)別測(cè)點(diǎn)達(dá)到8 000 kN。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),砼支撐表觀并未出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象。

        總體而言,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合?;涌傮w變形控制較好,保證了基坑的安全。

        2 結(jié) 論

        a.基坑位于上海市浦東新區(qū),項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)屬于典型的軟土分布區(qū),其淤泥質(zhì)軟土最大厚度達(dá)17 m,豎向分布在整個(gè)基坑開(kāi)挖范圍內(nèi),基坑工程的設(shè)計(jì)和施工難度較大。

        b.基坑工程在設(shè)計(jì)時(shí),針對(duì)該項(xiàng)目深厚軟土的特點(diǎn),采取了相應(yīng)的措施,如增加真空深井?dāng)?shù)量,并在施工過(guò)程中針對(duì)降水未到位的情況進(jìn)行補(bǔ)井,保證降水疏干效果。另外增加基坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固范圍,即坑底以上6.8 m和坑底以下4~6 m范圍采用水泥土攪拌樁和高壓旋噴樁進(jìn)行加固,改善被動(dòng)區(qū)土性,增加圍護(hù)樁被動(dòng)區(qū)抗力,從而減小基坑開(kāi)挖期間圍護(hù)樁變形。

        c.工程通過(guò)圍護(hù)體系和支撐體系的選型對(duì)比,最終制定合理的支護(hù)方案,加強(qiáng)了基坑施工的過(guò)程控制,保證了基坑的安全,最終達(dá)到了工程開(kāi)發(fā)的預(yù)期效果。

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