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        上海軟土地區(qū)重力壩支護的深基坑施工技術(shù)

        2020-12-01 08:04:46潘世斌
        建筑施工 2020年8期
        關(guān)鍵詞:井點重力壩降水

        潘世斌

        上海建工四建集團有限公司 上海 201103

        上海位于長江入海口,太湖流域東緣,屬于長江沖積平原,為典型的軟土地區(qū)。該區(qū)域土質(zhì)較差,土體承載力低、流變性大,地下水位極高,因此,上海地區(qū)的深基坑設(shè)計和施工難度很大。上海地區(qū)地下1層的建筑,基坑開挖深度一般約為5.5 m,基坑支護多采用懸臂支護形式的水泥土攪拌樁重力壩,重力壩的設(shè)計及施工質(zhì)量、降水形式及降水效果對基坑安全起著關(guān)鍵作用。因此,對于采用重力壩的懸臂支護基坑的施工關(guān)鍵技術(shù)進行研究至關(guān)重要[1-8]。

        本文以上海某地上4層、地下1層、基坑挖深為5.5 m的工程項目為例,進行了基坑施工方案優(yōu)化,并通過有限元軟件Abaqus進行了方案優(yōu)化前后基坑變形的對比分析。

        1 工程概況

        1.1 工程地塊信息

        背景項目位于上海市閔行區(qū)華漕鎮(zhèn)華翔路以西,柴塘北路以北(含柴塘北路),總建筑面積53 110.37 m2,其中地上建筑面積42 396.57 m2,地下建筑面積10 713.80 m2。本項目主要由停車樓、辦公樓、站房等單體組成(圖1)。

        圖1 項目效果圖

        停車樓是集車輛修理、檢測、試車、停車、充電等功能為一體的綜合停車場,地上4層,地下1層,建筑高度23.1 m,基坑區(qū)域面積11 000 m2,基坑開挖深度為5.5 m,基坑支護采用雙軸攪拌樁,為懸臂支護形式,基坑降水采用輕型井點降水。

        1.2 項目水文地質(zhì)概況

        本場地屬濱海平原地貌類型。擬建場地原為華漕鎮(zhèn)楊家巷村民房及苗圃,舊建筑均已拆除,現(xiàn)場地勢較為 平坦。

        根據(jù)勘探揭露的地層資料分析,擬建場地內(nèi)的地基土,主要由黏性土、粉性土及砂土組成,從上至下可劃分為8個主要層次,其中場地缺失上海市統(tǒng)編第④層淤泥質(zhì)黏土。整個基坑開挖面深度均分布較厚的③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,含水量高、滲透性能好,呈流塑狀態(tài),屬高壓縮性,工程性能差。

        本工程地下水穩(wěn)定水位埋深一般在0.35~0.60 m之間,相應(yīng)標高在3.02~3.15 m之間,平均值為3.25 m。承壓水埋深一般在3~12 m,低于潛水位,并呈年周期性變化。

        1.3 項目周邊環(huán)境情況

        擬建場地北側(cè)為綠化地及河浜,河浜距基坑僅11 m,西北角有1幢1層民房,與基坑相距約26 m。南側(cè)為楊家巷村進出重要通道的雅樂路,地下管線眾多,環(huán)境條件較為復(fù)雜,最近與基坑相距14 m;西側(cè)為綠化土,空闊。東側(cè)建筑邊線與華翔路相距約65 m。東南側(cè)與華漕鎮(zhèn)楊家巷村老年活動中心建筑相距最近28 m。因此,基坑施工對南側(cè)雅樂路影響的控制至關(guān)重要。

        2 工程重、難點

        2.1 施工場地有限、交通組織困難

        本工程地下室1層,整個地下室區(qū)域上部均為結(jié)構(gòu),基坑施工階段,南側(cè)距原柴唐北路較近,最近處僅1.4 m,現(xiàn)場施工道路無法環(huán)通,場地布置困難。根據(jù)基坑階段施工計劃,攪拌樁施工及土方施工與南側(cè)柴唐北路改道施工同時進行,導致基坑南側(cè)圍護施工無材料堆場及運輸?shù)缆贰?/p>

        2.2 基坑開挖面積大

        基坑面積約11 000 m2,由于基坑施工階段施工道路無法環(huán)通,基坑施工須由西向東依次施工,西南側(cè)局部無法采用跳倉法開挖,根據(jù)現(xiàn)場實際情況,整個基坑只能分4塊依次進行施工,因此單次開挖面積較大。為減少基底暴露時間,保證基坑安全,在人力、物力投入較大的情況下,須合理安排人工及材料供應(yīng)。

        2.3 基坑北側(cè)鄰近河浜

        項目基坑北側(cè)鄰近河浜,最近處離基坑僅11 m,河浜水位對基坑地下水位影響較大,對北側(cè)重力壩止水效果要求較高,圍護施工時基坑北側(cè)重力壩為施工重點,以確保降水效果及基坑北側(cè)止水帷幕不漏水。

        3 施工關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 基坑圍護二次深化加固

        基坑圍護設(shè)計采用雙軸攪拌樁重力壩形式?;又饕獮椴捎忙?700 mm @500 mm雙軸水泥土攪拌樁,水泥摻量13%,有效樁長13~15 m,基坑內(nèi)側(cè)一排內(nèi)插φ48 mm×3.0 mm鋼管,間距1 000 mm,長7.0 m;外側(cè)內(nèi)插φ48 mm×3.0 mm鋼管,間距1 000 mm,長7.0 m;面層采用厚200 mm的C20混凝土壓頂,壩頂插筋φ12 mm@1 000 mm,插入混凝土壓頂板100 mm,壓頂板內(nèi)配φ8 mm@200 mm雙向鋼筋,壩壓頂寬度為4.7 m,具體做法如圖2所示。

        對基坑局部貼邊深坑區(qū)域,內(nèi)插鋼管改為內(nèi)插28b#槽鋼,槽鋼長12 m。具體做法如圖3所示。

        圖2 重力壩剖面做法

        圖3 貼邊深坑區(qū)域重力壩剖面做法

        基坑東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)為計劃主要施工道路,特別是南側(cè)離楊家巷村委會主要進出道路雅樂路較近,為保證后期施工過程中整個基坑安全及減小對南側(cè)雅樂路的影響,對原圍護設(shè)計進行深化加固,加固區(qū)域如圖4所示。該加固區(qū)域內(nèi)插鋼管改為內(nèi)插22b#槽鋼,長12 m,間距2 000 mm。對基坑這些薄弱區(qū)域通過槽鋼及混凝土壓頂形成門式剛架結(jié)構(gòu),有效增加壩體強度。同時在整個基坑內(nèi)側(cè)重力壩頂部增加600 mm×400 mm冠梁,使整個重力壩形成有效整體。具體加固措施如圖5 所示。

        圖4 加固區(qū)域示意

        圖5 加固剖面示意

        3.2 降水方案優(yōu)化

        本工程基坑降水采用輕型井點降水,以抽取基坑內(nèi)土中的滯水,使基坑內(nèi)土體疏干,從而保證基坑安全、順利施工。降水方案需經(jīng)過圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計單位認可后,方可施工。雙軸攪拌樁重力壩圍護結(jié)構(gòu),在降水過程中能有效隔斷重力壩深度范圍內(nèi)基坑外地下水對基坑范圍的補給,因此降水過程不考慮周邊地下水的側(cè)向補給。但為防止基坑北側(cè)河浜水頭壓力過大,在基坑北側(cè)臨時施工道路上增加3口深井,以有效避免河浜水位對基坑內(nèi)水位的影響。

        根據(jù)設(shè)計圖紙,輕型井點共布置23套,沿基坑周邊布置9套,中間布置14套,輕型井點布置如圖6所示。圖紙中輕型井點的平面布置未合理避開坑底加固區(qū)域,該區(qū)域井點管無法施工,達不到降水效果,且設(shè)計井點管長度為7 m,屬非常規(guī)鋼管長度,施工費用較高。為確保基坑安全及施工經(jīng)濟性,綜合考慮對降水方案進行優(yōu)化,對井點位置重新布置,對井點管長度進行優(yōu)化。降水井點布置原則為每套輕型井點影響范圍為15 m左右,合理避開坑底加固區(qū)域,優(yōu)化后的平面布置如圖7所示。為降低鋼管材料費用,且能夠保證降水效果,對降水方案進行優(yōu)化:先挖去整個基坑范圍內(nèi)0.8 m的表層土,再進行降水作業(yè);同時井點管施工時,開槽采用二級放坡開挖,深度增加200 mm,這樣鋼管選用常規(guī)的6 m長度時,就能保證水位降至開挖面下0.5~1.0 m。

        圖6 設(shè)計井點平面布置

        圖7 方案優(yōu)化后井點平面布置

        3.3 土方開挖方案優(yōu)化

        本工程基坑開挖深度為5.5 m,開挖面積11 000 m2?;娱_挖前保證地下水位降至開挖面以下0.5~1.0 m。本次開挖根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件,充分考慮基坑工程的“時空效應(yīng)”,采用分區(qū)、分層、明挖法,加快底板施工速度,減少坑底暴露時間。

        為優(yōu)化降水效果及降低材料費用,本次土方開挖共分為2層。第1層土方為大開挖,從場地自然標高面往下挖深0.8 m。第1層土方開挖完成后進行降水施工,水位必須降至第2層土方開挖完成面以下0.5~1.0 m之后,才能進行開挖。根據(jù)現(xiàn)場出土路線及停車樓后澆帶位置,第2層土方開挖分為4個施工區(qū),如圖8所示。按照1→2→3→4區(qū)依次由西向東開挖,每個區(qū)一次性開挖至坑底標高,相鄰2個施工區(qū)邊坡采用二級放坡,坡度1∶1。

        4 基坑變形控制效果分析

        4.1 數(shù)值模擬對比分析

        上海等沿海軟土地區(qū),土質(zhì)較差,工程性能差,基坑變形的控制是基坑安全的前提保證。在項目未施工前,采用Abaqus有限元軟件分別對方案優(yōu)化前和優(yōu)化后進行了基坑變形模擬,通過2種方案基坑變形的對比分析,更能直觀地反映出基坑方案優(yōu)化對基坑變形的影響。

        本次模擬采用二維模型,根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗,基坑開挖在水平方向上影響范圍為3~5倍基坑開挖深度,豎向上影響范圍為約3倍開挖深度(圖9、圖10)。本次模擬選取基坑南側(cè)方案優(yōu)化區(qū)域的經(jīng)典截面,由于基坑具有對稱性,因此選取1/2模型,模型尺寸為70 m×30 m。土體選用勻質(zhì)彈塑性應(yīng)變單元,選用摩爾-庫侖模型,槽鋼選用線彈性梁單元。

        圖8 土方分區(qū)示意

        圖9 方案優(yōu)化前基坑變形云圖

        圖10 方案優(yōu)化后基坑變形云圖

        由圖9、圖10可知:在水平方向上,距基坑越遠,土體變形量越小,距基坑24 m以后,土體基本無變形,影響范圍為約5倍開挖深度;深度方向上,隨著深度增加,土體變形量也越小,距基坑開挖面約20 m,土體基坑無變形,因此在深度方向基坑開挖影響范圍為約4倍開挖深度。方案優(yōu)化前基坑最大變形為90.07 mm,發(fā)生在基坑頂部,而方案優(yōu)化后,對重力壩進行了二次加固,基坑壁的變形明顯減小,最大變形為坑底土體回彈,約86.45 mm,而基坑頂最大變形為70.70 mm。

        基坑的安全與否主要是由基坑變形決定的。在懸臂支護類型的深基坑中,基坑坑壁的土體變形尤為重要,是反映基坑安全最重要的指標。因此,本次模擬以基坑坑壁土體變形為主要分析參數(shù)。變形監(jiān)控路徑如圖11所示。

        在基坑壁深度方向上,對15 m范圍內(nèi)土體位移進行監(jiān)測,方案優(yōu)化前后變形曲線如圖12所示,方案優(yōu)化前圍護頂部最大變形90.07 mm,方案優(yōu)化后圍護頂部最大變形70.70 mm,變形量減小19.37 mm,減小約21.51%,方案的優(yōu)化對圍護的變形有很好的控制作用,在深度約8 m,方案優(yōu)化前后土體變形基本相差不大,因此,此次方案的優(yōu)化影響深度為1.6倍開挖深度左右。綜上所述,通過本次方案優(yōu)化,能有效減小基坑變形,對基坑的安全控制十分 有利。

        圖11 變形監(jiān)控線路示意

        圖12 變形曲線

        4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

        在基坑施工過程中,對圍護結(jié)構(gòu)的變形進行實時監(jiān)測,時刻關(guān)注基坑變化?;邮┕ね瓿珊?,重力壩頂最大水平位移為2區(qū)南側(cè)距基坑邊約2/3位置的Q14點,達39.30 mm,測斜最大位移也為該位置CX5點,達63.35 mm,南側(cè)雅樂路最大沉降量為26.33 mm。綜上所述,整個基坑施工過程中基坑變形穩(wěn)定,無突發(fā)性變形,基坑外道路變形較小,周邊建筑物沉降量較小,重力壩無漏水現(xiàn)象發(fā)生。通過對基坑關(guān)鍵施工技術(shù)的控制以及施工方案的優(yōu)化,很好地控制了基坑變形,保證了基坑安全。

        5 結(jié)語

        本項目位于上海市閔行區(qū),北鄰河浜,南側(cè)道路車流量大,東側(cè)距華翔路和嘉閔高架路等主要市政道路較近,基坑環(huán)境較為復(fù)雜,對基坑變形控制要求高,必須保證基坑安全。

        為保證基坑安全,在前期圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化上進行了一定的加強,并得到了業(yè)主和設(shè)計的認可。在施工過程中嚴格控制重力壩的質(zhì)量,為后期保證基坑安全打下了基礎(chǔ)。對降水方案進行合理優(yōu)化,避免無法施工區(qū)域,在保證降水效果的前提下節(jié)約了材料費用。對土方開挖方案進行合理優(yōu)化,并加快大底板施工進度。通過以上措施,有效確保了基坑施工的安全,減小了基坑施工對周邊環(huán)境的影響,為上海等軟土地區(qū)地下1層、重力壩支護的基坑施工提供了一定的參考。

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