基坑支护工程的优化设计及应用探讨论文_叶灿华

深圳市长勘勘察设计有限公司 广东.深圳 518003

摘要:基坑工程是地下空间开发的基础,具有很强的复杂性,对基坑工程进行优化设计,一方面可以更好地保证安全性;另一方面也可以节省工程投资具有非常实用的研究价值。本工程结合实际地理位置,制定了合理的施工方案,给类似工程的基坑支护设计与施工提供借鉴。

关键词:基坑支护;优化方案;应用

1. 工程情况简介

拟建工程场地位置件见图 1,基坑占地面积约 22000m2,开挖深度约19m。采用常规明挖顺做法施工,需设置4道大面积钢筋混凝土水平支撑,存在造价高、土方开挖与地下结构施工不便、工期长等缺点。本工程基本情况如下:

(1)拟建工程包括2栋超高层建筑(高度分别为140m,180m),1~4 层商业裙房;

(2)拟建工程地下设4层整体地下室,基坑开挖深度约20 米;

(3)工程为地铁上盖工程,地铁6号线民权门站整体位于本工程地下结构内;

(4)拟采用地下连续墙做止水、挡土结构,地下连续墙厚1.0米、深 47米。

图 1 工程现场平面图

由图 1 看出,本工程基坑开挖深度很大,基坑支护结构体系、土方开挖、地下室结构施工规模大,条件复杂,基坑施工风险高、施工难度大。

2. 常用基坑支护方法

2.1支护型式

工程所在场地地下水位高、土质软弱。根据大量工程经验(经过多方调研和考察),基坑支护方式的选择有如下特点:

(1)采用土钉支护的基坑深度一般不超过5m;

(2)采用悬臂式排桩支护的基坑开挖深度不大于6m;

(3)对深度大于6m的基坑,需采用内撑式或桩锚式支护;

(4)对于不可拆卸的锚杆,不允许超出工程用地红线;且开挖深度大于 10m 的基坑,采用排桩(或地下连续墙)+锚杆的支护方式,由于土质条件软弱,设置在黏性土中的桩锚支护的变形往往较大;

(5)一般而言,基坑开挖深度6m~12m 时,可采用一道~二道内支撑;基坑开挖深度 10m~14m 时,可采用二道~三道内支撑;基坑开挖深度 13m~18m 时,可采用三道~四道内支撑;坑开挖深度 18m~25m 时,可采用四道~五道内支撑。当土质软弱、基坑周边变形控制严格时,内支撑的数量需 在上述基础上适当增加。

因此,本工程的基坑支护方式不可能采用土钉支护或悬臂式排桩支护,而只能排桩(或地下连续墙)+多道内支撑的支护型式。同时,内支撑可采用钢筋混凝土支撑或型钢支撑。

2.2 基坑施工方法

对于本工程,可考虑采用的基坑支护方法有如下几种:

2.2.1 设置四道水平支撑+明挖顺做法(传统做法):

明挖顺做法如图2所示。对于设置4道水平内支撑的情形,其施工工序为:

(1)施工竖向支护结构+止水帷幕

竖向支护结构包括排桩、地下连续墙等。当水平支撑长度较大时,还需对水平支撑设置竖向支托系统。由于地下水位高,还需设置阻断基坑内外地下水联系的止水帷幕,防止基坑内降水时基坑外地下水位下降并由此导致地面沉降,造成环境影响。

图 2 水平内支撑+竖向立柱支托系统

(2)基坑预降水+开挖第一步土方。将基坑内地下水位降低至第一道水平支撑以下,便于开挖第一步土方。

(3)施工第一道水平支撑;

(4)第二步降水+第二步土方开挖;

(5)第四步降水+第四步土方开挖;

(6)施工第四道水平支撑;

(7)第五步降水+第五步土方开挖至基坑底;

(8)施工基础底板;

(9)回填基础底板与围护桩(墙之间的)土体,设置换撑传力带;

(10)拆除第四道水平支撑;

(11)施工地下负四层结构;

(12)施工地下负一层结构;

(13)回填地下负一层与围护桩(墙之间的)土体;

(14)完成地下部分的施工。

2.2.2 周边逆作+中间顺作法

明挖顺作法是由上到下逐渐施工临时性的基坑水平撑,基坑土方开挖到基坑底后,再由下至上施工整体地下室结构。该法的每层临时性支撑也需拆除。对于大面积基坑来说,这部分支撑的造价也颇为可观。对于基坑面积较大、预留反压土宽度又不足时,可比选周边逆作+中间顺作法方案的可能性。 该法的特点是:

(1)分层逆施外围结构至坑底,随逆施分层开挖土方;

(2)外围施工至坑底后顺施中部基坑;

(3)中部基坑内结构分层与外围逆施板连接;

(4)利用外围地下结构梁板体系逆施做内支撑系统,节省支护造价;

(5)由于周边逆施的结构楼板宽度较大,作为水平支撑时,支撑刚度大,基坑变形控制良好;

3. 基坑支护方案优化

3.1常规支护方案及存在问题

目前,深大基坑工程并已成为当前建筑业的一大技术难点。基坑的开挖深度可达到20~30m, 软弱土中基坑一次性开挖面积达5万m2~10万m2甚至更大的大面积深基坑也越来越多。例如,上海虹桥交通枢纽开挖面积达15万m2 以上,海河广场基坑开挖深度17.5m,基坑开挖面积 约10万m2,高银 METROPOLITAN 中央商务区基坑开挖面积近10万m2,大面积基坑开挖深度19m左右,大悦城基坑开挖面积约7万m2,大面积基坑开挖深度15.5m 左右,津港中心基坑开挖面积达6万m2以上。

从可持续发展的角度,当前深大基坑支护工程的设计、施工方法基本还是套用传统的深度不大的中小基坑的方法,即采用地下连续墙或排桩挡土,设置多道水平支撑或锚杆。由于基坑面积巨大,设置水平支撑造价高(每道水平钢筋混凝土支撑的造价可达数百万元,甚至上千万元)、施工周期长、拆除不便、土方开挖与地下工程结构施工不便,而且大量拆除的混凝土等固体废弃物处置与再利用困难,需占用大量的堆弃场地等,浪费了大量的人力、物力和社会资源,不符合可持续发展的政策。

软土地区深大基坑支护工程通常采用大量的地下连续墙(或排桩)和水平支撑或锚杆等临时 结构作为支挡结构。当基坑宽度较小时,可采用型钢作为水平支撑,实现水平支撑的循环利用。但当基坑宽度较大时,常采用钢筋混凝土水平支撑。图 4是某个大面积基坑的钢筋混凝土水平支撑形式,每一道水平支撑的造价可达1000~1500万元。

对于本工程,完全采用上述方案均存在技术、经济方面的一些问题如下:

3.1.1方案 1:明挖顺作方案

对明挖顺作方案,有如下特点:

(1)由于基坑变形大,同时地铁车站基坑距邻近建筑物仅14m,基坑变形需严格控制,因此, 基坑支护体系需要有较大的刚度,故水平支撑若采用图4所示的水平支撑,由上海城建设计院设计的本工程钢筋混凝土水平支撑方案与图4所示的某实际工程类似。

(2)造价:根据本工程基坑面积、开挖深度、变形控制要求,水平支撑需采用钢筋混凝土水平支撑其布置见图11。根据上海城建设计院的方案,明挖方案比盖挖增加了4道混凝土撑,其混凝土方量约 12000m3,社会平均造价约2500 元/m3,支撑总费用约3000 万元

(3)工期:大基坑开挖及结构顺作至0.00 标高时间约14个月,即塔楼出地面的时间需要14个月。

3.1.2 方案 2:周边逆作+环梁支撑+中间顺作法方案

方案平面图如图 5 所示。

与上述方案相比较,本方案特点如下:

(1)在塔楼与地下连续墙之间,由于反压土宽度不够,根据类似工程关于大面积基坑无支撑多级支护的成功经验,在此处的反压土处打设双排桩,形成二级支护,解决反压土宽度不足的问题。外围逆施至地下二层底板后,可开挖坑内塔楼位置土方至坑底;

(2)可把一个塔楼包含在首先开挖到底的基坑范围内,从而可顺施塔楼,同时逆施外围结构。

(3)外围施工至坑底后顺施中部基坑;

(4)中部基坑内结构分层与外围逆施板连接;

(5)利用外围地下结构梁板体系逆施做内支撑系统,不需拆除。不必设置临时水平支撑,节省工期和支护造价;

(6)可有效保证塔楼工期。

3.1.3 类似工程:

旺海国际广场大面积基坑支护设计中的应用情况:在基坑北侧,基坑大面积开挖深度18.0m,局部深坑开挖深度 22.5m。由于塔楼与基坑边的距离不够,反压土放坡后的宽度不能满足基坑稳定和变形控制的要求。为保证塔楼处也能进入中心岛施工范围,提前塔楼的工期,在塔楼与地下室外墙之间设置了双排桩,使北侧基坑最大开挖深度达 22.5m 的条件下,依靠多级支护,实现直接开挖到基坑底,根据调研情况,围护桩顶的水平位移在 30mm~40mm,围护桩距道路仅 3m,现场查看路面没有出现任何开裂,取得了很好的技术经济效果。

4 .结论

仔细分析城市软土地基大面积基坑支护的成功方案后,对拟建工程的基坑支护方案进行了优化,计划采用周边逆作+环梁支撑+中间顺作的方案,此支护方案可节省大面积临时性钢筋混凝土水平支撑的造价与工期,同时,使塔楼可以进入基坑首先开挖到底的范围,可尽快开始塔楼地下室的顺作,提前了塔楼工期,最终实现相对工期短、投入成本小、支护体系可靠的管理目标。

参考文献:

[1]徐爱东.浅淡深基坑工程施工技术[J].科技创新与应用,2012(23)

[2]蒋国盛,李红民,管典志,李汉旭.基坑工程[M].河北:中国地质大学出版社,2000

[3]JGJ94-2008建筑桩基础技术规范[S]

[4]JGJ120-2012建筑基坑支护技术规程[S]

[5]SJG 05-2011建筑基坑支护技术规范[S]

论文作者:叶灿华

论文发表刊物:《基层建设》2015年10期

论文发表时间:2015/10/10

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