廣州地鐵上蓋RJ-1基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工

近年來,隨著建筑高度的不斷增加,根據(jù)構(gòu)造和使用要求,基礎(chǔ)埋深也隨之加大,深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高。本文介紹的基坑工程,埋深較大,周邊環(huán)境復(fù)雜,位移限制嚴(yán)格,由于設(shè)計(jì)上作了充分的考慮,采用了合理的計(jì)算模型和構(gòu)造措施,取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果,對在人口稠密的市區(qū)進(jìn)行基坑開挖有較好的參考價值。
1 　工程概況
廣州地鐵上蓋RJ21 地處繁華鬧市區(qū),地上為24 層商業(yè)建筑,樓高80 m ,地下三層地下室,抗震設(shè)防烈度為7 度,采用框架2抗震墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)采用人工挖孔灌注樁。
基坑開挖范圍為105 m ×80 m ,平面L 形,基坑開挖深度為1411 m。場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜(圖1) ,東側(cè)臨近22 層捷泰廣場,西邊為交通繁忙的人民北路,北面距離基坑邊4～8 m分布著5 棟多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋以及1 棟2 層混合結(jié)構(gòu)舊房,南面緊靠地鐵一號線站臺,兩者最近處相距不到1 m。基坑施工時必須確保地鐵運(yùn)營的安全。
2 　場地地質(zhì)情況
根據(jù)地質(zhì)勘察報告,該場地巖土層自上而下大致可分為三層:
a) 人工雜填土( Qml ) :厚度自214～510 m ,平均3179 m;
b) 殘積層( Qel ) :頂面埋深自214～510 m ,厚度310 m～1315 m ,平均8143 m ,土性以粉土為主,局部為粉質(zhì)粘土;
c) 基巖( K2 ) :屬白堊系上統(tǒng)三水組,巖性以細(xì)(粉) 砂巖為主,局部夾含礫粗砂巖,其中強(qiáng)風(fēng)化巖面埋深自6100～16150 m ,中風(fēng)化巖面埋深自17120～26150 m ,微風(fēng)化巖面埋深自19110～34100 m。
場地內(nèi)地下水主要賦存于人工填土的下部,其余為相對的隔水層或微弱含水層,其水力特征為孔隙上層滯水,主要受生活污水和大氣降水補(bǔ)給。另外,根據(jù)現(xiàn)場施工情況,基巖存在裂隙水。勘測期間實(shí)測地下水埋深210～316 m。
3 　基坑支護(hù)方案
本工程基坑南面緊靠地鐵一號線,基坑施工期間地鐵已投入運(yùn)營,為確保安全,要求支護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移不得超過20 mm。根據(jù)基坑面積大,形狀不規(guī)則,開挖深度深,周邊環(huán)境復(fù)雜,位移要求嚴(yán)格的特點(diǎn),經(jīng)多個結(jié)構(gòu)方案比較,選用鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方案(見圖1) 。
由于地下室南邊與地鐵車站主體結(jié)構(gòu)相鄰較近,故自風(fēng)亭位置到地下室南面做人工挖孔式地下連續(xù)墻,墻厚110 m。此墻除作為基坑的擋土結(jié)構(gòu)外,還作為邊柱的基礎(chǔ)和地下室的側(cè)壁,樁長22 m。其余部分的擋土樁為密排的人工挖孔圓樁,樁徑112 m ,樁長20 m。
支護(hù)結(jié)構(gòu)采用一道鋼筋混凝土支撐, 支撐中線標(biāo)高310 m ,支撐間間距12～15 m ,以滿足大型挖土機(jī)械的工作面要求。為減小支撐的計(jì)算跨度,在適當(dāng)位置設(shè)置立柱。

1 —人工挖孔式地下連續(xù)墻;
2 —連系梁;
3 —立柱;
4 —對撐;
5 —圓弧形拱;
6 —鋼筋混凝土板;
7 —地鐵風(fēng)亭;
8 —<1200 圓形排樁;
9 — 腰梁(1200 ×1000) ;
10 —八層鋼筋混凝土框架;
11 —<500 深層攪拌樁止水帷幕;
12 —二層混合結(jié)構(gòu)房屋;
13 —七層鋼筋混凝土框架;
14 —九層鋼筋混凝土框架;
15 —捷泰廣場;
16 —地鐵一號線柱樁徑112 m ,嵌入基坑底215 m。
立柱間設(shè)置連系梁以加強(qiáng)支撐體系的聯(lián)系,同時對支撐的側(cè)向穩(wěn)定提供約束。在靠近地鐵風(fēng)亭位置,結(jié)合基坑的幾何形狀,設(shè)置圓弧形鋼筋混凝土拱支撐,充分利用混凝土良好的受壓性能,并能提供開闊的施工平面。為平衡拱支座水平推力,在拱腳位置設(shè)置對撐。
為加強(qiáng)支撐體系的整體性,在支撐高度位置設(shè)置腰梁, 截面1200 mm×1000 mm。人工挖孔圓樁外止水幃幕采用<500 深層攪拌樁。根據(jù)地質(zhì)勘察報告,場地內(nèi)地下水主要賦存于人工填土的下部,其下的殘積層為相對的隔水層,故止水幃幕不須伸至基坑底,進(jìn)入殘積層2 m就可滿足要求,平均樁長7 m ,樁距350 mm。
4 　設(shè)計(jì)計(jì)算
考慮施工現(xiàn)場堆放材料的要求,取基坑邊地面堆載為20 kPa。
根據(jù)地質(zhì)勘察報告以及工程經(jīng)驗(yàn), 取各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。由于開挖范圍內(nèi)大部分為殘積粉土,計(jì)算水平土壓力時采用水土合算。計(jì)算簡圖見圖2。

土層雜填土粉土強(qiáng)風(fēng)化巖層底標(biāo)高(m) - 4 - 14 - 34 層厚(m) 4 10 20 重度(kNPm3) 18 20 2011 φ(°) 10 20 32 c (kPa) 0 2516 415 m(kNPm4) 2 10 100
考慮基坑開挖期間的各個工況(圖3) ,分別計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。計(jì)算采用彈性支點(diǎn)法,將地基作為彈性基床,將支撐作為彈性支承,并考慮支撐點(diǎn)和支護(hù)樁位移對樁身內(nèi)力的影響。支護(hù)樁在工況1、3、7 下的內(nèi)力和位移見圖4。整體穩(wěn)定安全系數(shù)用圓弧滑動簡單條分法計(jì)算為1163 ,抗傾覆驗(yàn)算安全系數(shù)為3123 ,滿足規(guī)范要求。在坑側(cè)土層情況有顯著不同處重新調(diào)整土層參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得支護(hù)樁最大水平位移18 mm。經(jīng)計(jì)算混凝土對撐最大軸力Nmax = 6 496 kN ,腰梁最大彎矩Mmax = 2 122 kN·m ,圓弧形拱設(shè)計(jì)內(nèi)力為: N = 7 222 kN , M = 4 993 kN·m ,V = 1 311 kN。
a —水平位移(mm)Max :1311 ;b —彎矩(kN·m)Max : - 126114 ; c —剪力(kN)Max : - 62314
5 　施工與監(jiān)測
根據(jù)本工程基坑的特點(diǎn),按以下步驟進(jìn)行施工;
a) 施工基坑邊止水帷幕,采用<500 深層攪拌樁,用425 號普通硅酸鹽水泥作固化劑,采用二攪二噴方式施工,水泥摻入比15 % ,水灰比0155。
b) 第一次開挖至標(biāo)高- 315 m ,即支撐底面(圖3 工況1) 。
c) 施工鋼筋混凝土支撐(圖3 工況2) 。
d) 第二次開挖至標(biāo)高- 1411 m ,即基坑底面(圖3 工況3) 。
e) 施工地下室底板,并設(shè)置支頂與支護(hù)樁連接(圖3 工況4) 。
f) 施工地下二層樓板,并設(shè)置支頂與支護(hù)樁連接(圖3 工況5) 。
g) 施工地下一層樓板,并設(shè)置支頂與支護(hù)連接(圖3 工況6) 。
h) 拆除鋼筋混凝土支撐(圖3 工況7) ,施工地下一層及首層樓板,最后進(jìn)行基坑填。地下室樓板與支護(hù)樁之間的支頂每層設(shè)置一道,每道支頂隔一根樁設(shè)置一根,沿高度方向作梅花形布置。由于支護(hù)樁在標(biāo)高- 310 m處已設(shè)腰梁聯(lián)結(jié),在地下室樓板與支護(hù)樁連接處無需再設(shè)置圍檁,從現(xiàn)場檢測結(jié)果看來,換撐后支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性保持良好。
施工過程中基坑壁滲水量很少,說明止水帷幕的設(shè)計(jì)是成功的,為主體地下工程施工提供了良好的施工條件。本工程采用信息化施工,施工期間進(jìn)行嚴(yán)格的位移監(jiān)測,支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移19 mm ,滿足地鐵要求,與計(jì)算值基本吻合。基坑北面的二層混合結(jié)構(gòu)舊房在工程樁施工爆破過程中曾發(fā)現(xiàn)少量裂縫,經(jīng)監(jiān)測在基坑開挖過程中裂縫保持穩(wěn)定,沒有發(fā)展,說明本基坑工程在位移控制方面取得了良好的效果。
本工程充分利用基底土層條件較好的特點(diǎn),支護(hù)結(jié)構(gòu)采用了較小的嵌固深度,僅用一道混凝土支撐,滿足了嚴(yán)格的位移限值要求,施工造價較低,同時通過合理的支撐布置,滿足了施工期間大型挖土機(jī)械的工作空間要求,大大加快了施工進(jìn)度,取得了明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
6 　結(jié)論和建議
通過本工程的設(shè)計(jì)施工與實(shí)踐, 有如下幾點(diǎn)結(jié)論和建議:
a) 對于基坑平面尺寸較大,開挖深度較深,而離坑邊較近有建(構(gòu)) 筑物或地下管線需要保護(hù)時,采用鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)體系是一種安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理的深基坑支護(hù)方案;
b) 選取合理的計(jì)算模型和適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù),是準(zhǔn)確計(jì)算支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的關(guān)鍵;
c) 應(yīng)根據(jù)基坑幾何形狀,結(jié)合施工條件,靈活選擇支撐形式(如直撐、角撐、圓弧形拱等) ,以取得技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的綜合效益。
工期要求下,1 號機(jī)主廠房鋼結(jié)構(gòu)吊裝必須采用分層與加工同步進(jìn)行的方案,經(jīng)過多方案比較,決定采用這樣的吊裝方案。仍采用兩臺吊機(jī)布置,一臺布置在A 列外,一臺布置在除氧間,整個吊裝必須分成三大區(qū)域進(jìn)行,即汽機(jī)間、除氧間和煤倉間。為了滿足起重設(shè)備的站位和起重幅度要求。先進(jìn)行汽機(jī)間和煤倉間的分層吊裝,待此兩區(qū)域結(jié)構(gòu)吊裝到頂后,利用布置在除氧間的吊機(jī),將除氧間結(jié)構(gòu)沿縱向從⑩軸往①軸方向吊裝,吊機(jī)隨吊隨往后退(見圖2 示) 。
3. 1 　起重設(shè)備的布置
如果在除氧間仍布置150 t 履帶吊。吊裝通道難于滿足吊機(jī)的工況要求。因?yàn)槌蹰g軸線間距9 m ,減去柱子尺寸,有效間距只有8 m ,而查150 t 履帶吊性能表,其機(jī)身旋轉(zhuǎn)半徑為516 m ,所以B、C 列柱吊裝就位后,150 t 履帶吊的機(jī)身旋轉(zhuǎn)擺動必然與B、C 列柱相碰。為了解決這一問題。同時考慮除氧間與1 號鍋爐構(gòu)架的有效距離,決定在除氧間布置一臺200 t·m小塔吊,小塔吊的塔身有效高度5514 m ,臂桿長度2018 m。小塔吊在除氧間⑩～ ⑧軸組裝,軌道先鋪設(shè)至⑨軸,后隨吊裝的行走而跟隨鋪設(shè),小塔吊主要負(fù)責(zé)除氧間和煤倉間的柱、梁、撐和煤斗的吊裝。在A 列外仍然采用150 t 履帶吊,負(fù)責(zé)汽機(jī)間柱梁、撐、天車梁和屋架結(jié)構(gòu)等吊裝,同時150 t 履帶吊作為主吊。還要在除氧間完成B、C、D 列底層鋼柱吊裝后再轉(zhuǎn)移至A 列外進(jìn)行吊裝(見圖1 示) 。
3. 2 　構(gòu)件的加工要求
由于除氧間和煤倉間的構(gòu)件均由小塔吊來吊裝,而且經(jīng)過計(jì)算,D 列柱中距離小塔吊最遠(yuǎn)的為1718 m。查200 t·m 塔吊性能表,此時其最大起重量為10 t 。所以除氧間和煤倉間的構(gòu)件加工時必須控制在10 t 以內(nèi)。由于主次梁、撐等設(shè)計(jì)重量為5 t 以內(nèi)。所以主要是要控制柱的分段加工、由于B、C、D 列的底層柱均由150 t 履帶吊來吊裝,所以柱子分段時,底層柱在滿足吊裝高度的情況下盡量長些,柱子分段情況如下 柱列號分段標(biāo)高,m 底層柱重量,t 二層柱重量,t 三層柱重量,tA、B 列y 2210 15～20 8～9C、D 列y 2310、y 3510 17～29 8～9 5～6
煤斗采用分段加工,分層吊裝。每個煤斗分六層,每層重量控制在10 t 以內(nèi)。
3. 3 　汽機(jī)間屋面結(jié)構(gòu)和天車梁的吊裝
由于小塔吊吊裝時需在除氧間來回行走,所以在汽機(jī)間和煤倉間結(jié)構(gòu)到頂時,除氧間仍然無法吊裝連接汽機(jī)間和煤倉間的主梁,當(dāng)時業(yè)主擔(dān)心除氧間連梁吊裝前吊裝汽機(jī)間天車架和屋架,會使廠房缺少整體穩(wěn)定性,而且吊裝期間正值臺風(fēng)季節(jié),所以汽機(jī)間天車梁和屋面結(jié)構(gòu)的吊裝只能與除氧間結(jié)構(gòu)同軸號同步進(jìn)行,保證每跨屋面結(jié)構(gòu)和天車梁吊裝時,汽機(jī)間和除氧煤倉間連成一體。
4 　施工體會
a) 在工期要求比較緊,鋼構(gòu)件只能分層供應(yīng)的情況下, 采用這種吊裝方案既簡單,又能贏得工期,效果良好,可應(yīng)用于類似的主廠房鋼結(jié)構(gòu)吊裝中。
b) 吊裝期間如果沒有臺風(fēng)等大的影響因素,完全可以先完成汽機(jī)間天車梁和屋面結(jié)構(gòu)的吊裝后再吊裝除氧間結(jié)構(gòu)。因?yàn)槠麢C(jī)間的A、B 列柱本身就是對稱結(jié)構(gòu),不存在B 列柱偏心受力現(xiàn)象。
c) 如果先完成汽機(jī)間天車梁和屋面結(jié)構(gòu)的吊裝后再吊裝除氧間結(jié)構(gòu),小塔吊可以協(xié)助150 t 履帶吊完成汽機(jī)間靠B 列半坡屋面檁條和屋面板吊裝,至少可以使廠房提前15 d 封頂。