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大型深基坑工程的支护方案与设计要点

发布时间:2018-09-30

大型深基坑工程的支护方案与设计要点摘要

  Selection and Analysis of Deep Foundation Pit Support for a Complex Project

  
  Abstract:The key to the support design of ultra-large deep foundation pit in soft clay is to ensure the safety of the foundation pit and its surrounding environment, and to facilitate the subsequent earthwork and main construction. Taking a comprehensive project in Nanjing as an example, according to the geological conditions and environmental conditions of the project, the support method of the bored pile combined with the cement soil mixing pile water curtain is adopted after selecting various foundation pit support schemes. The safety of the foundation pit engineering and surrounding pipelines is ensured by reasonable arrangement of internal supports. This method not only accelerates the construction speed, but also achieves the purpose of economic rationality and convenient construction.
  
  Keyword:deep foundation pit; support system; support;

 

深基坑支护

  
  0、引言
  
  随着经济发展及城市化步伐的加快, 高层建筑越来越多, 由于大部分高层建筑都设计地下室, 深基坑的开挖成为一种必然, 但是在当前用地紧张的密集城市中心开挖深基坑要涉及诸多因素, 其支护方案的安全性、经济性和施工工期等对整个工程都有着较大影响, 如何通过合理的支护来保证基坑稳定性、减少对周围环境影响一直是本行业的研究热点。本文以南京某综合体大型深基坑工程为例, 探讨了大型深基坑工程的支护方案、支护设计等内容, 可为类似基坑工程提供参考。
  
  1、工程概况
  
  南京某综合体项目主楼24层, 辅楼6层, 基坑开挖总面积约40000m2, 挖深9.85m, 局部深度13.85m.基坑边线紧邻四周用地红线, 南面和西面为主干路, 东面为待建道路, 北面在地铁线保护范围线内, 该基坑与周围红线的距离见表1.基坑周边道路以下埋设各类管线, 基坑开挖必须对管线进行保护, 部分重要管线与基坑边线的距离见表2.
 

表1 基坑与红线的距离

  
  2、地质条件
  
  工程场地属长江漫滩, 主要岩土层分布如下: (1) ~1素填土, 软~可塑, 属新填土, 密实度较差, 层厚0.4~4.5m; (1) ~2素填土, 软~可塑, 由粉质粘土、粘土混少量碎砖石填积, 层厚0.8~3.0m; (1) ~2a淤泥、淤泥质填土, 流塑, 含腐植物, 层厚0.3~1.8m; (2) ~1粉质粘土, 软~可塑, 夹薄层粉土, 层厚0.3~3.2m; (2) ~2淤泥质粉质粘土, 流塑, 含少量腐植物, 夹薄层粉土, 层厚7.3~12.7m; (2) ~3淤泥质粉质粘土, 灰色, 局部为互层状, 水平层理发育, 层厚6.5~13.7m; (2) ~4粉细砂, 中密, 砂颗粒成分以石英质为主, 层厚2.7~10.2m; (2) ~5细砂, 密实, 颗粒成分以石英质为主, 含云母碎片, 层厚13.3~17.9m; (3) 强风化泥岩、泥质粉砂岩, 风化强烈, 遇水极易软化, 层厚0.7~7.4m.
  
  根据以上岩土分布情况可知, 该场地浅层分布较厚的高含水量、高压缩性软弱土, 止水处理和围护选型将是该基坑工程重点考虑的问题。
  
  3、支护选型分析
  
  3.1 总体分析
  
  本工程属于超大深基坑。支护方案的选择直接关系到工程造价、施工进度及周围环境的安全。总体上基坑支护分顺作法和逆作法两类方法, 两种方式具有各自鲜明的特点, 顺作法是先施工周边支护结构, 然后由上而下分层开挖, 并依次设置水平支撑, 待基坑开挖至坑底后, 再由下而上施工主体结构的基础底板、竖向墙柱构件及水平楼板构件等, 最后按一定顺序拆除支撑系统, 完成地下结构施工全过程。顺作法施工便捷、经济性和施工进度比较均衡, 对施工单位的管理和技术水平要求不高, 因而选择面广, 但是临时支撑的拆除工程量大且控制基坑的变形能力相对较低。逆作法是开挖一定深度的土体后支设模板用浇筑的永久结构梁板代替临时支撑和平衡作用在支护墙上的土压力, 一旦土方开挖结束, 地下结构也就施工完成, 逆作法的优点是工期短, 经济性好, 有利于降低能耗、节约资源, 且地面楼板的施工可为后续土方工程提供作业空间, 解决施工场地狭小的问题, 但逆作法作业环境差, 施工质量难以控制。
  
  3.2 支护体系分析
  
  3.2.1 围护体系
  
  根据基坑工程的实践经验, 国外软土地区的基坑围护结构一般选择型钢水泥土搅拌即SMW工法, 地下连续墙、灌注排桩结合止水帷幕等形式。SMW工法是在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土结构, 在开挖深度较大的深基坑中, 该工法支护体系的变形较大, 而变形超过一定范围后会引起基坑渗漏水事故;地下连续墙的抗侧移刚度大、施工工艺成熟, 近年来在环境保护要求高以及开挖深度大的基坑工程中得到了大量的应用, 但是在软粘土场地, 该方法的施工难度大, 易出现相邻槽段不对齐或渗漏水等质量问题, 而且在城市中施工地下连续墙, 废泥浆的处理也是问题;钻孔灌注排桩支护工艺简单、质量容易控制, 施工对周边环境的影响小, 常用于顺作法基坑工程, 特别是其止水帷幕可根据工程的土层情况、周边环境、开挖深度以及经济性等要求综合选用。
  
  3.2.2 支撑体系
  
  目前, 深基坑支护体系中常用的水平传力体系有内支撑和外拉锚两种形式, 内支撑根据材料的不同又分为钢筋混凝土支撑和钢支撑。钢筋混凝土支撑具有刚度大、变形小的特点, 对减小支护体系的水平位移, 保证支护体系稳定性方面效果良好, 而且钢筋混凝土支撑适应性强, 可用于各种复杂形状的基坑工程;钢支撑自重小, 施工方便, 安装和拆卸的速度快, 重复利用性好, 在一定程度上可以降低成本, 节约工程造价, 但这种支撑体系需要保证各个节点的焊缝质量和拼装质量, 施工不当时会造成节点变形甚至出现节点大范围破坏的现象;土层锚杆是埋设于地层中的锚杆, 该体系依靠锚杆与周围地层的抗剪强度传递拉力或使地层自身得到加固, 由于锚杆与地层紧密地联系在一起, 可以保证结构物和土体的稳定, 但不能超出红线, 在土质条件较差的地区, 其控制变形的能力较弱。
  
  4、本工程支护结构设计
  
  在本工程中, 基坑紧邻道路, 支护面狭小, 缺乏逆作施工的必要条件, 因此采用顺作法开挖, 而对于超大基坑, 根据基坑的开挖深度、平面面积和周边环境条件, 既可选择临时性围护, 也可选择与主体结构相结合的永久围护。本基坑面积大, 采用SMW工法存在安全隐患, 而且SMW工法的型钢租赁成本也很高, 因此, 该方法不适合用于本工程;“两墙合一”的地下连续墙需要占用较大的场地, 施工工期长, 施工队伍的选择范围小, 也不适合本工程。相比之下, 钻孔灌注桩工艺成熟, 工期短, 可分区进行施工, 用作本工程的基坑支护是可行的, 止水帷幕的选择要考虑基坑面积、周长, 周边环境等情况进行综合分析。经过反复比选后, 本工程采用了灌注桩+三轴水泥土搅拌桩止水帷幕的结构形式, 用钢筋混凝土支撑抵抗水平荷载。
  
  4.1 支护桩和止水帷幕设计
  
  本工程基坑支护结构为Φ900@1100的钻孔灌注桩, 该灌注桩的有效桩长为22.15m, 插入坑底以下14.05m;基坑北侧临近地铁区域, 考虑地铁的影响, 采用了Φ1100@1300的钻孔灌注桩, 该桩的有效长度为22.15m, 插入坑底以下的深度与前面相同, 钻孔灌注桩的混凝土设计强度为C30.在灌注桩外侧200mm处设计了单排三轴水泥土搅拌桩止水帷幕, 由于本工程基坑开挖深度大且含有潜水和弱承压水, 采用了Φ850@1200的三轴水泥土搅拌桩, 搅拌桩长度25.00m, 水泥掺量为22%.
  
  4.2 水平支撑设计
  
  本工程竖向设计了二道钢筋混凝土水平支撑, 其布置方式如图1所示。第一道支撑围檩兼作围护结构的压顶梁, 对撑可用于挖、运土的施工栈桥, 这样既增大了施工操作面, 又加快出土效率, 有效解决了工程施工场地狭小的问题, 两道支撑的具体尺寸见表3.

  表3 支撑规格

  根据土性参数, 采用弹性地基梁法计算得出支撑轴力, 每一侧的最大轴力值见表4.

表4 支撑轴力及间距

  
  根据表3轴力值设计了支撑配筋, 第一层围檩主筋选用12准25、箍筋选用准10@150的四肢箍;第二层围檩主筋选用16准28、箍筋选用准12@150的六肢箍;第一层对撑和八字撑选配8准25的钢筋;第二层对撑和八字撑选配9准25的钢筋。
  
  5、结语
  
  超大深基坑工程围护方案的选型至关重要, 不同围护方案在工期、造价以及施工便利性方面差异很大, 如何在满足基坑安全的前提下提高经济性以及施工的便捷性一直是基坑工程支护设计和施工所考虑的主要问题。本工程在综合考虑土质条件差、地下水丰富、环境保护要求苛刻以及基坑面积大等诸多不利因素后采用了钻孔灌注桩结合止水帷幕的支护形式, 通过合理设计内支撑保证了基坑工程和周围管线的安全, 达到了经济合理、安全高效的目的。
  
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