廣州地鐵上蓋RJ-1基坑支護設計與施工
近年來,隨著建筑高度的不斷增加,根據構造和使用要求,基礎埋深也隨之加大,深基坑支護結構設計的要求也越來越高。本文介紹的基坑工程,埋深較大,周邊環境復雜,位移限制嚴格,由于設計上作了充分的考慮,采用了合理的計算模型和構造措施,取得了良好的技術和經濟效果,對在人口稠密的市區進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,地上為24 層商業建筑,樓高80 m ,地下三層地下室,抗震設防烈度為7 度,采用框架2抗震墻結構,基礎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。場地周邊環境較為復雜(圖1) ,東側臨近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構房屋以及1 棟2 層混合結構舊房,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營的安全。
2 場地地質情況
根據地質勘察報告,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,局部為粉質粘土;
c) 基巖( K2 ) :屬白堊系上統三水組,巖性以細(粉) 砂巖為主,局部夾含礫粗砂巖,其中強風化巖面埋深自6100～16150 m ,中風化巖面埋深自17120～26150 m ,微風化巖面埋深自19110～34100 m。
場地內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給。另外,根據現場施工情況,基巖存在裂隙水。勘測期間實測地下水埋深210～316 m。
3 基坑支護方案
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營,為確保安全,要求支護結構最大位移不得超過20 mm。根據基坑面積大,形狀不規則,開挖深度深,周邊環境復雜,位移要求嚴格的特點,經多個結構方案比較,選用鋼筋混凝土內支撐的支護方案(見圖1) 。
由于地下室南邊與地鐵車站主體結構相鄰較近,故自風亭位置到地下室南面做人工挖孔式地下連續墻,墻厚110 m。此墻除作為基坑的擋土結構外,還作為邊柱的基礎和地下室的側壁,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。
支護結構采用一道鋼筋混凝土支撐, 支撐中線標高310 m ,支撐間間距12～15 m ,以滿足大型挖土機械的工作面要求。為減小支撐的計算跨度,在適當位置設置立柱。
1 —人工挖孔式地下連續墻;
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 —二層混合結構房屋;
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。
立柱間設置連系梁以加強支撐體系的聯系,同時對支撐的側向穩定提供約束。在靠近地鐵風亭位置,結合基坑的幾何形狀,設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,在拱腳位置設置對撐。
為加強支撐體系的整體性,在支撐高度位置設置腰梁, 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。根據地質勘察報告,場地內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,進入殘積層2 m就可滿足要求,平均樁長7 m ,樁距350 mm。
4 設計計算
考慮施工現場堆放材料的要求,取基坑邊地面堆載為20 kPa。
根據地質勘察報告以及工程經驗, 取各土層物理力學指標如表1 所示。由于開挖范圍內大部分為殘積粉土,計算水平土壓力時采用水土合算。計算簡圖見圖2。
土層雜填土粉土強風化巖層底標高(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) ,分別計算支護結構的內力。計算采用彈性支點法,將地基作為彈性基床,將支撐作為彈性支承,并考慮支撐點和支護樁位移對樁身內力的影響。支護樁在工況1、3、7 下的內力和位移見圖4。整體穩定安全系數用圓弧滑動簡單條分法計算為1163 ,抗傾覆驗算安全系數為3123 ,滿足規范要求。在坑側土層情況有顯著不同處重新調整土層參數進行計算。計算得支護樁最大水平位移18 mm。經計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 ,圓弧形拱設計內力為: 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 施工與監測
根據本工程基坑的特點,按以下步驟進行施工;
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) 第二次開挖至標高- 1411 m ,即基坑底面(圖3 工況3) 。
e) 施工地下室底板,并設置支頂與支護樁連接(圖3 工況4) 。
f) 施工地下二層樓板,并設置支頂與支護樁連接(圖3 工況5) 。
g) 施工地下一層樓板,并設置支頂與支護連接(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,最后進行基坑填。地下室樓板與支護樁之間的支頂每層設置一道,每道支頂隔一根樁設置一根,沿高度方向作梅花形布置。由于支護樁在標高- 310 m處已設腰梁聯結,在地下室樓板與支護樁連接處無需再設置圍檁,從現場檢測結果看來,換撐后支護結構的整體性保持良好。
施工過程中基坑壁滲水量很少,說明止水帷幕的設計是成功的,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,施工期間進行嚴格的位移監測,支護結構最大水平位移19 mm ,滿足地鐵要求,與計算值基本吻合。基坑北面的二層混合結構舊房在工程樁施工爆破過程中曾發現少量裂縫,經監測在基坑開挖過程中裂縫保持穩定,沒有發展,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,支護結構采用了較小的嵌固深度,僅用一道混凝土支撐,滿足了嚴格的位移限值要求,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械的工作空間要求,大大加快了施工進度,取得了明顯的技術和經濟效益。
6 結論和建議
通過本工程的設計施工與實踐, 有如下幾點結論和建議:
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) 筑物或地下管線需要保護時,采用鋼筋混凝土內支撐結構體系是一種安全可靠和經濟合理的深基坑支護方案;
b) 選取合理的計算模型和適當的計算參數,是準確計算支護結構內力和變形的關鍵;
c) 應根據基坑幾何形狀,結合施工條件,靈活選擇支撐形式(如直撐、角撐、圓弧形拱等) ,以取得技術和經濟的綜合效益。
工期要求下,1 號機主廠房鋼結構吊裝必須采用分層與加工同步進行的方案,經過多方案比較,決定采用這樣的吊裝方案。仍采用兩臺吊機布置,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域進行,即汽機間、除氧間和煤倉間。為了滿足起重設備的站位和起重幅度要求。先進行汽機間和煤倉間的分層吊裝,待此兩區域結構吊裝到頂后,利用布置在除氧間的吊機,將除氧間結構沿縱向從⑩軸往①軸方向吊裝,吊機隨吊隨往后退(見圖2 示) 。
3. 1 起重設備的布置
如果在除氧間仍布置150 t 履帶吊。吊裝通道難于滿足吊機的工況要求。因為除氧間軸線間距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,其機身旋轉半徑為516 m ,所以B、C 列柱吊裝就位后,150 t 履帶吊的機身旋轉擺動必然與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,軌道先鋪設至⑨軸,后隨吊裝的行走而跟隨鋪設,小塔吊主要負責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,負責汽機間柱梁、撐、天車梁和屋架結構等吊裝,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移至A 列外進行吊裝(見圖1 示) 。
3. 2 構件的加工要求
由于除氧間和煤倉間的構件均由小塔吊來吊裝,而且經過計算,D 列柱中距離小塔吊最遠的為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件加工時必須控制在10 t 以內。由于主次梁、撐等設計重量為5 t 以內。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。
3. 3 汽機間屋面結構和天車梁的吊裝
由于小塔吊吊裝時需在除氧間來回行走,所以在汽機間和煤倉間結構到頂時,除氧間仍然無法吊裝連接汽機間和煤倉間的主梁,當時業主擔心除氧間連梁吊裝前吊裝汽機間天車架和屋架,會使廠房缺少整體穩定性,而且吊裝期間正值臺風季節,所以汽機間天車梁和屋面結構的吊裝只能與除氧間結構同軸號同步進行,保證每跨屋面結構和天車梁吊裝時,汽機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,鋼構件只能分層供應的情況下, 采用這種吊裝方案既簡單,又能贏得工期,效果良好,可應用于類似的主廠房鋼結構吊裝中。
b) 吊裝期間如果沒有臺風等大的影響因素,完全可以先完成汽機間天車梁和屋面結構的吊裝后再吊裝除氧間結構。因為汽機間的A、B 列柱本身就是對稱結構,不存在B 列柱偏心受力現象。
c) 如果先完成汽機間天車梁和屋面結構的吊裝后再吊裝除氧間結構,小塔吊可以協助150 t 履帶吊完成汽機間靠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。
