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上海宝矿国际广场基坑工程

390 2020-11-27 10:53:34


一、工程简介

上海宝矿国际广场工程主体建筑主要由48层办公楼、24层酒店、13层公寓式酒店以及2~3层的裙楼组成。主体结构均设置3层地下室,采用桩筏基础,工程桩均采用钻孔灌注桩。本工程基坑约为20000㎡,基坑形状呈不规则L形。基坑周边普遍区域基坑挖深约15.7~16.2m,酒店主楼区域挖深为16.5m,办公楼主楼区域挖深为17.9m,属超大型深基坑工程,基坑保护等级为一级。


二、基坑周边环境概况

本工程地处上海市闸北区繁华地带,位于天目西路、恒丰路、裕通路、长安路交汇处。其中天目西路及恒丰路为市区交通主干道、车流量大,道路下埋藏有较多的地下管线。西侧隔长安路分布有南北走向的苏州河,周边环境见图1.

基地东侧恒丰路下埋藏有众多地下管线,自围护体由近及远依次为:高压电缆(8.5m),配水(16.8m),信息(19.3m),路灯(24.1m),雨水(32.9m).南侧裕通路对面主要为1~3层砖木结构旧式建筑,天然浅基础,对沉降与变形较为敏感,距围护体最小净距为20.3m.南侧地下管线自围护体由近及远依次为:雨水(12.4m),配水(14.3m).西侧长安路对面均为1~2层砖木结构旧式建筑,天然浅基础,对沉降与变形较为敏感,与围护体之间最小净距为8.2m.西侧地下管线自围护体由近及远依次为:配水(5.8m)、雨水(9.0m).北侧长安大厦三层裙房与围护体最小净距约为13.3m,长安大厦6层停车场与围护体最小净距约为6m,均为预制方桩基础,桩长约26~29m.


北侧围护体与地下室外边线阳角处的小高层住宅最小净距约为14.9m.基地北侧转角处为天目西路,天目西路下埋藏有众多地下管线,自围护体由近及远依次为:煤气(10.6m),煤气(11.3m),电力(11.5m),配水(15.5m).天目西路与恒丰路交界处人行过街天桥距围护体最小净距约为21m.人行天桥的基础为Φ800mm钻孔灌注桩,桩长29m.建设场地中存在原天目广场已施工的部分工程桩、围护桩以及地下连续墙,场地中原有的围护桩为Φ1000mm@1090mm灌注桩,深26.5m,处于场地中部,局部与本工程地下室外墙相交;原有的地墙厚度为800mm,深度24.4~25.4m,老的地墙局部与新的围护体相交,局部又与新的地墙走向位置基本一致。原工程桩桩径为Φ850mm,顶标高为一12.400~-14.400m,底标高为-74.400~-76.400m.


总体来讲,本基坑工程周边环境较为复杂,重点保护对象为周边地下管线、人行过街天桥、基地北侧的长安大厦与小高层住宅以及周边的旧建筑等,对本工程基坑支护结构设计提出了较高的要求。同时本工程场地内部存在的已经施工完成的老地墙、围护桩以及工程桩等刚性构件,与地下室外轮廓线存在矛盾的地方是围护设计施工过程中的重点与难点。


三、工程地质及水文地质情况

根据本工程岩土工程勘察报告,本场地地貌类型属滨海平原,拟建场区原为棚户、简屋,场地内原有建筑物已拆除,杂填土较厚主要为较大的混凝土块、砖块等建筑垃圾,厚度1.50~5.50m.地面标高为2.83~3.65m.本场地由于邻近苏州河,且浅层分布有第②、③2、⑤局部有粉土夹层,在动水压力的作用下易产生流砂现象,施工中应采取相应的防范措施,尤其要做好隔水、止水措施保证基坑的安全施工与使用。场地地下水属潜水类型,其主要补给来源为大气降水及地表径流,水位补给随季节变化而变化。勘察期间实测地下水埋深为0.85~1.40m.场地地下水对混凝土一般无腐蚀性。

第⑦层为上海第一承压含水层,承压水水位呈幅度不等的周期性变化,根据区域观测资料,承压水水头埋深为地表下3.0~11.0m,在勘察期间,⑦层承压水水位埋深为5.7~5.8m,⑦层层顶埋深最浅位置约为28m.由于本基坑工程的开挖深度较深,基坑开挖至普遍基底时,存在上覆土重不足以抵抗承压水浮托力而产生突涌的可能性。必须采取降压等措施以控制承压水突涌稳定性满足要求。


场地的工程地质条件及基坑围护设计参数如表1所示。

四、支护结构设计方案


1.总体方案设计

本工程基坑开挖面积约为20000㎡,延长米约为683m,开挖深度最深区域达17.9m,

属超深超大的基坑工程,在高地下水位的软土地基中开挖如此超深超大的基坑工程具有一定的风险性。基地与苏州河距离较近,且浅层土层渗透性系数较大,极易在动水压力作用下产生管涌、流砂等不良地质现场,因此隔水和降水是本基坑工程设计和施工的关键点之一。建设场地中存在原天目广场已施工的部分工程桩、围护桩以及地下连续墙,这些老的结构构件与地下室外墙存在矛盾的地方是设计施工过程中的重点与难点。


由于本工程基坑面积巨大且开挖深度较深,为了最大限度控制基坑开挖阶段对周边环境产生的不利影响,本工程普遍区域采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护结构,地下连续墙具有抗侧刚度大、可有效保护周边环境的特点,但其工程造价相对于其他围护形式高,因此基坑工程中如采用地下连续墙作为围护体,从经济性上一般均不考虑仅作为临时围护体,而都选择采用“两墙合一”的设计方法,“两墙合一”地下连续墙作为围护体已经得到大量的工程实践,并在实践中已经发展并形成了成套的设计理论和专项施工技术,几乎已成为上海地区类似面积和深度规模基坑工程首选的围护体形式。


局部区域由于新的围护体与老的工程桩或地下连续墙发生矛盾,因此考虑在老的工程桩之间设置施工相对较为灵活的钻孔灌注围护排桩及三轴水泥土搅拌桩与高压旋喷桩止水帷幕作为围护体。


基坑内竖向设置三道钢筋混凝土支撑体系,由于基坑形状不规则,采用对撑、角撑相结合的方式布置,混凝土支撑的刚度较大,能有效地控制变形。而且根据工程需要可将第一道钢筋混凝土支撑结合栈桥进行设计,方便现场施工,提高施工效率,节省工期。基坑开挖到坑底后再由下而上顺作地下室结构,并相应拆除支撑系统。


综上所述,本基坑工程采用普遍区域“两墙合一”地下连续墙十局部障碍物区域钻孔灌注排桩结合外侧止水帷幕十坑内三道钢筋混凝土支撑系统的总体设计方案。围护体平面布置见图10.基坑工程实施实景图如图3所示。

本工程地下室的埋置深度很深,相应的水头高度很高,在如此巨大的侧向水力渗透作用下以及承压水头压力作用下如何保证地下结构不渗不漏,满足地下室较高的防水要求,是本工程防水设计的重点也是难点。根据本工程的实际情况,其防水薄弱点主要有体现为地下连续墙之间的结构接缝位置。


由于地下连续墙自身施工工艺的特点,其施工是分槽段施工的,因此地下连续墙墙幅与墙幅之间接头位置的防渗漏是关键问题,尤其是地墙作为地下室永久性外墙时,即两墙合一设计时,接头要有较好的止水措施。实际工程中也采用了许多种技术措施,地墙接头防渗总体效果较好,但由于施工因素,难免会发生一些局部的渗漏。


针对这些情况,本工程地下连续墙防水设计中可采取如下几项技术对策:

(1)如图6所示,普遍区域地下连续墙槽幅分缝位置设置扶壁柱,扶壁柱通过预先在地墙内预留的钢筋与地墙形成整体连接,从而增强了地墙接缝位置的防渗性能。

(2)如图6所示,普遍区域地墙内侧设置通长的内衬砖墙,即在地下连续墙内侧砌筑一道砖衬墙。砖衬墙内壁要做防潮处理,且与地下连续墙之间在每一楼面处设置导流沟,各层导流沟用竖管连通,使用阶段如局部地墙有细微渗漏时,可通过导流沟和竖管引至集水坑排出,以保证地下室内部的永久干燥。地墙在与顶板及底板接缝位置采取留设止水条、刚性止水片等措施以解决接缝防水。

(3)如图7所示,靠近拟建地铁13号线区间隧道侧由于使用阶段地下室外墙防水等级要求较高,地墙内侧满铺膨润土防水毯及加设一道纤维混凝土结构内衬墙作为防渗、止水构造措施。由于地下连续墙和内衬墙分两次浇筑,为防止在内衬墙收缩过程中受到地下连续墙阻碍而产生裂缝,内衬墙采用抗裂缝的纤维防水混凝土,地墙与内衬墙界面位置涂水泥基渗透结晶型防水材料,以进一步增强复合墙体的防渗性能。

3.局部区域钻孔灌注桩结合止水帷幕围护体设计

局部区域钻孔灌注桩混凝土设计强度等级C30(水下混凝土提高一级),桩径p1150,桩间净距为200mm,有效长度主要为27.4m,局部深坑位置予以加长,有效长度29.7m.

钻孔灌注桩外侧采用单排水泥土搅拌桩作为止水帷幕,由于本基坑工程浅层土质砂性较重,渗透系数较大,且基坑开挖深度大,临时围护体变形相对大,对止水帷幕的防水可靠性提出较高的要求,因此,本方案中采用Φ1000mm@750mm三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕,水泥土搅拌桩插入基底以下6m.三轴水泥土搅拌桩水泥掺量为20%,水灰比1.5.三轴水泥土搅拌桩采用套接一孔法施工,相邻的三轴水泥土搅拌桩相互套打一个孔,以保证搭接长度,满足止水要求。当止水帷幕为避让老桩施工而使三轴搅拌桩与灌注桩之间距离较大时,在钻孔灌注桩桩缝增加Φ800mm 高压旋喷桩止水,同时在钻孔灌注桩与三轴搅拌桩之间的空挡采用压密注浆进行填充,高压旋喷桩与压密注浆深度范围均同三轴水泥土搅拌桩。障碍物区域围护结构剖面见图12.


4.地下室外墙位置存在原有的地墙、工程桩、围护桩等障碍物时的处理方法

建设场地中存在原天目广场已施工的部分工程桩、围护桩以及地下连续墙,这些老的结构构件与地下室外墙存在矛盾的地方是设计施工过程中的重点与难点。新老围护体及原工程桩的总体关系参见图2.


场地中原有的围护桩为Φ1000mm@1090mm灌注桩,深26.5m,处于场地中部,局部与本围护方案中的围护桩相交;原有的地墙厚度为800mm,深度24.4~25.4m,老的地墙局部与新的围护体相交,局部又与新的地墙走向位置基本一致。原工程桩桩径为Φ850mm,顶标高为-12.400~-14.400m,底标高为-74.400~-76.400m.新的围护桩及三轴搅拌桩止水帷幕需避让已施工的工程桩。


如图8、9所示,处理的方法大致如下:

(1)如图8所示,对于新老围护体相交的情况,局部利用老的地墙(围护桩)作为本工程的围护体,并在相交的区域采用Φ800mm高压旋喷桩进行封闭;

(2)如图8所示,对于新的围护桩与老的工程桩发生矛盾的地方,在老的工程桩之间施工新的围护桩及三轴搅拌桩止水帷幕,由此会造成围护桩与止水帷幕之间间隔较大,采用中800mm高压旋喷桩在围护桩之间封闭止水,并在空隙较大处进行压密注浆加固;

(3)如图9所示,对于老的地墙与新的地墙走向及位置基本一致的情况,为保证新围护体不进入距离拟建隧道外边线6m的范围,考虑新设计的地墙沿老地墙的走向布置并内

放700mm,并在新老地墙相交处采用一定数量的Φ700mm钻孔灌注桩进行加强,同时在相交区域采用Φ800mm@600mm高压旋喷桩进行封闭止水。


5. 支撑体系设计

基坑竖向设置三道水平钢筋混凝土支撑系统,第一道支撑又可作为施工挖运土用的栈桥,方便挖土施工,降低施工技术措施费。地下连续墙顶部设置压顶圈梁兼作第一道支撑的围檩,竖向三道混凝土支撑杆件截面尺寸及中心标高如表2所示。支撑及栈桥平面布置见图14.

6.立柱和立柱桩设计

土方开挖期间需要设置竖向构件来承受水平支撑的竖向荷载,本工程中采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩作为水平支撑系统的竖向支承构件。栈桥区域钢立柱角钢规格为4L160mmx16mm,非栈桥区域钢立柱角钢规格为4L160mmx12mm,截面均为460mmx460mm,钢材均采用Q235B钢,钢立柱插入作为立柱桩的钻孔灌注桩中不少于3m,支撑竖向支承钢格构立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。栈桥区域新增立柱桩采用Φ850灌注桩,有效桩长约26m,非栈桥区域新增立柱桩采用Φ700mm灌注桩,有效桩长约21m,桩端均进入⑦2层粉砂。本工程共需235根立柱桩,其中101根利用主体工程桩。


7.地基加固

为了减小基坑开挖对周边环境的影响,本方案在开挖深度较深的酒店区域和办公楼区域中部,以及基坑受力不利的阳角位置对坑内被动区土体进行加固,以提高坑底被动区土体抗力,减小基坑变形。加固体采用$850mm@600mm的三轴水泥土搅拌桩进行加固。被动区加固体呈墩式分布,搅拌桩呈格栅布置,加固的深度范围为第二道支撑底至基底以下4m.水泥土搅拌桩布置避让工程桩,水泥掺量基底以上10%,基底以下20%.坑内局部落深处(电梯井、集水井等)根据其落低的深度、范围及位置,采取高压旋喷桩坝体结合深坑内劈裂注浆封底的加固形式。


五、施工工况

实际挖土分层情况如下(地面标高为-0.200m):

STEP1:开挖至-1.150m标高,其后开槽浇筑第一道压顶梁和支撑;

STEP2:待第一道支撑达到设计强度的80%后,分层、分块、对称、平衡开挖至

-7.700m标高,其后浇筑第二道钢筋混凝土围檩和支撑;

STEP3:待第二道支撑达到设计强度的80%后,分层、分块、对称、平衡开挖至-13.150m标高,其后浇筑第三道钢筋混凝土围檩和支撑;

STEP4:待第三道支撑达到设计强度的80%后,分层、分块、对称、

平衡开挖至基底,及时浇筑垫层和底板;

STEP5:待底板达到设计强度的80%后,拆除第三道支撑;

STEP6:浇筑-10.700m标高位置的地下二层结构,并在结构缺失区域设置临时换撑构件以及周边结构外墙与围护桩之间的换撑板带;

STEP7:待地下二层结构梁板达到设计强度的80%后,拆除第二道支撑;

STEP8:浇筑-6.700m标高位置的地下一层结构,并在结构缺失区域设置临时换撑构件以及周边结构外墙与围护桩之间的换撑板带;

STEP9:浇筑-3.700m标高位置的地下一夹层结构;

STEP10:待地下一层及地下一夹层结构梁板达到设计强度的80%后,拆除第一道支撑;

STEP11:浇筑±0.000地下室顶板结构,基坑周边密实回填,拆除内部临时换撑。


六、现场监测

由于本工程为一级基坑,责任重大,工程中不得有任何意外,布设的监测系统应该能及时、有效、准确地反映施工中围护体及周边环境的动向。为了确保施工的安全顺利进行,根据本工程顺作法施工的特点、现场的周边环境情况及设计的常规要求,施工监测内容包括:

(1)地下连续墙的垂直和水平位移以及墙身测斜;

(2)围护桩顶的垂直和水平位移及深层桩身测斜;

(3)地下连续墙(围护桩)钢筋应力量测;

(4)支撑轴力、支撑两端点的差异沉降;

(5)立柱的水平和竖向变形;

(6)坑外土体测斜;

(7)基坑坑底回弹;

(8)邻近地下管线的水平位移及沉降;

(9)邻近地面建筑物、构筑物的沉降、倾斜、裂缝;

(10)周边道路路面沉降;

(11)坑内外地下水位;

(12)承压水水头。

监测点平面布置图如图15所示。


七、监测结果及分析

1.围护体侧向位移

从图16可见,围护体侧向位移随基坑开挖深度和时间的增加而逐步增大。普遍区域地下连续墙或钻孔灌注桩最大水平位移基本在70mm左右,其中最大变形发生于CX13测点,位置处于北侧靠近长安大厦6层停车库处。由于该位置开挖较早,暴露时间相对其余测点较长,因此侧向变形较大;且此测点由于处于施工栈桥以及施工车辆经过的密集区域,对于围护体而言,地表的超载较大,因此也是造成该点变形较大的原因,最大变形约为73mm.


2.深层土体测斜

从图17可见,坑外深层土体侧向位移随基坑开挖深度和时间的增加而逐步增大。土体测斜曲线与围护体测斜曲线规律基本一致,与围护体测斜点CX13相对应的CX26点土体侧向位移最大,最大值约68mm,与该位置地墙的侧向位移基本相当。


3. 支撑轴力测试

以下图18为第二道支撑轴力测点于第三、四层土方开挖过程中的轴力变化情况,可见在土方开挖过程中,支撑轴力不断变大并逐渐趋于稳定,土方开挖至基底时,第二道支撑最大轴力值约为8500kN,在混凝土支撑杆件的受力允许范围之内。

4.周边管线及建筑物沉降

图19~图28为基坑开挖过程中,周边道路下市政管线以及周边建筑物的沉降曲线,从以上沉降曲线可见管线及建筑物沉降随土体开挖而不断增大,当基坑开挖至基底时管线最大沉降约为18mm,最大差异沉降约为9mm,周边建筑物最大沉降约为14mm,最大差异沉降约为4mm.在基础垫层浇筑完成以及底板施工结束后管线及周边建筑沉降变形逐渐趋于稳定。由变形数据可知,基坑开挖对周边环境影响较小,由于开挖造成的管线或者建筑物沉降可控制在20mm之内,且不均匀沉降较小,未对周边设施造成不利影响。

5.坑外水位观测

图29为基坑开挖期间坑外水位观测井观测得到的地下水位波动情况,从各水位观测井的数据来看可见,基坑开挖期间坑外地下水位波动均在1m以内,表明地下连续墙或钻孔灌注桩结合外侧止水帷幕形成的封闭围护体止水效果较好,坑内降水未对坑外地下水位造成较大的影响。


八、小结

上海宝矿国际广场基坑面积约20000㎡,基坑周边挖深15.7~16.2m,周边邻近多条

道路、市政管线、建筑物、人行天桥以及拟建的13号线区间隧道等,环境条件较为复杂。建设场地内浅层土体砂性较重,给地下连续墙、灌桩围护体的施工以及止水性能提出了较高的要求,同时场地内存在原天目广场已经施工完的地下连续墙、围护桩以及工程桩等障碍物,均给本工程的围护设计与施工造成了较大的难度。

本工程采用了普遍区域地下连续墙(两墙合一)十局部障碍物区域钻孔灌注排桩十坑内三道钢筋混凝土支撑系统的总体设计方案,本文详细地介绍了地下连续墙、钻孔灌注排桩、止水帷幕、支撑及竖向支承体系、地基加固等各单项的设计情况,并针对障碍物区域的围护体设计与处理方法进行了重点介绍。

在基坑开挖过程中,对基坑围护结构的变形与受力以及坑外环境进行了全过程的监测,监测结果表明,基坑围护结构变形与受力在安全可控的范围之内,同时有效地保护了周边的道路、市政管线以及建构筑物等,基坑工程的施工没有对周边环境的正常使用产生不良影响,并取得了较好的经济效益和工程效益。


作者:沈健  王卫东  翁其平(华东建筑设计研究院有限公司地基基础与地下工程设计研究所)

本文仅供学术经验分享之用

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