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上海陆家嘴某地块发展项目基坑工程

423 2020-12-04 08:57:41

一、工程概况

1、建筑工程概况

上海陆家嘴某地块发展项目,位于上海市浦东新区金融贸易区内,世纪大道以南,花园石桥路以北,银城中路以西和银城西路以东地块内。该工程建设两幢58层超高层塔楼和一幢22层底座酒店以及五层裙房的商业办公建筑。
该工程基地北侧紧靠延安东路越江隧道出入口和地铁2号线陆家嘴站5号出入口,东侧紧邻银城中路下立交,南侧与浦东水厂相邻,拟建的地铁14号线从I区基坑中部穿过,并在其中预设有车站,地铁14号线与2号线车站的换乘通道结合在本工程的地下室内建设。

2、基坑工程概况

本工程基坑总占地面积约为54000㎡,地下室以M轴为界,南侧为I区,面积约为11000㎡;北侧为II区,面积为31700㎡.II区开挖面积约10600㎡,I区和III区开挖阶段II区已经施工出±0.00.该工程基坑总平面详见图1。

该工程I区为地下四层(含夹层,地铁14号线车站处为地下五层),开挖深度19.20m,其中底座酒店处开挖20.10m,位于I区内的地铁车站标准段开挖27.1m,车站东端头井开挖28.5m深;II区地下五层(含夹层),开挖深度塔楼区为21.15m,裙楼区为23.0m。


3、基坑周边环境
(1)基坑东侧

基地东侧为银城中路及银城路下立交工程,其中下立交距本基坑边线最近处约为19.0m,下立交底板埋深最深处约10.0m左右。东侧银城中路下管线由近及远依次主要有:雨水 1000mm(距离基坑围护结构地下连续墙外边线最近处约14.38m),污水600mm等。

(2)基坑南侧

基地南侧紧邻浦东威望迪自来水有限公司浦东水厂,基本为一二层的老旧建筑,建造年代久远,距离该工程基坑围护结构外边最近距离约10m左右。
在基坑I区西南角部有一幢35kV变电站,砖混结构,带一层地下室,地下室埋深3.0m左右。变电站北侧和东侧分别距I区基坑边线10.5m左右。
南侧花园石桥路下管线由近及远依次主要有:配水100mm/1000mm(距离基坑围护结构地下连续墙外边线最近处约1.35m),雨水380mm,配水900mm,供电等。

(3)基坑西侧

正大广场与香格里拉大酒店位于该工程基坑西侧,与本基坑距离超过40m.基坑西侧银城西路下管线由近及远依次为:雨水800mm(距离基坑围护结构地下连续墙外边线最近处约17.72m),污水800mm等。

(4)基坑北侧

延安东路越江隧道下立交敞开段在基地北侧,距基坑围护边线最近距离约为23m,隧道敞开段底板埋深最深处约在8.0m左右。
上海地铁2号线在该基地北侧设有5号出入口及通道,地铁隧道下穿延安路越江隧道。该通道顶板埋深约12.30m,底板埋深约18.3m。
北侧世纪大道的路面绝对标高为3.7~4.0m,世纪大道下的地铁2号线隧道顶的绝对标高为-3.4~-3.1m,埋深为7.1m左右。2号线地铁车站的底板底埋深约为15m左右,车站距离本基坑最近处约为70m左右。
北侧世纪大道下近基地侧管线主要有:污水450mm(距离基坑围护结构地下连续墙外边线最近处约14.61m),雨水1000mm等。



4、工程地质概况

根据上海岩土工程勘察设计研究院提供的《陆家嘴金融贸易区X2地块岩土工程勘察报告》(2004-G-231)所提供的资料,本场地的地质条件如下。

(1)场地地质条件

(2)地下水

1)浅层地下水

拟建场地浅部地下水属潜水类型,受大气降水及地表径流补给。勘察期间所测得的地下水静止水位埋深一般在0.70~1.50m之间。

2)深层承压水

本场地深部第⑦层是上海地区的第一承压含水层。该场地地层缺失第⑧层土,第⑦层承压含水层与第⑨层第二承压含水层相通,基坑开挖过程中需要采取措施按需分级降低承压水压力。

(3)不良地质现象

开挖深度范围内的第④层淤泥质粘土,为流塑状,对基坑稳定不利。

二、基坑支护设计

1、I区基坑支护设计

I区基坑面积约11000㎡,东、西宽约120m,南北长约102m,地下三层,采用明挖顺作法施工。I区开挖深度19.2m,低座酒店处开挖深度20.1m,中部地铁14号线车站开挖深度为27.136m,车站东端头井的开挖深度为28.5m。
图2为该工程基坑现场照片。

(1)、围护结构设计

根据基坑抗倾覆、抗隆起稳定性、抗管涌稳定性、基坑变形以及节约造价、经济合理的要求,确定基坑围护结构采用地下连续墙,二墙合一方案,墙底均采用后注浆工艺进行加固处理。地连墙接头采用柔性接头,为保证二墙合一的防水效果,回筑时地下墙内侧接缝处设置薄壁柱,开挖前在地下墙外侧的接缝处采用三根三重管高压旋喷桩加固止水。
I区基坑平面形状呈不规则多边形,有较多的拐角和斜边,考虑到土方开挖施工阶段基坑的整体稳定性和对浦东水厂、变电所和银城中路下立交等市政设施的安全保护要求,结合施工栈桥的布置方案,基坑围护结构采用1000厚的地下连续墙+钢筋混凝土支撑双向对撑布置的形式,以最大限度地控制基坑开挖及回筑阶段围护结构的侧向变形和坑周土体沉降。
I区基坑围护结构的布置:


采用1000mm厚地下连续墙、深度为36m(基坑开挖深度19.2m),λ=0.875,地下墙墙趾位于第⑦-2层粉细砂中。其中与I区临时分隔墙采用1000厚地下连续墙,深度为36m(I区基坑开挖深度23m,但皿区基坑开挖需待I区地下室结构出±0.00后实施)。
I区中部的局部落深基坑(地铁车站)其外墙与围护结构采用分离式结构,在距地铁车站外墙1000处另设800厚地下墙围护,墙深自I区基坑底向下15m,λ=0.78,墙趾位于第⑦-2层粉细砂中。地铁车站端头井部位地下墙采用1200厚,墙深48.0m,x=0.68,墙趾位于第⑦-2层土中。
车站标准段西侧与本基坑相交接处采用1200厚地下墙,深度为46m(开挖深度27.1m),λ=0.69,墙趾位于第⑦-2层土中。

(2)、支撑体系

因I区基坑平面呈不规划多边形,为严格控制基坑开挖及回筑期间围护结构的水平变形和坑周土体沉降对周边环境的影响,I区支撑体系采用竖向四道钢筋混凝土支撑,支撑形式采用井字型对称布置,受力明确,整体性好。钢筋混凝土支撑抗压强度高,变形小,刚度大,对控制基坑侧向变形、保护围护墙整体稳定具有重要作用。同时,第一道水平支撑可以兼作本工程的施工栈桥,方便施工车辆的运输和土方开挖工作,可极大提高施工效率,同时也降低了施工技术措施费用。I区支撑竖向布置详见图3.


I区基坑钢筋混凝土支撑具体布置情况如下:

第一道支撑中心标高-2.1m,截面为800mmx1000mm,圈梁截面为1000mmx1000mm.
第二道支撑中心标高-7.60m,截面为1000mmx1000mm,围檩截面为 1200mmx1000mm.
第三道支撑中心标高-12.1m,截面为1000mmx1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm.
第四道支撑中心标高-16.35m,截面为1000mmx1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm.
I区中部局部地铁深坑采用二道钢筋混凝土支撑,采用对撑布置。
局部地铁深坑处第五道支撑中心标高-19.10m,截面为1000mmx1000mm,临时顶圈梁截面为800mmx1000mm.第六道支撑中心标高-23.6m,截面为1000mmx1000mm,围檩截面为1000mmx1000mm.其中车站东端头井部位设第七道支撑,采用Φ609钢支撑,支撑中心标高为-26.6m。
图4、图5分别为基坑围护结构平面布置图和基坑支撑平面布置图。
图4中1-1剖面布置详见图3,Cx7、Cx20为地下墙侧向变形监测点位,监测数据详见图8、图9。

(3)、地基加固

I区西侧及南侧(邻浦东水厂和变电所侧)和东侧银城中路下立交侧坑内采用三重管高压旋喷桩作裙边分层加固。第一层加固厚度2.5m,位于第三道支撑底(第④层淤泥质土层中);第二层加固位于坑底以下2m至坑底以上1m范围,加固厚度3m.裙边加固土体宽度均为10m.中部地铁车站开挖至27~28.5m,因坑底土层已位于⑥层和⑦层土中,降水后土体侧向抗剪强度已有较大提高,经计算不作深坑内土体加固。但I区中部14号线车站端头井阳角处考虑到土体应力集中,为减少土体变形并结合今后盾构进出洞需要,此次基坑开挖加固综合一并实施,对车站端头井外侧6m宽土体进行加固,加固深度为第一道支撑面至坑底标高处。


2、II区基坑支护设计

II区基坑面积较大,单层面积达3.2万㎡,平面呈倒L形,基坑东西长度达270m,南北长度达180m.根据工程建设计划安排,II区结构施工需在I区和II区结构施工出地面后进行,故区基坑围护及支撑布置均避开与I区、II区相交接部分的侧边,以便皿区基坑边开挖边凿除皿区与I区,II区与II区临时中间围护墙,也便于回筑阶段各分区的地下室楼板、底板的连接。

(1)围护结构设计

III区基坑围护结构采用地下连续墙,二墙合一方案,墙底均采用后注浆工艺进行加固处理。


地连墙接头采用柔性接头,为保证二墙合一的防水效果,回筑时地下墙内侧接缝处设置薄壁柱,开挖前在地下墙外侧的接缝处采用三根三重管高压旋喷桩加固止水。
I区围护结构采用1000mm厚地下连续墙,深度在裙楼区域为40.0m,λ=0.74(开挖深度23.0m);在北塔楼区域为38.0m(开挖深度21.15m),λ=0.80.地下墙墙趾位于第⑦-2层粉细砂中。



(2)、支撑体系

I区的围护结构采用1000mm厚地下连续墙结构,钢筋混凝土支撑。整个基坑平面内基本采用一个升字型式的支撑桁架对撑布置,南端借用II区主体结构的楼板和柱作为桁架支点,通过在II区南塔楼(已先期建设)楼板和相应的柱、墙上设置临时混凝土支座,以保证该榀支撑桁架的受力平衡。在基坑的东侧、北侧和西侧基坑边均设置支撑边桁架和角撑以控制围护结构的侧向变形。



III区支撑布置还考虑到施工栈桥的设置和土方出土量较大的施工需求,支撑平面布置时留有较大较多的出土空间,可保证和加快土方开挖的进度,并有效地控制围护结构的变形。
同时,考虑到北塔楼的施工进度不受III区裙楼底板砼施工进度的影响和约束,支撑布置避开北塔楼的墙、柱等竖向构件,在塔楼和裙楼的底板混凝土浇筑施工结束后,塔楼可按自己的施工进度先期施工出地面并继续向上施工,尽早将塔楼结构施工封顶,从而可确保整个工程的建设工期按期完成。
III区支撑体系采用竖向五道钢筋混凝土,平面采用对撑桁架形式布置,同时留设多个土方出土空间,并且避让北塔楼的柱、墙等竖向结构构件。I区支撑竖向布置详见图6。
III区支撑具体布置情况如下:
第一道钢筋混凝土支撑中心标高-2.10m,主撑截面为1000mmx1000mm,次撑为800mmx1000mm,连杆为800mmX800mm,圈梁截面为1000mmx1000mm。
第二道支撑中心标高-7.6m,主撑截面为1200mmx1000mm,次撑为1000mmX1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm。
第三道支撑中心标高-12.40m,主撑截面为1200mmx1000mm,次撑为1000mmX1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm。
第四道支撑中心标高-16.40m,主撑截面为1200mmx1000mm,次撑为1000mmx1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm。
第五道支撑中心标高-20.00m,主撑截面为1000mmx1000mm,次撑为1000mmx1000mm,围檩截面为1200mmx1000mm。
支撑布置详见基坑剖面图。
为控制基坑变形,保护周边设施,垫层作底撑用,垫层厚度为200mm,采用C30早强混凝土浇筑。


(3)、地基加固

结合I皿区基坑各侧边的环境条件和基坑平面形状,相邻建筑以及延安路越江通道,地铁连接通道、出入口及银城中路下立交等设施的保护要求及变形控制值,皿区东、北、西侧采用高压旋喷桩作裙边分层加固,加固宽度10m.第一层加固自第三道支撑底,加固厚度为2.5m(位于第④层淤泥质土层中);第二层加固自第四道支撑底,加固厚度为2.5m(位于第④层淤泥质土层中);第三层加固自坑底下1m至坑底以上2m,加固厚度为3m。


三、计算理论及主要计算结果

1、计算理论

(1)、基坑支挡结构稳定性验算

利用圆弧滑动理论、库伦土压力理论等对基坑围护结构进行整体稳定、抗隆起、抗倾覆、抗管涌验算,以确定围护墙的插入深度。

(2)、考虑时空效应参数的杆系有限元计算

围护墙施工阶段沿基坑周边取单位长度采用杆系有限元法计算。地层的被动抗力采用弹性链杆代替,地层对墙体的作用采用一系列考虑时空效应的等效弹簧进行模拟。围护墙墙体位移的划分为梁单元,支撑为仅承受轴力的杆单元,考虑各施工阶段施工参数变化、影响,满足强度及变形控制的安全稳定性要求。
按“先变形、后支围护结构开挖阶段计算时计入结构的先期位移值以及支撑的变形,撑”的原则进行结构分析,并计算内部结构回筑阶段各工况的内力组合,最终的位移及内力值是各阶段之累计值。

(3)、基坑开挖卸载造成的周边环境附加变形的分析预测

为了较准确的预估基坑开挖卸载对周边环境产生的附加变形影响,以采取相应的保护措施,对基坑开挖引起的周边房屋及地下管线的附加变形影响进行了平面有限元计算分析。计算分析采用了平面弹塑性有限元分析方法,以便模拟基坑围护体系与土体间的相互作用,土体自身的弹塑性特点,以及实际开挖工况等非线性因素。


2、主要计算结果

(1)、稳定验算


(2)、基于时空效应施工参数的竖向弹性地基梁计算

通过考虑时空效应施工参数影响的杆系有限元法计算所得的墙体位移、弯矩见表3.


(3)、基坑开挖对周边设施造成的附加变形影响分析计算

经有限元计算分析,基坑卸载开挖对银城路下立交、延安东路越江隧道产生的附加变形影响的计算结果汇总如表4。



四、土方开挖与降水

1、土方开挖

基坑土方开挖应针对上海地区软土的特性应用“时空效应”理论,严格实行分层、分块限时开挖及浇筑支撑要求。

(1)、I区基坑

I区基坑平面呈不规则方形,土方开挖施工为盆式开挖,先开挖施工编号为1的中部土方,形成中部支撑,再按数字顺序依次限时开挖邻近围护结构的小分块土方,并立即施工该区域支撑,与已完成的中部支撑连接。总原则是应严格实行“分层分段、留土护壁、限时对称开挖”原则,先形成中部支撑,然后限时开挖分块土方及浇筑支撑,从每分块土方的开挖形成坑边支撑与中部已形成的支撑对接必须控制在24~36小时内,将基坑变形带来的周边设施的变形均控制在允许的范围内。
为控制I区中部地铁深坑的超深开挖对周边水厂、变电所及银城路下立交工程的影响,I区中部地铁深坑的土方开挖在I区底板砼浇筑完毕后再开始,此时I区的底板和地铁深坑的第五道支撑可形成地铁深坑类似逆作法的顶板结构,有效保证了局部超深坑的开挖对整个I区大基坑的整体稳定安全。


(2)、|||区基坑

|||区土方开挖和支撑施工,要求在I区和II区地下结构施工结束出地面后方可进行。
|||区基坑面积大,土方开挖量大,卸载大,为控制大体量土方卸载引起的坑内土体隆起而造成坑外土体的变形,保护延安东路越江隧道、地铁2号线出入口、通道及银城路下立交等市政设施的安全,I区第五道支撑形成后,底板施工结合施工后浇带采用分块开挖,分块浇筑底板。通过分块卸载再加载的施工方法,从而减少和控制因土体大体量卸载引起基坑内隆起坑外沉降,保护基坑周边的市政设施的正常安全运行。
具体开挖顺序为,先开挖中部编号为1的土方,形成中部支撑,再限时开挖邻近围护结构的1-1~1-3土方,并及时浇筑该区域支撑,与中部已完成的支撑连接;根据上述原则,再依次开挖施工编号为2和2-1~2-3的土方分块;然后开挖施工编号为3的土方分块,再开挖施工编号为4-1~4-6的土方分块;最后完成编号为5的土方分块。
基坑土方开挖分块示意详见图7。


2、降水

(1)、潜水降水措施

对于潜水,采用真空深井泵降水,每200㎡2左右设一口井,根据开挖工况地下水位必须降至开挖面以下0.5~1.0m.

(2)、承压水降水措施

根据地质资料,场地内埋深约29m左右以下的第⑦层土为上海地区第一承压水含水层,本场地地层缺失第⑧层土,第⑦层承压含水层与第⑨层第二承压含水层相通。根据上海市工程建设规范《基坑工程设计规程》计算,基坑底部土体抗承压水的稳定性安全系数K<1.05,不能满足规程要求,基坑开挖过程中,需采取措施按需分级降低承压水头。根据各层土方的开挖深度,分别验算各层土方开挖时承压水的要降深,尽量减少承压水的抽水量,减少抽承压水对周边环境的影响,以达到按需降水、分级控制的目的。

降水注意对周围环境有不利影响,除了提高止水帷幕(地下墙)的质量外,还对降水期间坑外水位的变化情况进行监测。

五、信息化施工及监测监控

1、I区基坑

该工程I区基坑工程于2008年2月顺利回筑到地面,±0.00以下地下室结构全部施工完毕。根据监测结果统计(截止2008.2.28),I区基坑南侧围护结构变形 48.19mm;I区地铁东端头井处地下墙最大变形为44.70mm,西侧标准段处地下墙最大变形为45.56mm;基坑围护结构侧向变形与考虑时空效应施工参数影响的杆系有限元法计算所得的墙体变形基本吻合,详见图8、图9。


I区基坑周边地面沉降最大变形为27.5mm;邻银城中路下立交处地面沉降最大变形为26.5mm,邻浦东水厂处地面沉降最大变形为24.0mm.基坑的变形控制满足了周边环境设施的保护要求。



2、|||区基坑

该工程皿区基坑于2008年12月顺利回筑到地面,根据监测结果统计,基坑开挖完成后围护结构变形基本为50~60mm;基坑周边地表最大沉降约15~25mm。


六、结语

上海陆家嘴金融贸易区X2地块发展项目基坑工程开挖深度深、面积大,基坑形状极不规则,多个相邻分区同步实施、交叉施工,场地周边环境复杂,基坑的安全保护等级高,同时该项目与14号线地铁车站共建开发,设计施工难度高。针对上述工程特点,通过选择合理的支护结构体系和对相邻分区同步开挖回筑交叉工况的设计控制,以及选择合理的与各个分区围护结构的连接措施,既保证了基坑及周边环境的安全,也保证了工程的经济合理性。至2009年5月本基坑工程和地下主体工程全部完成。监测结果和工程实施证明,本基坑工程的围护结构和支撑体系方案使用效果良好,围护结构变形、坑外地面沉降、支撑及墙体内力等均控制在容许范围内。通过精心设计和信息化施工,基坑大面积、大体积土方开挖卸载未对周边的地铁车站、越江隧道、城市下立交等市政设施造成不良影响,合理的施工筹划为I区的低座酒店及14号线地铁车站共建、II区南塔楼施工、|||区北塔楼施工提供了便利条件,设计方案安全、经济、且合理有效。



作者:贾坚  刘传平  谢小林  肖忠华  翟杰群(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司)

本文仅供学术经验分享之用

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