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上海浦钢搬迁炼钢连铸机基坑工程

403 2020-11-27 11:13:36

一、工程简介及特点

浦钢搬迁是为迎接2010年世博会动迁工程之一,是上海市“十一五”重点工程建设项目。炼钢连铸机基坑是软土地基上建造的国内第一个立式垂直连铸基坑,在软土地基上建造如此深的连铸机基坑尚属首次。
基坑平面呈筒状,直径为18.6m,开挖深度31.20m,采用厚1.0m的地下连续墙围护结构与0.8m厚逆做内衬组成的整体复合墙体,为“两合一”墙,地下连续墙平面布置成正“24”边形,墙深51.0m,地下连续墙入土系数0.59.该基坑工程突出特点有:
1.地下连续墙成槽最深达51.0m,且基坑最大开挖深度为31.20m,为同类工程中最深的基坑工程之一。
2.工程所处位置上部3~7m厚的杂填土夹杂着大量的杂物,尚有大量老厂房的基础及桩基未拆除干净,对地下连续墙施工增加了难度,也会给基坑开挖带来安全隐患。
3.充分利用圆形围护结构整体刚度大,径向变形小的特点,基坑采用“半逆作法”施工。整个基坑开挖期间不设支撑,为土方开挖和结构施工创造了较大的施工空间,能提高功效和缩短工期。
4.承压水对基坑安全影响大,由于基坑底部覆土自重小于第三层承压水头压力,需降低承压水压力以防基坑产生突涌,并通过对承压水有效控制尽量减小对环境的影响。

二、工程地质条件

根据工程地质资料,施工场地的自然地坪绝对标高在+4.50m左右,其表层为杂填土及素填土,层平均厚约3.48m,该土层成分复杂、松散、均匀性差;②层为粉质粘土,层厚0.6~2.6m不等;③-2层粘质粉土层厚1.4~5.10m不等,③-3层为淤泥质粉质粘土,层厚1.0~5.5m不等;④层为淤泥质粘土,层厚8.0~13.6m不等;⑤-1、⑤-3层为粉质粘土层,层厚1.3~13.6m不等,⑤-2层为砂质粉土层,层厚0.9~10.0m不等;⑦-1层为砂质粉土层厚1.6~7.8m不等;⑧-1层为粉质粘土,层厚16~24.4m不等,地下连续墙进入⑧-1层粉质粘土。

根据水文地质勘察报告,场区内有潜水~微承压水和承压水两种类型。潜水~微承压水主要赋存于①1-1浅层杂填土(潜水)、③-2粘质粉土层(微承压水)中,稳定水位埋深约0.40~2.80m,相当于吴淞高程2.27~4.55m,地下水主要补给来源为大气降水。场地内有三层承压水,第一层赋存于砂质粉土⑤-2层中,其相对隔水顶板为③-;层淤泥质粉质粘土、④层淤泥质粘土和⑤-1层粉质粘土;第二层赋存于砂质粉土⑦-1层中,其相对隔水顶板为⑤-3层粉质粘土,承压水静水位标高为-0.07m;第三层赋存于⑧-2、⑨层土中,其相对隔水顶板为⑧-1层粉质粘土,承压水静水位标高为-3.65m,这三层承压含水层水量丰富,水头高,其水位受区域水文地质条件控制。


三、基坑周边环境


受外方合同和图纸的影响,考虑整个工程进度计划,连铸机基坑开挖在连铸区厂房安装完毕后进行,基坑开挖和承压水降水期间对周边环境影响的控制是一个关键。

在垂直连铸机基坑开挖期间,不仅连铸区厂房已建成,连铸基坑周围的其他基础设施建好,尤其是厂房内的20~90t多台行车已经投入使用,行车对柱基的不均匀沉降非常敏感,不均匀沉降要求控制在δm≤20mm以内,是基坑开挖期间的重点保护对象。


四、基坑加固


  1. 地下连续墙槽壁加固


场区范围土层复杂,尤其是工程所处位置上部3~7m厚的杂填土夹杂着大量的杂物,尚有大量老厂房的基础及桩基未拆除干净,且地下连续墙单幅施工时间长,为确保槽壁在长时间成槽过程中的稳定,并为下道工序施工提供充足的安全操作时间,避免因槽壁坍方对后续工序造成不良影响,对地下连续墙两侧的土体进行注浆加固,予以改良土体性能。

根据多项工程的实践经验,采用劈裂注浆加固法,这种方法工艺简单适用,加固速度快,既能改良土体强度,又不影响成槽的速度及垂直度,具有良好经济效益。


2.接头处旋喷桩加固

地下连续墙采用预制榫式接头,是国家专利技术产品,具有接缝质量好,能简化施工工序,提高功效等特点。但是,由于地下连续墙深达51.0m,质量隐患难以预测,且基坑开挖范围内穿越上海第一层承压含水层(⑤2),基坑开挖面距离第二层承压含水层(⑦1)顶面不足4.0m,一旦地下连续墙接缝出现渗漏,势必对基坑和周边环境的安全构成威胁。
每个槽段间接缝处外侧各布置两根高压旋喷桩,旋喷成桩直径1000mm,旋喷桩中心距800mm,加固深度为-10.0~-36.0m,加固至开挖面下4.0m.水泥用量450kg/m3,采用新二重管施工。基坑开挖过程中接缝止水整体上比较好,个别渗漏处采用旋喷桩加固处理,没有影响结构施工和基坑安全,接头处旋喷桩加固见图1.

由于第一层(⑤2砂质粉土)、第二层(⑦1砂质粉土)承压水采取地下连续墙、接头高压旋喷侧向止水帷幕对其隔断,对基坑不会产生大的威胁。第三层承压水位于⑧2粉质粘土夹粉土粉砂层、⑨1-1砂质粉土层、⑨1-2粉细砂层中,稳定水位标高-3.65m,承压含水层顶板标高按平均值为-56.59m,水头高,压力大,水量丰富,将会威胁基坑的安全。

ro-基坑折算半径(取值21.0m).

将上述参数代人公式(2),Q=2540m3/d,根据计算所得到的基坑涌水量,如果单井抽水量设计为40m3/h,则共需井数为3口。根据有关规范,结合地区经验并考虑到地下水位的季节变化,设计采用4口降压井(正常运营3口+1口备用)。

3.减压井布置与构造
基坑外围3.5m布置4口减压井,其中备用1口。抽水井开孔、终孔直径均为700mm,深76.69m,井管直径273mm,井壁厚8mm;圆孔式过滤管12m,过滤管位于⑧2~⑨1层,为非完整井(埋深62.69~74.69m),孔隙率不低于20%.自孔底至孔深58.69m环填粒径0.5~2.0mm的人工砂,以形成良好的过滤层,在58.69~53.69m深处先环填5.0m粘土球封孔以避免上部潜水漏入井内,尽可能控制降水引起的地面沉降,其后填粘土至孔口,以进行管外封孔。观测井2个,深69.69m,直径350mm,井管直径108mm,井壁厚4mm,过滤管长5m(埋深63.69~68.69m).

4.降水运行控制
由于连铸区大型厂房已建成,尤其是厂房内的20~90t多台行车已经投入使用,对柱基的不均匀沉降比较敏感。在满足基坑开挖阶段减压要求的同时,通过严格控制抽水量及缩短抽水时间,减小了对周围环境的影响。

在基坑开挖过程中,随着开挖深度的增加逐步降低承压水水头,施工中根据不同的开挖深度动态的控制承压水水头,根据理论计算和抽水试验,承压水降水从第四层(-20.5m)开挖时开始降水,并分批分阶段启动,实际承压水水头与土方开挖面标高控制线如图5.


在整个基坑开挖过程中,承压水处于受控状态,没有出现基坑突涌现象,也没有对基坑周边环境造成影响,尤其对多台已投入使用的行车没有造成影响。

七、基坑监测结果分析

在基坑开挖过程中,对基坑及周边环境进行了系统全面的跟踪监测,主要包括墙顶位移、墙体位移、深层土体位移、水位、墙体应力、孔隙水压力、基坑回弹以及周边环境的监测,基坑监测平面图见图3.

1.地下连续墙墙顶沉降

在地下连续墙顶设4个沉降观测点,4点代表基坑的四个方向,并且在压顶圈梁浇筑完成后于2007.7.22开始进行沉降观测,顶圈梁在整个基坑开挖过程中存在一个波浪式下

降趋势。从2007.11.1开始承压水降水以来,随着水位的不断下降,变化速率逐渐增大,从变化曲线来看,抽水期间墙顶沉降量占总沉降量67%,抽水期间日平均沉降速率<1mm/d,各测点之间的差异沉降很小,直到2008.1.30日底板施工完毕,且在底板混凝土强度达到80%后分批分时段停止抽水。随着抽水的停止,水位迅速恢复,并出现明显的回弹趋势,回弹量累计达8mm左右,随着水位的稳定,上抬的速率越来越小,并逐渐稳定,墙顶沉降变化曲线见图6.


2.周围柱基的沉降
在基坑开挖过程中对连铸区已建厂房柱基进行跟踪观测,尤其在基坑开挖的后期,也就是在承压水抽水阶段,四周的基础设施基本建好,图7为周围柱基沉降变化曲线图,由于在承压水抽水之前,围护结构的侧向位移变化不大,δm≤10mm,因此,所引起的周环境的变化和地表沉降变化不是很明显,本曲线反映是降水前后周围柱基的变化趋势。

从曲线来看,随着水位的不断下降,沉降速率走势比较平缓,没有出现陡降,
日变化速率8m≤2mm,累计沉降最大值om≤12mm.随着抽水的停止,水位迅速恢复,并出现明显的回弹趋势,随着水位的稳定,上抬的速率越来越小,并逐渐稳定。

从曲线还可以看出,距离基坑边缘近的柱基沉降略大些,但各点间差异沉降om≤5mm,说明由于降水引起的承压水降水漏斗比较平缓,对建筑物的差异沉降不会影响其安全性,且抽水结束后大部分可以回弹。监测表明,基坑开挖及降承压水期间对多台已经投入使用的行车的影响在设计要求的控制指标范围内。

3. 墙体变形监测
由于圆形基坑开挖基本遵循了设计要求的“对称、均衡、分层”的原则,因此各测点的变形比较协调,变化规律基本一致。至基坑开挖结束时,无论垂直方向还是水平方向的变形数据均比较接近,最大变形12mm,在一定程度上保证了整个圆形基坑的均衡受力。

4.墙体内钢筋应力监测
沿圆形基坑设置4个断面测试钢筋应力,4个断面比较均匀分布在基坑的四个方向,每个断面分别在-20m、-28m、-36m、-41m处安装纵向、横向钢筋应力计,每个断面共安装16个。根据监测报表,4个纵向断面钢筋应力最大值都发生在-36m处,最大应力值70MPa,最大应力远远小于筋屈服强度值,对于优化设计具有一定的参考价值。

八、结束语

1.监测结果表明:圆形围护结构具有整体刚度大和径向变形小的特点,对基坑变形控制具有相当出色的表现,直径越小拱效应越明显,到基坑开挖结束时,最大变形12mm,相对变形在0.04H%左右,是一种较为经济合理的地下空间结构型式。
2.采用深井减压降水的方法是解决基坑开挖中承压水问题的最有效的手段,这种方法既经济减压效果又好,而且通过“按需降压”的理念,动态控制承压水,对周围环境的影响是可控的。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范(GB 50007-2002).北京:中国建筑工业出版社,2002
[2]中华人民共和国行业标准.建筑与市政降水工程技术规范(JGJ/T 111-98)北京:中国建筑工业出版社,1998

[3]张具寿.32m深基坑施工中承压水控制及对环境的影响.岩土工程工程学报,2008(10):310-313


作者:张具寿   范作锋(中国二十冶建设有限公司)

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