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上海仁济医院地下车库房基坑工程

390 2021-01-14 08:57:41


一、工程概况

1.工程概况


上海浦东仁济医院地下车库及辅助用房主体结构为一幢4 层(局部5层)的辅助用房、设置二层地下车库;基础采用桩筏基础,工程桩均采用预制方桩。工程基坑面积约为 1100m²、基坑普遍区域开挖深度为 10.40m,局部深坑开挖深度 11.75m,本工程属大型深基坑工程,基坑保护等级为一级。


2.环境概况


本工程位于浦东新区仁济医院内,北侧为医院院区待建空地;东侧为 4 层医师宿舍,采用条形基础结合沉降控制复合桩基,桩基为 200mm×200mm的预制混凝土方桩,桩长 16m,进入第⑤层,医师宿舍与基坑的最近距离约为 15m,该侧存在较多的医院内部管线,主要有电力、污水、消防、弱电电缆及氧气管线;基坑南侧为仁济医院干部保健综合楼,干保楼设置一层地下室,采用桩筏基础,与本工程地下室最近距离约为 10m; 基坑西侧为交通主干道临沂北路,道路下埋设有较多的市政管线,主要为电话线、供电管线、煤气管线、自来水管等。


总体来讲,本基坑工程周边环境较为复杂,重点保护对象为基坑东侧医师宿舍、医院内部管线、市政道路及市政管线。在基坑支护结构设计及基坑施工工程中需采取针对性的保护措施。基坑周边环境见图 1。


二、工程地质及水文地质概况

1. 工程地质概况


拟建场地地貌形态为上海地区滨海平原地貌类型,本次勘察所揭露的 45.0m 深度范围内的地层主要由粘性土、粉性土及砂土组成。基坑开挖深度范围内主要以③淤泥质粉质粘土与④淤泥质粘土为主,该两层土对基坑工程影响比较大,均星流塑状态且压缩性大,具有明显触变及流变特性,在动力作用下土体强度极易降低。场地南侧局部区域有少量暗浜分布,对围护桩施工有一定的影响,应采取有效措施确保围护体施工质量。场地内第③夹层为粘质粉土,基坑开挖时,易产生流砂、管涌现象,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。


2.水文地质概况


拟建场地内地下水主要为潜水与承压水 潜水主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,高水位埋深为0.5m,低水位埋深为1.5m,设计时按不利条件采用 第 t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3.0m〜11. 0m,在勘察期间, 7-1层层顶埋深最浅位置约为27.4m,按最不利的承压水埋深3.0m计算,承压水安全系数>1.05,第 7层承压水对基坑开挖无影响场地内土层的力学性质及水文地质参数如表1所示。


三、基坑支护结构设计方案

1. 工程特点与难点


从基坑工程的规模、主体结构的特点、土层地质条件来分析,本基坑工程具有如下几个特点:


(1)本工程基坑面积约为 10900m²,普遍区域开挖深度 10.4m,属大型深基坑工程,高地下水位软土地基中开挖此类基坑具有一定的风险性。


(2)基坑开挖深度范围内涉及的土层基本上均为软弱的粘土层,其中第③层淤泥质质粘土、第④层淤泥质粘土对基坑工程影响比较大。


(3)基坑周边环境较为复杂,医师宿舍、医院内部管线、市政管线等均为需要保护的对象,对基坑工程的变形有一定的控制要求。


(4)基坑面积较大,大面积基坑工程围护方案的选型至关重要,不同的围护方案工阴与造价差异很大,如何在满足基坑安全的前提下提高经济性成为本基坑工程设计的主要问。


2. 基坑支护总体设计方案


结合基坑工程的特点及周边环境条件,本基坑工程采用板式支护体系结合坑内支撑的围护形式。


基坑周边围护体采用"排桩+止水帷幕"或"型钢水泥土搅拌墙(SMW 工法桩)"在技术上均是合理、可行的。钻孔灌注桩结合止水帷幕作为一种成熟的工法,其施工工艺简单、质量易控制,施工时对周边环境影响小,在上海地区应用广泛。SMW 工法桩即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止水结构。内插型钢可在基坑施工完成后回收利用,在基坑工程施工工期相对较短时具有明显的经济性优势。相对钻孔灌注排桩结合止水帷幕,SMW工法桩所需占用的围护体空间相对较小,在围护体施工空间相对较小时具有一定的优势。本工程普遍区域采用钻孔灌注排桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为基坑围护体;基坑西南侧局部区域由于电力管线与基坑地下室距离较近(约为2. 〜3. Om),该侧采用SMW工法桩作为基坑围护体。


基坑内竖向设置两道钢筋混凝土支撑体系,采用对撑 角撑相结合边桁架的方式布置,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 图2为围护结构平面布置图。


3.基坑周边围护体


普遍区域基坑开挖深度为10. 4m,集水井深坑区域开挖深度11.85m。经计算普遍区域围护体釆用^900mm@ 1100mm钻孔灌注排桩,插入深度12.0m,有效长度20.75m,见图3;贴边深坑区域围护体采用850mm@1150mm钻孔灌注排桩,插入深度14.0m,有效长度24.10m,见图4 钻孔灌注排桩围护体外侧止水帷幕一般可选用双轴水泥土搅拌桩或三轴水泥土搅拌桩 由于场地浅层土体普遍含有第 夹层为粘质粉土,考虑到基坑工程的止水可靠性,周边采用单排三轴水泥土搅拌桩作为止水帷幕 止水帷幕采用龙50mm@600mm三轴水泥土搅拌桩,插入普遍区域基底以下6. Om,有效长度为16.20m。由于浅层土体含有第 夹层为粘质粉土.为确保止水帷幕的止水可靠性,防止在基坑开挖间排桩与止水帷幕间的土体流失,在钻孔灌注排桩与三轴止水帷幕间设置压密注浆,注浆间距同钻孔灌注排桩桩距.注浆深度同三轴水泥土搅拌桩止水帷幕 图5为普遍区域围护结构剖面图。


基坑西侧紧邻基坑边存在电力管线,电力管线与地下室距离约为2.0〜3.0m之间,考虑地下室外墙与围护体间需留设的操作空间,留给围护体的空间仅有约1.5〜2.5m,若采用与普遍区域相同的围护体形式,则三轴水泥土搅拌桩止水帷幕将与电力管线相冲突在电力管线与基坑边距离为2. 〜2. 5m区域考虑在三轴水泥土搅拌桩内套打钻孔灌注排桩的做法,图6和图7分别为基坑西侧普遍区和集水井贴边区域围护体节点详图 该做法有效的解决了电力管线与基坑边距离较近的问题,保证了电力管线的正常使用 钻孔灌注排桩和三轴水泥土搅拌桩的规格尺寸同普遍区域围护体 图8为基坑西侧围护结构剖面图。


基坑西侧电力管线与基坑边距离为1. 5〜2. Om区域考虑采用SMW工法桩作为基坑围护体 普遍区域围护体釆用©850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩内插H700X 300X13X24型钢,型钢满插布置,搅拌桩和型钢插入深度分别为11. 5m和U.Om;集水井深坑区域搅拌桩和型钢插入深度分别为14.5m和14.0m・围护体节点详图详见图9 图10图11为基坑西侧围护结构剖面图。


4.水平支撑体系


基坑竖向设置两道钢筋混凝土支撑•钢筋混凝土内支撑可发挥其混凝土材料受压承载力高 变形小 刚度大的特点,对减少围护体水平位移,并保证围护体整体稳定具有重要作用 支撑采用角撑 边桁架结合对撑的布置形式 通过对撑的设置基本上控制了基坑中部围护体的变形,角部位置通过没置角撑的方式进行解决-増加角部支撑刚度,有利于控制基坑角部变形 该布置形式,各个区域的受力均很明确・且相对独立,便于土方分块开挖 同 时,第一道支撑的对撑位置又可作为基坑施工过程中挖土 运土用的栈桥,方便了施工,降低了施工技术措施费用 钻孔灌注桩顶部设置压顶圏梁兼作为第一道支撑的围標,竖向两道钢筋混凝土支撑杆件截面尺寸及中心标高如表2所示,支撑平面布置见图1。


5. 立柱和立柱桩


土方开挖期间需要设置竖向构件来承受水平支撑的竖向力,本工程中釆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 临时钢立柱釆用由等边角钢和缀板焊接而成,截面为460mmX460mm,角钢型号为Q235B,钢立柱插入作为立柱桩的钻孔灌注桩中不少于3m。栈桥区域角钢规格为4L160mmX16mm,支撑杆件密集交汇处釆用4L140mmX 14mm,其余区域采用 4L125mmX 12mm。


由于本工程主体结构工程桩采用预制方桩,因此临时支撑立柱桩全为加打,并避开主体结构预制工程桩 栈桥区域加打立柱桩桩长27m,支撑杆件密集交汇区域立柱桩桩长24m,其余区域立柱桩桩长20m,桩径均为仞00mm,顶部4m范围内扩径至800mm。钢格构立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。


6. 地基加固


为了减少基坑开挖过程中对周边环境的影响,在东侧 南侧和西侧对坑内被动区土体釆用700@500双轴水泥土搅拌桩进行加固,以提高坑底被动区土体抗力,减小基坑变形,保护周边环境 双轴水泥土搅拌桩呈格栅式布置,宽度为5. 2m,深度范围从第二道支撑底部至基底以下4.0m。基坑开挖面以上水泥掺量为8%, 开挖面以下水泥掺量13%被动区加固于围护桩间空隙采用压密注浆填充,顶底标高同被动区加固坑内局部落深处(电梯井 集水井等)采用双轴水泥土搅拌桩进行加固,加固体水泥掺量13%。


四、施工工况


土方开挖及地下结构施工工况如下∶


STEP1∶场地平整.打设基坑周边围护结构和止水帷幕.进行基坑降水;


STEP2∶ 开挖至一2.300 标高,浇筑压顶梁及第一道钢筋混凝土支撑;


STEP3∶待压顶梁及第一道钢筋混凝土支撑达到设计强度的80%,盆式、分区、分块开挖至-5.000 标高;


STEP4∶盆式、分区、分块开挖至-7.750m标高,浇筑第二道钢筋混凝土支撑; 


STEP5;待第二道支撑达到设计强度的80%,分块开挖至基底.及时浇筑垫层和基础底板;


STEP6∶待基础底板达到设计强度的 80%后,拆除第二道支撑; 


STEP7∶浇筑一5.850m标高位置的地下一层结构梁板、并设置换撑板带 


STEP8∶待地下一层结构梁板达到设计强度的80%,拆除第一道支撑; 


STEP9∶施工地下首层结构梁板.待顶层结构梁板达到设计强度,密实回填操作空间。


:Q1Q21护顶部变形监测点;P01-P09围护结构侧向位移监测孔SW1SW7坑外潜水水位观测孔L1L8立柱桩垂直位移监测点;Zi-1Zi-8支拌轴力监测点;H1-H5讯管线变形监测点;R1R8氣气管线变形监测YY13水管线变形监测点;S1S19上水及消防管线变形监测点D1-D11电力电缆变形监测点MlM9煤气管线变形监测点F1F64周边建筑物垂直位移监测点


五、现场监测


由于本工程为一级基坑,基坑周边环境较为复杂,周边管线众多,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)钻孔灌注桩垂直和水平位移;

(2)钻孔灌注桩桩身测斜;

(3)支撑轴力监测;

(4)立柱的水平和竖向变形;

(5)邻近地下管线的水平位移及沉降;

(6)邻近地面建筑物、构筑物的沉降、倾斜、裂缝;

(7)周边道路路面沉降;

(8)坑内外地下水位∶测点平面布置图如图 12 所示。


六、主要监测结果分析


1.围护体(包括地下连续墙与钻孔灌注排桩)侧向位移


从图 13可见,钻孔灌注桩侧向位移随基坑开挖深度和时间的增加而逐步增大。由监测数据可知,围护体最大变形均发生在开挖面位置,P01孔最大侧向位移为-62.3mm, P06 孔最大侧向位移为一72.6mm,P09孔最大侧向位移为-60.3mm。


2. 支撑轴力测试

本工程第一道支撑架设时间为2009年1月10号,第二道支撑架设时间约为2009年3月15日∶第二道支撑拆除时间约为2009年5月5日,第一道支撑拆除时间约为2009年6月5日。图13为第一道支撑和第二道支撑轴力随时间的变化曲线。从轴力曲线的整体变形趋势看,支撑轴力随基坑开挖深度的增加而增大。开挖至基底后,随着基础底板的浇筑。支撑轴力有减小的趋势。ZC-! 和ZC7的轴力相对较大,表明支撑体系中对控杆件的受力要大于边桁架杆件的受力。


3.坑外建筑物(医师宿舍)沉降


医师宿舍距离基坑边约15m,图14为基坑东侧医师宿舍各测点沉降随时间的变化曲线,从图中可以看出随开挖时间的增加,沉降越来越大;邻近基坑位置的测点沉降较远离基坑的测点大。基坑开挖至基底过程中,邻近基坑边的建筑物沉降监测点最大沉降约为23.51mm、远离基坑侧建筑物沉降监测点最大沉降约为5.12mm,基坑开挖引起的建筑物差异沉降为18.39mm,基坑开挖未对建筑物产生结构性的破坏。


七 小结


上海浦东仁济医院地下车库基坑周边环境较为复杂,除基坑东侧医师宿舍 基坑西側临沂北路需保护外,基坑周边的众多市政管线及医院内部管线也需重点保护。基坑开挖深度范围内主要以淤泥质粉质粘土与淤泥质粘土为主,该两层土力学性质较为软弱,均呈流塑状态且压缩性大,具有明显触变及流变特性。在动力作用下土体强度极易降低,结合基坑特点及水文地质特点,本工程采用常规顺作法施工方案,基坑周边围护体采用钻孔灌注排桩结合三轴水泥土搅拌桩止水帷幕,局部区域围护体采用SMWI法桩,坑内竖向设置两道钢筋混凝土支撑.采用钻孔灌注桩结合角钢格构柱作为临时支撑的竖向支承体系 基坑开挖过程进行了全过程的监测,监测结果表明,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,基坑工程的设计较好地保护了的周边环境,取得了较好的经济效益和工程效益 该工程的设计和实施可作为同类基坑工程的参考。




感谢供稿作者:

王卫东、陈畅、宋青君

(华东建筑设计研究院地基基础与地下工程设计研究所)

王建华(上海交通大学土木工程系)