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上海外滩基坑开挖施工实例

377 2021-05-06 10:29:27

外滩京城是上海开埠以来最大的国际级商业中心,它位于上海市中心———北京东路上(即71 号地块),占地面积23850m2,建筑面积213376m²,由二幢各 31 层塔式大楼、五~八层相互连接的裙房和地下二层车库组成。

-一、工程及围护结构概述(一)工程概况

外滩京城大厦工程地处闹市中心,周边道路非常狭窄,交通繁忙,车流量大,施工场地十分狭小。本工程分二期进行。第一期工程基坑占地面积13000m²,呈不规则形状的"L"形平面布置,基坑深—12.5m,局部为一14.25m,围护结构体系采用钢筋混凝土支撑形式,钢筋混凝土量为 6000m²,基坑挖运土方共计 15.5 万m³,二层地下室混凝土量总计 5.8 万 m2。其中底板钢筋混凝十为3.2万m°.其工作量均可列目前上海深基础工程之前茅。

(二)围护结构形式与土层地质情况

外滩京城大厦地下室为二层,在其周边施筑的地下连续墙既作基坑围护又作地下室外壁之用,在一、二期工程分隔部,采用钻孔灌注桩作临时围护,其支撑采用三道围檩二道支撑,在二道支撑之间留有挖土和运输机械工作的净空,支撑形式采用搭角斜撑和栈桥式对撑,栈桥上行走施工用塔机,基坑底四周的局部加敛水泥土搅拌桩加固,属典型的软土地基。

(三)支撑设计的思路

本基坑南北宽110m,东西长197m,为不规则的"L"形平面,基坑占地 13000 余m²。该地下连续墙厚80cm、深,24m,在其深度方向原准备设三个支撑点,中心标高分别是一1.95m,—4.95m 和一7.95m。但如按上述标高设计三道支撑,支撑间的净空高度很难大于 2.2m,无法满足机械施工的要求;要是增加运土栈桥,施工费用又十分昂贵。经过反复的前提下,创造出一、二道支撑问有 4.5m 的净空,解决了运输车进人基坑的关键问题。

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土方挖运的平面流向按土方工程特点和支撑布置,分四个流水段,从南向北,从西向东分区进行作业,先挖掘A 作业区,然后挖掘 B 作业区,同时进行 A 区钢筋混凝土支撑施工;冉挖C作业区,同时进行 B 区钢筋混凝土支撑施工;在C 区作业施工的适当时候插入 D 区作业,钢筋混凝土支撑施工紧跟其后,当 B 区钢筋混凝土支撑具有一定强度时,A 区第二次挖掘工作开始,第二次挖土流向和第一次基本相同。如此重复至第四次挖土结束(各区位置见图1l.3-1)。

土方作业的竖向布置,依次为第一次挖土挖至一道支撑底,完成一道支撑,此时运输车在地表面行走;第二次挖土挖至第二道支撑和"Y"形节点上枝部分,完成二道支撑和"Y"形节点上支叉的混凝土浇筑。车辆在一道支撑上行走;第三次挖土挖出"Y"形节点下枝,再完成"Y"形节点的下支叉。车辆在二道支撑面行驶;第四次挖土挖至坑底,车辆在第二道支撑面行驶,二道支撑面和地面间用1∶8坡度的车坡道连接(图 11.3-1 及图 11.3-2),使车辆可从场外直驶至第二道支撑面。

三、结论

大型深基坑工程在二道支撑间创造运输机械工作净空,让卡车开入基坑内,对提高挖十机械的效率,加快挖十进度、减少围护壁变形,是一-个十分可取的方法。

11.3.2 万都大厦采用 92m 直径曲线刚架支撑结构的挖土施工

近年来我们探索研究了闭合曲线刚架支撑结构在十方开挖施工中的应 用,取得了显著的经济效益和社会效益,使施工速度大大加快,周边环境得到很好的保护。

一、工程概况

万都大厦工程位于上海市虹桥开发区的繁华地段,仙霞路与遵义路交会处。东西两侧紧邻协泰中心与太阳广场,面向太平洋大酒店与新世纪广场。本工程基地面积为1.5 万m²,基坑开挖面积为1.25 万m²,周长为476m,东西长为 137.8m,南北宽为l12.3m,平面呈不规则形状。地下室占地面积1.21 万m²,主楼埋深12.8m²(不包括电梯井)于基坑偏西侧,裙房埋深为10.3m,地下两层全部联通,地下室合计面积为 2.4万m²。土0.00 以上由高为 215m 的 54 层主塔楼及4 层以下裙房组成。

本工程仙霞路—侧,沿基坑边2-3m 范围内有φ300 煤气管-根,沿红线边有地区电源动力线及通讯电缆各—根,西侧坑边也有新铺φ150 煤气管—根,增压站一座,所有临近道路均为新区主干线,车辆繁忙,西边又与同时开工的新世纪广场地下车库相距仅 3m(深为 8.5m)。因此,保护周围道路,确保各类管线的安全使用及相邻两深基坑的施工安全性,是本工程支护设计与施工中必须处理好的重要方面。

该工程所处地质为典型的上海软土地基,以粉粘土及淤泥质粘土为主,渗透性极大。万都大厦深基坑的支护系统采用钻孔灌注桩作围护壁,桩径种类分别为μ850,桩长 22.7m,φ950;桩长 22.7m; 刺050,桩长26.7m 等3种规格。采用二道闭合曲线(圆型)刚架支撑,直径为 92m,其中圆型环梁断面1.8m×lm,腹杆断面(0.8×1)m,围檩断面 1. 2m×1m,配筋率在 1%左右。

二、支撑结构的设计思路

在同济大学设计的华侨大厦深基坑施工首创的直径为 49m 的钢筋混凝土圆环内支撑获得成功,并推广应用,尔后在基坑垂直方向上由一道发展为两道,圆形支撑直径也由 50m逐步扩大,个别已超过 80 余m 的基础上。本工程的重点研究;(1)探索直径超 90m 后的封闭折线型刚架构件理论计算与实际受力是否一致,在计算方法上有新的突破。(2)超大直径封闭折线型刚架支撑在不同工况的土压力作用下,其几何可变性如何?研究不同直径的圆型支撑的刚度、变形机理,揭示其受力性能与直径的关系,便于在超大直径封闭折线型刚架结构的应用技术上有新的突破。(3)上、下两道同时应用超大直径封闭折线型刚架支撑,对周围环境变形影响及施工安全性的监测,实践,在深基坑内支撑形式的选型优化方面获得突破。(4)作为传递土压力的边刚架采用窄腹刚架,探索其整体刚度影响程度及可靠性,在方便施工,减少支撑投资方面有所突破。(5)两道环形封闭折线型刚架支撑挖土施工方法及其与支撑施工的关系。

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开挖施工的条件,探索在时空效应理论指导下挖土、支撑的施工方法。

一、土的流变特性和基坑支护结构优化(一)流变性及流变学

士的流变性是指土的性质随时间变化而发生变化的特性。土的流变性主要包括弹性后效作用、松弛、蠕变、流动等。弹性后效作用是指土体的弹性变形随时间而变化;松弛是指上体在固定的变形下,即不随时间变化而应力逐渐减少的现象;蠕变是指土的总变形随时间逐渐增大;流动是指土的变形随时间的增长不消失的现象;强度指应力随应变加大直至破坏的现象。

流变学研究的主要内容有;(1)静态过程中的蠕变与应力松弛;(2)蟠变断裂或蟠变破坏;(3)变形与破坏强度的加载率(或应变率效应);(4)疲劳;(5)环境对长期变形及破坏的影响。

(二)蠕变理论及蠕变的破坏过程

蠕变理论的本质是研究时间效应,即考虑历史上的应力、变形或温度变化,对材料目前或往后力学性态的影响,即后效作用。常用的方程有固态方程、老化理论、流动理论等。

土的蠕变破坏过程可分为三个阶段。第一阶段是加荷后首先发生的蠕变,由于土的粘聚力具有粘滞性,其承受的剪应力引起蠕变,随着工程发生不间断的缓慢变形,内摩擦力所承受的剪应力逐渐加大,粘聚力承受的剪应力则逐渐减少,蠕变的速率也随之减慢;第二阶段由于内摩擦力已完全发挥作用,粘聚力承受的剪应力不再减少,蠕变的速率也不再减慢,此时土体以不变的速率持续发生蠕变;第三阶段由于蠕变速率较高(这是由剪应力决定的),最终导致土体破坏。

由于蠕变的发生导致上的强度降低,从而导致土体的蠕变破坏,蠕变所需的时间取决于应力水平,如果应力水平较小,则不会发生;否则,破坏时间缩短。

根据土的流变特性和本工程的平面形状,从快速施工的目的出发,设计了以对撑、角撑和拱结构相互.结合的平面刚架结构,为施工创造较大的空间,同时也为迅速支撑创造了条件。支撑结构的形式和变形分析如图 11. 3-4 所示。

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二、在安全可靠的前提下创造便捷的施工条件安全可靠,施工方便,迅速形成支撑结构和经济合理是施工方案设计中必须把握的一条主线。只有掌握了土的流变特性,利用它的物理力学性质,因势利导,采用安全可靠便捷的施工工艺,尽快完成支撑结构,才能保证基坑施工的安全,保护周围的环境。所以,在开挖过程中,要把有序、对称、限时的开挖与支撑工艺要求始终放在首位。施工方案设计是一要求极高的结构设计,在宰现总体设计的过程中。安全。方便迅速。经济这四个方面为一组对立统一的辩证关系。没有方便,就无所谓迅速,没有迅速就谈不到安全,没有安全何从谈经济。所以我们必须寻求最优的设计,以求完美的统一。

银冠大厦的原支护结构设计方案,着重考虑安全,但施工空间较小,因此给挖土带来很多不便。以后根据国内的施工经验,对支撑结构进行了优化设计。现设计的对撑是为了在长方形基坑的中段变形最大处形成大刚度支撑区域,同时由于对撑区域两侧存在大空间,因此挖土施工也很方便,在两侧设计了角撑加拱桁架,是为了用合理的结构形式来增加结构的侧向刚度、减小结构在平面上所占的位置,为施工创造条件。由于该围护结构三个区域功能明确,支撑工艺在三个区域也就可以逐个实施,与挖土过程形成流水,既安全,又快捷可靠。详细的挖土过程设计见图11.3-5。

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三、探索在时空效应理论指导下的挖土、支撑施工方法

1.依赖性。由于基坑施工与自然界有着密切的关系,设计时必须全面考虑气象、水文地质条件及动态变化,必须重视调查研究,认真分析研究勘察资料。

2.不定性。由于土的参数是随机变化的,变异性较大;由于测试方法不同,差异较大,故设计中应加以注意。

3.经验性。由于土体的复杂性,其性质也有地域性,因此,工程经验尤其是土体地方经验显得尤为重要。

4.试验性。由于土体的参数大多是由测试而定的,因此工程设计受试验的影响较大,这就需要我们在试验中尽量排除一切干扰因素,确保试验的真实性、准确性、代表性,以作为设计依据。

5.协调性。由于土方施工与支护施工特别是支撑结构的施工是同步的、相互交替的,因此设计中需确保协调好二者之间的关系,以利工程顺利进行。

6.季节性。由于基坑施工是室外作业,受季节影响较大,因此在设计中应考惠季节的影响(温度、雨、雪)。

7.临时性。由于基坑支护结构属于临时维护结构,其所受荷载是短期荷载,因而设计中应充分考虑其短期行为,以降低造价。

四、本基坑开挖中的几个施工工艺

(一)对称岛式开挖,先制作中间撑,后制作两侧支撑

由于银冠大厦基坑平面尺寸大,经过计算分析,对土方施工的工艺顺序进行了准确的设计。为争取较大的施工空间,支撑采用了桁架形式,因此设计采用岛式挖土工艺,即在长方形的基坑中对称地留置两个中心岛;每层先开挖中间支撑区域的土层,限时完成中间支撑,而后开挖两侧土层,再完成两侧支撑。完成第二道支撑后,将中心岛进行改造,形成汽车下车坡道。将土方开挖至第三道支撑底后,按上述相同的次序浇筑第三道支撑。由于中心岛对控制基坑内土体的流变有较好的效果,所以有效地减小了支撑前的连续墙变形量,为控制变形总量创造了条件。第三道支撑形成后,它以下的土层采用了小型反铲挖土机挖土,大型机传递、抓斗起吊的施工工艺,不用栈桥,这样节省了费用,并减小了栈桥上机械作业的危险性。

(二)沿壁深沟的开挖

银冠大厦地下连续墙为二墙合一。结构设计要求在主楼基坑底-16.3m 标高处沿连续墙通长开挖一条深 0.5m, 的沟,作为 3m 厚底板的周长结构圈梁,以增强刚度。在裙房基坑底一15.1m 标高处周边作一条 1m 深的加强边,以提高裙房底板的刚度及连续墙的连接可靠度。因此基坑开挖而临局部深沟处理问题,设计利用十的物理力学性质。经过流变分析,提出限时成沟、浇筑垫层的施工工艺,并辅之以一定的结构措施,限时指标定为 12h,空间尺寸(开沟长度)定为15~20m,取得了理想的效果,由沿壁深沟开挖引起的地下连续墙变形增量仅 3~5mm,所用的技术措施成功地阻止 了变形的进一步发展。

(三)污水池深坑的挖土工艺

本项目污水池结构埋深—19.6m,为上海最深的施工记录之一。污水池结构平而尺寸

35m×45m,深 4.5m。由于深度较深,采用何种方法进行施工成为施T方案优化的关键。原方案是用钻孔灌注桩作围护壁,加第四道钢筋混凝土支撑,这给挖土施工会增加很多难度,从而影响施工进度,费用也很高。经过改进后的施工方案,决定不增加钢筋混凝土支撑,即在-15.1m 基底形成垫层后,采用条状开挖工艺,形成深坑护壁、并采取技术措施形成深坑护壁的结构整体刚度和稳定、其工艺设计的结果是圆满完成了19.6m 深的大型深坑区域的挖土施工,创造了上海地区五层地下室仅采用三道钢筋混凝土支撑的施工记录。