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“深坑化浅坑”设计方法在上海某深大基坑围护设计中的应用

287 2021-01-15 09:49:52

一、工程概况

上海东方艺术中心(图1)位于上海市浦东新区杨高中路、世纪大道、丁香路合围处,是上海市的重点工程和标志性建筑物。整个工程基坑开挖面积为14900.0m²,周边延长米约为500m。基坑整体共分为5个区,基坑开挖深度为 6.5~27.75m,其中, 1区、2 区、3 区为地下一层,基本开挖深度6.5~7.4m;4 区、5 区为地下二层,基本开挖深度11.4m~13.8m;5 区的剧场内含升降 式舞台,此区域开挖深度达到27.75m。本工程基坑开挖面积较大,开挖深度变化大,对此深大基坑的围护结构设计,有必要进行了多方案的分析比较论证。基于基坑周边环境,并综合考虑与施工总包单位的施工安排紧密结合,围护设计采用了"深坑化浅坑"的设计思想和设计方法。

"深坑化浅坑"设计方法是一种新型的基坑围护结构设计方法.其要点是将大规模的深基坑形式简化为浅基坑形式,对围护体与支撑系统的设计与受力形式及计算方法、隔水体形式、基坑施工顺序、深部土方开挖、基坑降水和超深区域坑底承压水处理等进行相应技术处理。"深坑化浅坑"的设计思想,探索了一条深大基坑的基坑围护设计施工的新方法、新形式。该设计思想的有效实施,使本工程基坑围护设计既做到了安全可靠.又大大降低了工程造价,加快了施工速度。



二、工程地质及水文地质概况


从本工程场地地质条件分析,有以下几个特点∶


1.本场地地下水属潜水类型,钻探期间测得地下水位深度约为0.40m.地下水位相当高。


2.当地震基本烈度为七度时,由于本场地普遍分布有第③。层饱和砂质粉上层,经判断第③。层饱和砂质粉土为液化土层,液化等级为轻微液化。


3.第③,层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土及第③。层位和砂质粉土,渗透系数较大、现场降水头注水试验渗透系数K值分别为1.57×10-cm/scc 和1.31×10-cm/sc,若降水和隔水处理不好,或基坑围护结构变形过大产生裂缝,基坑开挖时可能产生坑外地下水渗漏引起较大的地面沉降.坑内产生坍方、流砂等不良地质现象。


4.场地深层第⑦;层土顶埋深约 33.5m,为上海地区第一承压含水层,基坑挖深达到 27.75m. 需考虑坑底抗承压水稳定性.防止坑底发生突涌。基坑围护设计土层物理力学性质指标如表 1 所示。



三、基坑周边环境概况


本工程周边环境条件较为复杂,见图2总平面图。北侧为交通繁忙的杨高中路,建筑物地下室外墙线离开用地红线最小约为12m、红线外面为 15m左右的绿地,绿地外为人行道。该路下管线众多.布设有丙500上水、*800雨水、500煤气、900煤气、1400源水、*1000 上水等重要管线。


尤其在北侧红线内,即拟建场地内有3根重要管线,最近的一根 22万伏特的高压地下电缆、埋深约1.3m,离开 3区的地下室外墙线约4.1m;离开3区的地下室外墙线约 8.7m处,另有一根500上水管线通过,埋深约1.3m;s500上水管线外约8.0m处尚有一根 3.5 万伏特的高压地下电缆线通过。

场地南侧为丁香路,建筑物地下室外墙线离开用地红线最小约为17.0m,红线外面为绿地,绿地外为人行道。红线外面的管线为丙500上水、91800雨水、夹300煤气等。离红线最近的重要管线为 500 上水,为红线外面约9.0m。


场地西侧临近世纪大道,建筑物地下室外墙线离开用地红线最小约为12.6m、红线外面为绿地,绿地外为人行道。红线外面有管线爽300煤气、9500上水等。其中央300煤气和 9500上水离开红线已较远(约17m以上)。建筑红线内有4根低压电缆线(埋深0.5m)。


场地东侧较为开阔,为绿化地和临设场地。




线距离较大,综合考虑安全、经济、施工等因素,采用复合土钉墙(水泥土搅拌桩加土钉)的形式。考虑基坑挖深已超过 6.0m.周边的环境保护要求较高,根据上海地区的设计经验、考虑适当卸土,使基坑挖土深度控制在 6.0m 以内。复合土钉墙共采用6排土钉,长度 9~15m。


2.4 区、5 区部分一钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加内支撑并配合复合土钉墙和卸土的围护形式


4 区、5区部分基坑开挖深度普遍为11.4~13.8m。采用"深坑化浅坑"设计方法∶根据场地实际情况,首先考虑卸土,将标高一5.600m 以上的土卸掉(卸土深度 5.9m),卸土宽度不小于6.0m。


对卸土引起的 5.9m 土坡、采用复合土钉墙的形式,做法同1区、2 区、3 区,共设置土钉6道,长度 9~15m。


从卸土面到坑底部分的基坑围护,挖深5.5~7.9m,采用钻孔灌注桩加水泥土搅拌桩另设一道支撑的围护形式。

在4区、5区的北面局部区段,由于管线存在,无法卸土 5.9m,只能卸土到管线埋深,即卸土1.3m。此处的基坑围护,上面部分仍采用复合土钉墙的形式,做法同1区、2区、3区,共设置土钉6道,长度9~15m。下面部分为钻孔灌注桩加一道支撑的围护形式。根据卸土条件、土质条件和土层开挖深度,钻孔灌注桩定为真1000mm@1200mm.

支撑采用现浇钢筋混凝土圆环支撑,局部为角支撑桁架,组成完整的受力体系。支撑围檩圈梁断面取 1600mm×800mm,圆环支撑断面取 1800mm×800mm,角支撑断面取 1000mm×800mm。

考虑到混凝土支撑拆除后围护体的悬臂高度和变形较大,为保护周围管线.考虑在施工完成地下车库的大底板,并设置底板换撑之后,在临近管线的4 区、5 区的角撑处,在底板上设置坑内抛撑(斜撑)作换撑,这时需在地下室外墙板上留洞后浇。其他区域根据位移情况,一般考虑施工完成地下车库的大底板,并设置底板换撑后,将圆环形支撑拆除。

3.5 区中间升降式舞台区域一地下连续墙加多道钢支撑围护形式

5区中间升降式舞台区域开挖深度达 27.75m,采用"两墙合一"的地下连续墙加钢支撑的围护结构。由于此部分面积较小,又在5区中间,也考虑用"深坑化浅坑"设计方法,待5区地下二层的大底板浇注完成后,再开挖升降式舞台区域,开挖深度为 13.95~ 16.35m,设置4道钢支撑对撑。考虑坑底抗承压水稳定性,防止坑底发生突涌,对坑底用旋喷注浆封底加固。


4.深浅坑交接部分(1区、2 区、3 区与 4 区、5 区的交接处)一深坑开挖时超过浅坑部分采用钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加内支撑围护形式。

深坑外墙与浅坑地下室外墙水平距离为 0.1m,坑底垂直高差为5.0~7.3m,在浅坑地下室底板下设置一道钻孔灌注桩和双排搅拌桩,并设置一道内支撑(即为4区、5区的内支撑),其灌注桩上的压顶圈梁和支撑的面标高在底板下 0.2m以上,使围护桩与底板相分离;搅拌桩深入深坑坑底以下的深度与深坑其他部分的隔水搅拌桩一样,保证深坑降水时的隔水效果。


5、基坑围护方案特点

(1)运用"深坑化浅坑"先进的设计思想和设计方法。

基于本基坑各部分开挖深度变化大,采用"深坑化浅坑"设计方法,即设计坑坑,将深坑在竖向简化成较浅的基坑,然后分别支护。与常规"先深后浅"方法开挖不同,采用"先浅后深"方法,对挖深较大处采用分段支护,分段验算的方法。如此基坑采用"深坑化浅坑"设计方法,并通过严格的计算和科学分析,精心设计,很好决了工程安全、工程造价和施工进度的要求,这在上海地区是第一只,探索了一条深;坑的基坑围护设计施工的新方法、新形式。它为类似的深大基坑提供了一个很好的范台

(2)基坑围护结构采用了水泥土搅拌桩复合土钉墙、钻孔灌注桩排桩加内支撑、墙合一"地下连续墙加多道内支撑等多种形式的设计方案。

1)浅坑部分(一般区域)∶ 复合土钉墙;

2)深坑部分∶上段卸土和复合土钉墙,下段钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加一道支撑; 

3)深浅坑交接部分∶ 钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加一道支撑;

4)5 区中间升降式舞台区域采用地下连续墙"两墙合一"加 4 道钢支撑。不同围护结构形式很好地契合了基坑的开挖深度,结构受力稳定性能良好,且体现l最佳的结构经济性和施工方便性。


(3)混凝土圆环形支撑等多种内支撑形式应用于本工程中。


在挖深达 13.8m 的4 区、5 区的基坑围护支撑系统中,采用了一道直径约70m 钢角混凝土圆环形支撑的布置形式,大大方便了基坑挖土;在挖深达 27.75m的升降式舞台区域采用了三道预应力预制十字接头钢管支撑,充分运用了预应力钢支撑的二项关键技术,即预制十字接头和双十字接头,及预应力的施加和复加技术,控制了基坑变形。加快了施工速度;在挖深达 15m 的能源中心区域,采用了混凝土角撑和钢管对撑的形式,充分发挥了两种支撑类型的优点,结合成整体,对方便施工、控制变形取得良好效果。


五、计算分析要点

对围护体和支撑系统的计算分析,需考虑到采用"深坑化浅坑"设计方法后形成的实的围护结构,按其受力机理、受力途径,全面而合理的建立计算模型、取用参数、分析计算结果。结合本基坑围护设计,主要有∶

1."深坑化浅坑",竖向分段支护后,对围护体的变形、内力与稳定等的分析,应综合整个围护结构剖面,按实际剖面计算,特别对下段围护体变形、内力与稳定等的分析.不能仅仅只计及下段围护体受到的水土压力,而应将上段国护体及受到的水土压力或卸掉的水土压力一并考虑。

2.一定范围卸土后,一般不能卸去全部的水土压力。主要有二个原因、一是卸土一般有范围限制,特别是现场实际,会受到各种因素限制,而不能卸到位。如挖深的2~3 倍距离,甚至1倍距离都难以满足;二是即使土体卸去,但卸去土体的水土压力的释放不能很快完成,在基坑开挖时,还会保留相当的"超压"水土压力,这个比例甚至会在50%以上。不同的土质条件、卸土深度范围、开挖深度,均为影响卸去土体的水土压力释放。

3.如围护体上段不能采用卸土形式,而采用自立式围护结构.如水泥搅拌桩重力式围护结构或水泥搅拌桩复合土钉墙结构,则下段围护结构受到的水土压力减少很少或基本上没有减少,应加以完全考虑。



六、测试结果与分析


在基坑施工期间进行了工程实型监测。测试结果标明∶


1.1区、2 区、3区区域(复合土钉墙结合卸土),地面水平、竖向和深层土体的变用普遍在 30mm 以内;


2.4区、5区区域("深坑化浅坑"),地面水平、竖向和深层土体的变形均在 38mn以内,且变形均匀,特别是无坑底降起、坑外土体明显下沉现象,说明这种围护结构形式是稳定和可靠的;


3.开挖深度达27.75米的5区中间升降式舞台区域,在挖土施工阶段.周边基本没有新的变形产生,说明"先浅后深"设计施工方法,在合适条件采取相应措施后是可行的。


七、结论与建议


1."深坑化浅坑"设计方法是一种新型的基坑围护结构设计方法,本工程考虑本基坑工程的周边环境,设计通过采用坑中套坑,将深坑在竖向简化成较浅的基坑.然后分别支护的方式,探索了一条深大基坑的基坑围护设计施工的新方法、新形式。


2.本工程采用"深坑化浅坑"设计方法,取得了良好的效果。通过采用"先浅后深",对挖深较大处采用分段支护,分段验算的方法,并通过严格的计算和科学分析.精心设计,很好地解决了工程安全、工程造价和施工进度的要求。


3.工程将多种基坑围护结构形式组合成一个有机整体。第一台阶浅坑(1 区、2 区、 3 区与4区、5区上部台阶区域)基坑围护结构采用水泥土搅拌桩复合土钉墙形式,第二台阶深坑(4区、5区下部台阶区域)基坑围护结构采用钻孔灌注桩排桩加水泥土搅拌桩隔水加一道砼内支撑形式.升降式舞台区域的第三台阶基坑采用"二墙合一"地下连续墙加三道钢管内支撑形式。混凝土圆环形支撑等多种内支撑形式应用于本工程中。在挖深达 13.8米的4区、5区的基坑围护支撑系统中,采用了一道直径约70米钢筋混凝土圆环形支撑的布置形式,大大方便了基坑挖土。不同围护结构形式很好地契合了基坑的开挖深度,结构受力稳定性能良好,且体现出最佳的结构经济性和施工方便性。


4."深坑化浅坑"设计方法,应根据实际工程周边环境情况、基坑挖深形状,具体分析采用不同的结构形式。对围护结构的计算分析,应根据实际形成的围护结构,按其受力机理、受力途径,全面完整的加以分析。


八、评论

"深坑化浅坑"设计方法是一种新型的基坑围护结构设计方法。其要点是将大规模的深基坑形式简化为浅基坑形式。上海东方艺术中心基坑开挖深度为6.5~27.75m,基坑面积14900.0m²,通过采用"深坑化浅坑"设计方法,既做到了安全可靠,又大大减少了工程造价,加快了施工速度,工程取得了成功。




感谢供稿作者:

展忠荣、李忠诚、赵军、王建君

(上海中元岩土工程有限公司)