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苏州某广场基坑工程

309 2021-01-18 14:24:52


一、工程简介及特点


苏州商场主楼地上 10层,地下 3 层,建筑主体高度 50.5m;北侧及东侧沿金门路和广济南路,南侧为已建全景大厦和部队营房(图 1)。整个建筑沿金门路和广济南路设地下一层纯地下室(带下沉式商业广场)。基坑工程采用复合土钉(地下一层)+逆作法(地下 2 层及地下3 层)进行施工,是苏州地区很有特色的工程案例。


基坑平面呈较规则矩形,东西长约 220m,南北宽约 70m,面积约 15400m²。地下室-1、-2、-3 层底板标高分别为-5.700m、—9.200m、—13.700m(均为建筑相对标高),平整后的室外自然地坪标高为-0.500m。基坑开挖深度为14.150m,该基坑工程突出特点有∶


  1. 对地下一层以浅的部分采用复合土钉墙围护,对地下 2、3 层部分采用逆做法施工,是苏州地区很有代表性的工程案例。


2. 浅部复合土钉施工临近主干道路,浅部土钉穿越深厚粘土层,采用钢管打入式土钉和钻孔植入式土钉,深部土钉进入含微承压水的粉土层,采用自钻式土钉,解决了复杂地质环境下的施工难题。


二、工程地质条件


苏州市位于太湖平原的东侧,地处长江三角洲东南前缘,太湖水网平原中部,属三角洲冲积、湖积平原地貌。本区第四纪以来地壳运动以沉降为主,广泛接受堆积,形成广阔平原地貌,第四系地层分布广,厚度较大。


  1. 地基土层分布与地基土评价


根据勘探揭露的地层资料分析,拟建场地 50.3m 深度范围内的地基土除表层填土外,均为晚更新世(Q3)沉积层,主要由粘性土、粉土及砂土组成,各土层分布呈水平成层分布,在全场区稳定遍布。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异,划分为①、④、⑤、⑥、⑧、⑨、⑩等7个主要层次,其中第④、⑩层根据土性差异各分为2个亚层。


各土层分布具有如下主要特点及地基土评价(表1);


(1)第①层杂填土,上部以混凝土块、道渣、砖块等建筑垃圾为主,下部以粘性土为主,土质松散,局部建筑垃圾堆积稍厚,土质不均,一般不作为天然地基持力层。


(2)第④∶层褐黄色粘土,含氧化铁条纹及铁锰质结核,土质胶结紧密,土性较好,平均层顶标高约1.13m,平均厚度约3.7m,含水量为26.1%,孔隙比为0.746,呈可塑~硬塑状态,中等压缩性。静探Ps值平均为1.82MPa,地基承载力特征值为160kPa。该土层土性较好,是苏州地区主要的天然地基持力层。


(3)第④.层灰黄色粉质粘土夹粉土,含氧化铁斑点及少量有机质等,下部夹较多薄层粉土,土质不均匀。该层平均层顶标高约-2.52m,平均厚度 2.1m,静探Ps平均值 2.62MPa,地基承载力特征值 140kPa。


(4)第⑤层灰黄~灰色粉砂,含云母、石英等,上部夹少量薄层粘性土,中密状态,土质较均匀,土性较佳,平均层顶标高约-4.66m,平均厚度约8.1m,含水量为28.9%,孔隙比为0.818,静探Ps平均值7.53MPa,标贯击数平均 28.0击,中密状态,土性较佳。


(5)第⑥层灰色粉质粘土,含有机质、少量云母、贝壳碎屑及腐殖质,夹较多薄层粉土,土性一般,土质不均匀。该层层顶标高约-12.82m,平均厚度约8.0m。


(6)第⑧层灰绿~暗绿色粉质粘土,含氧化铁条纹及铁锰质结核,土性较好,平均层顶标高约-20.76m,厚度 7.2~9.5m。


(7)第⑨层灰绿~灰色砂质粉土,含云母、石英等矿物,上部夹少量薄层粘性土。中密~密实状态,平均层顶标高约—29.05m,平均厚度约6.8m。


(8)第@ 层灰色粘土,含少量云母及腐植物,局部夹少量薄层粉土,土质较均匀,平均层顶标高约—35.81m,平均厚度 8.1m。


(9)第⑩。层灰~灰绿色粉质粘土夹粉土,含云母、有机质等,夹薄层粘性土,具水平层理,平均层顶标高约—44.12m,本次勘探在 50.3m 深度内未揭穿本层。基坑开挖涉及第①层杂填土、第④, 层粘土、第④。层灰粉质粘土夹粉土、第⑤层粉砂, 坑底位 于第⑥层粉质粘土中。


2. 地下水

(1)地表水

苏州地处长江三角洲东南缘太湖水网平原中部,根据大运河苏州站 1919~1971 年资料,河水位历史最高水位2.49m(1954年),最低水位 0.0lm(1934年),常年平均水位 0.88m,最高年平均水位1.39m(根据1951~1992年统计资料)。1999年枫桥水文站记录到最高洪水位达 2.69m。


(2)潜水

根据苏州地区区域水文资料,潜水最高水位为 1.33~2.63m,最低水位为一0.21~ 1.35m,变化幅度 1.0~2.0m。通常枯水位出现在 1~3月份,水位可降至标高-0.50m左右,高水位出现在 7~9 月份,水位可接近地表,其余为平水期。


拟建场地浅部地下水属潜水类型,主要赋存于杂填土底部及第④,层粘上上部裂隙中,富水性一般,主要受大气降水和地表径流补给,属典型的蒸发入渗型动态特征类型。本次勘察期间所测得的潜水位稳定水位埋深一般在 0.65~1.40m之间.标高在 1.85~ 2.16m 之间,钻孔初见水位一般比稳定水位一般低 0.5~1.0m。


(3)浅层微承压水

根据苏州区域水文调查资料,拟建场地浅部第⑤层粉砂为微承压含水层。水位埋深一般1.5~3.0m,普遍低于同一地点的潜水位0.5~1.5m。动态变化同样受到大气降水、地形地貌、地表水体的制约影响,表现为降水入渗型特征。该微承压水历史最高水位为 1.74m,近3~5年最高微承压水水位为1.60m,年变幅0.80m左右(以上水位均为黄海高程)。微承压水水质受人类经济活动影响轻微,仍主要反映原生态环境所特有的变化规律。


根据本次勘察的现场钻孔降水头注水试验结果,实测第⑤层微承压水水头标高约为 1.67m。


(4)土层渗透性(表 2)

三、基坑周边环境情况

场地位于苏州市金阊区,金门路南 广济南路西 基坑紧邻金门路和广济南路, 是城市主干道,十分繁忙,且地下管线密布,环境保护要求高,需重点保护金门路侧距离基坑2.3m,埋深1.5m-800的雨水管 另外,南侧距离约12.0m的12层商务楼(刚封顶,桩基13. 0m),其基础持力在本基坑开挖面以上,对基坑开挖十分敏感。

四、基坑围护平面图

结合工程的基坑面积、开挖深度、周边环境的实际情况以及工期和造价等综合因素的考虑,确定本基坑工程采用:对地下一层以浅的部分采用复合土钉墙围护,对地下2、3层部分采用逆做法施工,逆作部分基坑围护体采用600地下连续墙结合外侧-850三轴水泥土搅拌桩止水帷幕;利用地下一层和地下二层梁板作为水平支撑体系(图2) 基坑支护结构具有以下优点。


(1)下沉式广场基坑及浅层采用复合土钉墙支护,充分发挥其技术经济方面的优点。可节约一道支撑,减少支撑的造价100~150万元;深坑位置的而支护桩的长度也得以减少;因为无内支撑,浅层土层开挖十分方便,大大缩短了工期。


(2)复合土钉墙相对于其他无支撑围护方法如搅拌桩重力式坝体、门式框架悬臂支护等,变形小,对环境更安全、施工更灵活;土钉的排数和长度均可控制以避免对周围环境的影响。


(3)浅层支护省去了第一道支撑的施工、养护及拆除时间;搅拌桩主要作隔水帷幕,基坑在局部施工完搅拌桩 10~14 天(包括降水时间)后,即可在该部位开始施工第一层土钉,其余可分段、分层、分区域流水作业,由于基坑周长达 600m,作业面可以大量设置,因而可大为缩短施工工期。


(4)内部深坑采用地下连续墙,逆作法施工,基坑设置两道栈桥,将基坑分为两大块,将大大方便大机械挖土作业,对于节约逆作法施工工期是有利的,比顺作内支撑方案省去了支撑施筑和安装工序,节省了支撑造价。


(5)逆作法围护结构及支撑体系刚度大,可以减少基坑土方开挖对周边环境的不利影响,周边环境保护有利。同时不需要进行拆撑换撑,节约了总工期和总造价。


五、基坑围护典型剖面图

1. 支撑体系设计

(1)地下连续墙

采用 C30 混凝土,厚度为 600mm。总长度为18.25m,入土深度 11m。


(2)水泥土搅拌桩止水帷幕

考虑到普通双轴搅拌桩在本工程的深度条件和土质条件下,施工质量难以保证,且基坑周边环境较为复杂,对比造价与风险,选用 φ850mm 三轴搅拌桩,每幅之间间距 1200mm,即相互套打一个孔位,深度均为-17.1m(相对于±0.000),长度为16.6m,伸入第⑥层粉质粘土层 3.0m。


(3)复合土钉墙

对于开挖深度 6.05m 的浅层部分,设 5排土钉,水平向间距1m,竖向间距从上至下分别为∶1.4m、1.1m、1.0m、1.0m、1.0m,土钉形式分别为钢管打入式、钻孔植人式和自钻式。


(4)水平支撑体系

1)地下一层 B1 支撑体系∶圈梁断面 600mm×800mm,边跨梁板和主梁组成水平支撑体系。板面标高一5.750m。主梁截面 400mm×800mm,间距 8400mm。


2)地下二层 B2 支撑体系,边梁断面 300mm×800mm(不开洞处)和 500mm× 800mm(开洞处),边跨梁板和主梁组成水平支撑体系。板面标高一9.250m。主梁截面 600mm×800mm,间距 8400mm。


(5)立柱及立柱桩

由于梁板结构竖向荷载较大,必须设置临时支撑立柱以减少支撑的跨度,改善支撑的受力情况,同时提高支撑的竖向稳定性。临时立柱设置于主体结构的柱网位置。


临时支撑立柱采用 4L140mm×12mm 型钢格构柱(缀板为一410mm×200mm× 10mm@800mm),型钢立柱在穿越底板的范围内需设置止水片。格构柱插入立柱桩 2.5m,立柱桩采用直径 800mm 钻孔灌注桩,桩长 25m。


(6)栈桥

本工程设两座栈桥,以方便施工。其中栈桥板厚度 200mm,混凝土强度 C30;主梁截面 600mm×800mm(b×h),次梁截面400mm×800mm(b×h),混凝土强度为C40。

2. 复杂环境下土钉设计要点

(1)设计难点

1)金门路车流量大,注浆不易凝固,效果不好; 

2)金门路侧距离基坑 2.3m 有埋深1.5mφ800mm 雨水管; 

3)浅部粘土层达 5.0m 厚,打入式土钉施工速度慢∶

4)第四、五道土钉进入④。粉质粘土夹粉土、⑤粉砂层微承压水层,成孔难度大,易引起水土流失。


(2)设计方案

1)根据地质情况的施工难度,采用了钢管打入式、钻孔植入式和自钻式等不同工法之土钉,确保施工可行性和工程的安全性。其中浅层采用钢管打入式,并辅助引孔措施;粘土层采用钻孔植人式;粉土层采用自钻式。


土钉施工从周边环境简单的西南侧开始,积累现场经验(如注浆速度、注浆压力、注浆量等参数控制),且马路侧土钉施工尽量在车流量低峰期进行,确保马路侧施工时安全; 2)第一道土钉先引孔 4m,加快第一道打入式土钉的施工速度,更好控制变形(图 4); 3)土钉施工前进行现场放线,如土钉遇地下建筑物基础、地下管线、地下构筑物可以通过调整土钉的俯角和方位角加以避开,但俯角最大不大于 45°,以确保其抗水平能力。经计算,将第一道土钉俯角由原设计的 12调整为 25°,即可避开金门路侧雨水管,而不用对原设计做较大变更;


4)为确保钻孔植入式土钉质量,要求必须安装定位支架,且一次和二次注浆管与杆体材料一同送人孔内。施工顺序∶钻机造孔——清孔——放入钢管、一次注浆管和二次注浆管———次充填注浆——拔出一次注浆管——浆液终凝后二次注浆(图5);


5)自钻式植入土钉钻杆就是土钉,钻进的同时可以注浆。速度快,适宜各类土层,易注浆,有利于位移控制(图 6)。故将第四、五两道土钉改为自钻式土钉,避免塌孔、水土流失。

六、降水及监测

1. 降水设计

由于第④层粉土和第⑤层粉砂层厚较大,同时第⑥层粉质粘土有可能局部渗透系数较大,隔水帷幕进入⑥层粉质粘土3m。苏州地区基坑开挖范围处于透水性极大的粉土或粉砂层,止水和降水的好坏关系到基坑的成败。苏州专家经验400m²/口即可,设计变更后将节省管井布置在坑外,作为观测及应急井点,起到两个作用∶a)自钻式土钉施工遇到困难时,可临时抽水,保证土钉施工的顺利进行;b)出现漏水漏砂险情时,可通过观测井点水位变化,初步判断渗漏区域,使得降水堵漏等抢险工作有的放矢。2. 监测项目(表 3)

七、简要实测资料

1. 土钉施工阶段

本工程浅部复合土钉施工完成后,地表沉降、坡顶位移均控制在1mm以内,较好的保证了周边道路、管线及建筑物的安全,为复杂环境下土钉施工提供了成功的案例,见图7。



感谢供稿作者:

张有桔、丁文其、赖允瑾、龚昕

(同济大学土木工程学院地下建筑与工程系、

同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,

安徽省交通规划设计研究院,

上海市政工程设计研究总院)