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上海地區(qū)鄰近保護(hù)建筑的深大基坑工程設(shè)計(jì)

2022-07-01 09:35
廣東土木與建筑 2022年6期
關(guān)鍵詞:承壓水灌注樁基坑

呂 琦

(上海市地礦工程勘察(集團(tuán))有限公司 上海 200072)

0 引言

上海為典型的沿海軟土地基城市[1],地表淺層廣泛分布深厚軟土,具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)[2-4],對(duì)工程建設(shè)十分不利。尤其是在上海市區(qū)進(jìn)行深大基坑開挖,周邊環(huán)境往往極為復(fù)雜,項(xiàng)目實(shí)施對(duì)環(huán)境影響十分敏感。

本文以上海市靜安區(qū)某深大基坑工程為背景,介紹位于軟土地區(qū)鄰近保護(hù)建筑物的深大基坑工程的設(shè)計(jì)思路。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目位于上海市靜安區(qū),周邊環(huán)境如圖1所示。規(guī)劃用地面積59 177.20 m2,總建筑面積270 905.98 m2,建設(shè)用途為商務(wù)辦公及商業(yè)服務(wù)用地。地上部分包含4 幢新建22∕31F 高層辦公樓、1 幢由保護(hù)建筑改造的1F公益會(huì)展中心,地下部分為2F車庫,地下車庫采用樁筏基礎(chǔ),工程樁采用?600 及?800灌注樁。

圖1 項(xiàng)目周邊環(huán)境Fig.1 Surrounding Environment of the Proposed Site

1.2 基坑概況

本工程±0.000 相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高5.050 m,自然地坪設(shè)計(jì)絕對(duì)標(biāo)高為4.100 m,即相對(duì)標(biāo)高為-0.950 m?;涌偯娣e約為38 710 m2,外圍總延長米約1 163 m,基坑形狀極不規(guī)則。地下室普遍區(qū)域開挖深度為10.400 m,北側(cè)降板區(qū)域開挖深度為12.40 m∕12.90 m;基坑內(nèi)部存在若干集水井,深度為0.70~4.40 m。

1.3 周邊環(huán)境

擬建場地原為某機(jī)器廠工業(yè)園區(qū),場地內(nèi)部大部分建筑物已拆除,但東側(cè)保留原零部件車間廠房建筑(見圖2),距離基坑開挖邊線約11.3 m。零部件生產(chǎn)車間為單層鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu),廠房高度約13.9~20.0 m,廠房采用鋼筋混凝土柱,墻體為240 mm 厚粘土磚墻,基礎(chǔ)采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ),基礎(chǔ)底面埋深約1.88~2.21 m。零部件生產(chǎn)車間共分為A、B、C、D 四個(gè)區(qū),各區(qū)上部結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立,本工程將對(duì)A、C 區(qū)進(jìn)行拆除,剩余B、D 區(qū)改造翻修成本工程會(huì)展中心區(qū)域。零部件生產(chǎn)車間具有一定的歷史價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值,保護(hù)要求較高。

圖2 東側(cè)零部件生產(chǎn)車間Fig.2 Parts Production Workshop on the East Side of the Foundation Pit

場地西南角保留原專家樓,距離基坑開挖邊線約11 m。專家樓建于20 世紀(jì)70 年代,為2 層磚混結(jié)構(gòu),由東區(qū)與西區(qū)組成。西區(qū)基礎(chǔ)形式不詳,東區(qū)基礎(chǔ)采用剛性大放腳磚基礎(chǔ),埋深為0.81 m。專家樓為遺存歷史保留建筑,見證了中國履帶式推土機(jī)技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的歷史與成就,具有一定的歷史價(jià)值,保護(hù)要求較高。

另外,擬建場地東側(cè)、北側(cè)用地紅線外為規(guī)劃道路;南側(cè)、西側(cè)紅線外為20~25 m寬規(guī)劃公共綠地,綠地外側(cè)為中環(huán)路高架及南北高架,距離基坑約30~40 m,道路下埋設(shè)信息、電力、給水、燃?xì)獾榷喾N市政管線,距離基坑約20~40 m,位于2~4倍基坑開挖深度范圍內(nèi)。

2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

⑴擬建場地位于東海之濱、長江入??谔?,屬長江三角洲沖積平原,場地地貌類型屬濱海平原。場地內(nèi)地面標(biāo)高在4.54~3.81 m 之間,高差0.73 m,一般地面標(biāo)高約4.10 m,地形較平坦。

⑵勘察深度范圍內(nèi)揭露的地基土均屬第四紀(jì)沉積物,主要由粘性土、粉性土及粉砂組成。土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)如表1[5]所示。

表1 土層主要物理力學(xué)性能參數(shù)Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

⑶場地內(nèi)淺層地下水屬潛水,主要補(bǔ)給來源為大氣降水及地表徑流,排泄方式主要為蒸發(fā);潛水高水位埋深按地表下0.5 m考慮,地下水低水位埋深按地表下1.5 m考慮。承壓水賦存在第⑦、⑧2、⑨1、⑨2、?層中,其中⑧2、⑨1、⑨2層承壓水為連通狀態(tài)。承壓水水位呈周期性變化,水位埋深約3.0~12.0 m。根據(jù)計(jì)算,地下室普遍區(qū)域第⑦層承壓水不會(huì)發(fā)生突涌情況,但大于2.0 m降板及深坑區(qū)域存在突涌的可能。

3 基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

3.1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

⑴本工程基坑面積大,開挖深度深,基坑形狀不規(guī)則,且場地地質(zhì)條件較差,施工過程中易引起較大變形。本工程基坑開挖范圍內(nèi)涉及的土層有①、②、③、③夾、④層,坑底基本位于④層中。①層雜填土土質(zhì)松散且局部填土厚度較大,開挖時(shí)容易坍塌;③、④層為淤泥質(zhì)土,呈飽和流塑狀態(tài),孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低,易產(chǎn)生蠕變和剪切破壞,對(duì)基坑工程影響較大。

⑵擬建工程位于市區(qū),場地周邊分布高架橋、已建建筑物及多種重要市政管線等,環(huán)境條件復(fù)雜。尤其基坑?xùn)|側(cè)及西南側(cè)鄰近重要的保留建筑,根據(jù)房屋檢測報(bào)告,保留建筑存在一定的體系缺陷、結(jié)構(gòu)損傷等問題,房屋質(zhì)量較差,保護(hù)要求高,變形要求嚴(yán)。

⑶本工程局部區(qū)域存在承壓水突涌的可能,需進(jìn)行減壓降水,減壓降水過程中需注意采取措施減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3.2 基坑圍護(hù)方案

3.2.1 基坑分區(qū)設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程的基坑深度、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件等,按照上海市工程建設(shè)規(guī)范《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):DG∕TJ 08-61—2018》,本工程普遍區(qū)域基坑安全等級(jí)為二級(jí),北側(cè)降板區(qū)域安全等級(jí)為一級(jí),環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)[6]。制定圍護(hù)設(shè)計(jì)方案時(shí),根據(jù)本工程的特點(diǎn),統(tǒng)籌考慮基坑安全及周邊環(huán)境安全、場地條件、施工周期等因素,采取有針對(duì)性的圍護(hù)方案,確保基坑工程的順利進(jìn)行。

由于本工程基坑規(guī)模大、施工周期長,若采用整體支護(hù)及開挖方案,則支撐桿件長度較大,影響支撐剛度,而且支撐整體形成所需時(shí)間較長,基坑無支撐暴露時(shí)間長,對(duì)保護(hù)周邊環(huán)境不利。同時(shí),整體開挖會(huì)造成一次性卸土方量過大,影響基坑及周邊環(huán)境的安全性。另外,采用整體開挖方案會(huì)造成周邊可利用空間較小,不便于施工道路及材料堆場的布置,影響施工進(jìn)度。因此,本工程根據(jù)商業(yè)辦公樓及酒店等主樓的位置,以及基坑的形狀,對(duì)基坑進(jìn)行合理分區(qū),將基坑分為A、B、C、D 四區(qū)(見圖3)。其中A 區(qū)基坑面積約12 594 m2,延長米約為482 m;B 區(qū)基坑面積約10 100 m2,延長米約為462 m;C區(qū)基坑面積約12 778 m2,延長米為503 m;D 區(qū)基坑面積約3 237 m2,延長米為263 m。

圖3 基坑分區(qū)平面示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the Zoning of the Foundation Pit

分區(qū)后基坑規(guī)模由1 個(gè)大基坑劃分為4 個(gè)小基坑,按照分區(qū)間隔開挖的原則可有效控制單批基坑卸荷范圍,大大減小基坑長邊效應(yīng)的不利影響;而且分區(qū)后基坑輪廓較為規(guī)則,便于優(yōu)化支撐平面布置,支撐體系受力更加合理,有利于控制基坑變形、保護(hù)周邊環(huán)境[7-10]。

分區(qū)之后,4 幢主樓分別劃分在3 個(gè)區(qū)中,1#、3#和4#樓工期較緊,所在分區(qū)A 區(qū)、B 區(qū)可優(yōu)先施工,能最大程度滿足建設(shè)單位的需求。同時(shí),后施工區(qū)域可作為臨時(shí)堆載場地,可一定程度緩解場地緊張,便于整個(gè)項(xiàng)目施工進(jìn)度的統(tǒng)籌安排。

3.2.2 圍護(hù)設(shè)計(jì)總體方案

分區(qū)后,根據(jù)基坑面積、開挖深度、場地地質(zhì)條件及周邊環(huán)境條件等,遵循安全、合理、經(jīng)濟(jì)、可行的原則,通過幾種圍護(hù)結(jié)構(gòu)的比較,確定本工程采用順作法施工,普遍區(qū)域基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案采用鉆孔灌注樁結(jié)合三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+2 道水平混凝土支撐的形式,局部降板區(qū)域設(shè)置第三道鋼支撐。普遍區(qū)域圍護(hù)樁采用?900 灌注樁,樁長L=21.50 m,灌注樁嵌入坑底12.70 m,插入比1.22;止水帷幕采用?850@600 三軸水泥土攪拌樁,樁長L=32.50 m。典型支護(hù)剖面如圖4所示。

圖4 基坑支護(hù)典型剖面Fig.4 Typical Sectional View of Foundation Pit Support (mm)

鋼筋混凝土支撐體系采用邊桁架結(jié)合角、對(duì)撐的布置形式,第一道支撐混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30,第二道支撐混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35。為便于施工,提高出土效率,第一道支撐設(shè)置施工棧橋。具體支撐布置形式詳如圖5 所示,桿件參數(shù)詳如表2所示。

表2 支撐桿件參數(shù)Tab.2 Parameter of Support Member

圖5 第一道支撐平面布置Fig.5 Layout Plan of the First Support System

3.2.3 鄰近保護(hù)建筑側(cè)圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

由于基坑?xùn)|側(cè)及西南側(cè)緊鄰保護(hù)建筑,變形控制要求嚴(yán)格,設(shè)計(jì)方案采取了針對(duì)性的處理措施,支護(hù)剖面如圖6所示。

圖6 鄰近保護(hù)建筑側(cè)基坑支護(hù)剖面Fig.6 Cross-sectional View of Foundation Pit Support on the Side of Adjacent Protected Buildings (mm)

具體處理措施如下:

⑴鄰近房屋區(qū)域圍護(hù)灌注樁樁徑加大、樁長加長。普遍區(qū)域圍護(hù)樁采用?900灌注樁,樁長L=21.50 m;鄰近房屋區(qū)域圍護(hù)樁采用?1 100灌注樁,樁長L=23.50 m,圍護(hù)灌注樁插入比1.41。通過加大圍護(hù)樁樁徑提高圍護(hù)墻的側(cè)向剛度,控制基坑變形;通過加長樁長,控制坑內(nèi)土體隆起及坑外地表沉降。

⑵坑外設(shè)置隔離樁。圍護(hù)樁與保護(hù)建筑之間設(shè)置單排鉆孔灌注樁作為隔離樁,隔離樁樁徑?700 mm,樁間距1.0 m,樁長21.00 m,樁底嵌入⑥層暗綠~草黃色粉質(zhì)粘土中,樁頂設(shè)置900 mm×700 mm混凝土壓頂梁將隔離樁連為整體。通過設(shè)置隔離樁在基坑與保護(hù)建筑物之間形成一道屏障,阻礙土體側(cè)向變形傳遞及地表沉降。

⑶ 坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)設(shè)置雙軸水泥土攪拌樁裙邊加固。由于基坑開挖面以上的土質(zhì)較差,施工過程中土層易發(fā)生較大變形,因此對(duì)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體采用?700@500 mm雙軸攪拌樁進(jìn)行加固以提高被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度,控制基坑側(cè)向變形。第一道支撐底至第二道支撐底間加固深度5.55 m,水泥摻量8%;第二道支撐底至坑底以下4.0 m加固深度7.20 m,水泥摻量13%。

⑷中樓板B1板設(shè)置型鋼斜拋撐換撐。由于地面與中樓板之間的高差約5.1 m,第一道支撐拆除后圍護(hù)樁懸臂高度較大,易產(chǎn)生較大變形,因此在B1 板設(shè)置H400×400×13×21型鋼斜撐換撐,斜撐間距7~10 m。斜向型鋼換撐具有操作簡便、施工速度快、受力可靠等優(yōu)點(diǎn)[11],有利于控制第一道支撐拆除后的圍護(hù)樁變形。

⑸施工之前對(duì)保護(hù)建筑進(jìn)行必要的加固。在工程樁與圍護(hù)樁施工之前,先行采用靜壓錨桿樁對(duì)零部件生產(chǎn)車間廠房進(jìn)行基礎(chǔ)加固,靜壓錨桿樁長25.0 m,樁端位于⑥層暗綠~草黃色粉質(zhì)粘土中。專家樓受現(xiàn)場條件限制未進(jìn)行加固。

3.2.4 承壓水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)判與降水方案

本項(xiàng)目基坑開挖過程中局部區(qū)域存在承壓水突涌的風(fēng)險(xiǎn),但如若采取承壓水減壓,勢必要采取措施維持坑外承壓水穩(wěn)定。為兼顧以上兩方面問題,承壓水降水設(shè)計(jì)從止水、降水、觀測、回灌4 個(gè)方面進(jìn)行全方位風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防與控制。

基坑外圍止水帷幕采用超深三軸水泥土攪拌樁,樁長32.5 m,穿過⑦層承壓含水層,進(jìn)入⑧1-1層相對(duì)隔水層1.0 m 以上,隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系?;娱_挖前通過抽水試驗(yàn)確定承壓水頭實(shí)際標(biāo)高,并根據(jù)勘察報(bào)告進(jìn)一步摸清⑦層埋深變化分布規(guī)律,結(jié)合基坑挖深變化分布,合理布置一定數(shù)量的坑內(nèi)減壓井,并嚴(yán)格遵循“按需降壓”的原則進(jìn)行降水。同時(shí),對(duì)坑內(nèi)局部落深坑采用高壓旋噴樁封底加固,盡量減小減壓降水范圍。另外,在坑外設(shè)置水位觀測井兼做回灌井,對(duì)水位變化、地面沉降等密切監(jiān)測,若坑外出現(xiàn)承壓水水位異常下降、地面沉降異常加大等情形,可采取坑外回灌措施,減小對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。

通過以上多種措施,最終本工程基坑施工過程中未產(chǎn)生承壓水突涌等問題,周邊地表未出現(xiàn)較大沉降,很好地保護(hù)了鄰近建筑物。

3.2.5 設(shè)計(jì)工況

本工程首先施工鄰近保護(hù)建筑處隔離樁,待保護(hù)建筑隔離樁養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%后,施工工程樁及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。圍護(hù)體完成后進(jìn)行基坑降水,然后開挖A 區(qū)、B 區(qū)土方并進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工,待A 區(qū)、B 區(qū)頂板及頂板換撐完成后,進(jìn)行C 區(qū)、D 區(qū)土方開挖及地下室結(jié)構(gòu)施工。待C 區(qū)、D 區(qū)頂板與A 區(qū)、B 區(qū)頂板連成整體后,由上至下分段鑿除分隔樁,將分隔樁兩側(cè)中樓板與底板連接為整體。

4 工程實(shí)施效果

本工程在實(shí)施過程中,對(duì)圍護(hù)墻體深層水平位移、支撐軸力、支撐立柱沉降、周邊地表沉降、鄰近建筑物沉降、周邊管線變形、坑外地下水位、周邊高架橋等進(jìn)行了監(jiān)測。以下主要對(duì)鄰近保護(hù)建筑區(qū)域的圍護(hù)墻體深層水平位移、保護(hù)建筑物的沉降及基坑周邊地表沉降情況進(jìn)行介紹。

設(shè)計(jì)階段采用同濟(jì)啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件進(jìn)行剖面計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果,鄰近保護(hù)建筑物區(qū)域圍護(hù)墻體深層水平位移最大值為27.5 mm,水平位移最大值基本上位于樁身9~10 m 處。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果,基坑工程完成時(shí)鄰近保護(hù)建筑物區(qū)域圍護(hù)墻體深層水平位移最大值24~31 mm 之間,與理論計(jì)算最大值接近,且現(xiàn)場監(jiān)測實(shí)際樁身變形曲線與理論計(jì)算變形曲線基本一致,如圖7所示。

圖7 圍護(hù)墻體深層水平位移計(jì)算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.7 Comparison of Lateral Displacement between Calculation Data and Monitoring Data on Retaining Wall

基坑周邊的保護(hù)建筑布置了36個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn),其中零部件生產(chǎn)車間周邊布置了F1~F30 共30 個(gè),專家樓周邊布置了F31~F36 共6 個(gè)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),零部件生產(chǎn)車間沉降量普遍在10~20 mm 之間,未達(dá)到監(jiān)測報(bào)警值,如圖8所示。由圖8可知,基坑開挖階段房屋沉降量較大,地下室底板澆筑完成后房屋沉降逐漸趨于穩(wěn)定。另外,專家樓沉降量與零部件生產(chǎn)車間沉降量相比普遍偏大,部分監(jiān)測點(diǎn)沉降量超過報(bào)警值。初步分析是由于專家樓未采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?,同時(shí)專家樓鄰近基坑陽角處,且西南側(cè)基坑邊界與支撐軸線夾角較小,不利于支撐發(fā)揮作用。

圖8 零部件生產(chǎn)車間沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.8 Curve of Settlement Monitoring Data in Parts Production Workshop

本工程周邊布設(shè)21組地表沉降監(jiān)測斷面,每組沉降監(jiān)測斷面設(shè)置5 個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn),沉降監(jiān)測點(diǎn)由基坑邊2 m 開始布置,然后依次間隔3 m、5 m、5 m、7 m 布設(shè)。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),地表沉降量普遍在10~25 mm 之間,未達(dá)到監(jiān)測報(bào)警值26 mm。但個(gè)別沉降監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)達(dá)到40 mm 左右,沉降量較大(見圖9),分析原因是地表沉降監(jiān)測點(diǎn)臨近棧橋出入口,重型車輛通行量大,致使下沉量明顯大于其它區(qū)域。由圖9可見,位于一倍基坑開挖范圍內(nèi)的地表沉降較大,一倍范圍之外的地表沉降逐漸減小。另外,由地表沉降監(jiān)測歷時(shí)曲線圖可知,施工過程中坑外地表整體呈現(xiàn)下降趨勢,基坑開挖期間沉降量較大,地下室底板澆筑完成后地表沉降量逐漸減小,如圖10所示。

圖9 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線Fig.9 Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

圖10 地表沉降監(jiān)測歷時(shí)曲線Fig.10 Duration Curve of Surface Subsidence Monitoring Data

項(xiàng)目實(shí)施過程中,在參建各方的共同努力下,本工程得以安全、順利完成,鄰近保護(hù)建筑物、地下管線、高架橋等周邊環(huán)境得到很好地保護(hù),達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

本工程為軟土地區(qū)的深大基坑,基坑形狀不規(guī)則,場地地質(zhì)條件差,周邊環(huán)境復(fù)雜,且緊鄰重要保護(hù)建筑物,變形要求嚴(yán)格,保護(hù)要求高。

項(xiàng)目實(shí)施過程中,通過合理分區(qū)將基坑由大化小,通過間隔開挖、分區(qū)實(shí)施的方法減小了時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑及周邊環(huán)境的不利影響。同時(shí)通過采取有針對(duì)性的處理措施,如設(shè)置隔離樁、加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)、加固坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體、設(shè)置斜換撐控制樁頂變形等,進(jìn)一步控制基坑施工階段的變形,有效地保護(hù)了周邊環(huán)境。本工程的成功實(shí)施為軟土地區(qū)類似深大基坑項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。

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