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厦门建设银行大厦基坑支护

321 2021-11-25 09:47:21

一、工程概况

厦门建设银行大厦位于厦门市鹭江道东侧,距离海岸线不到 80m,与旅游胜地鼓浪屿隔海相望。大厦主体为框架一核心简结构,主楼地上 42层,高度 174m,单位荷重 700 kN/m²,单柱最大荷载 35000kN;裙楼为4层,单柱最大荷载 8000kN;地下室为3层,底板底标高为-13.15m;大厦总建筑面积6.1万m2,总造价 2.4亿元,是厦门市重点工程。

工程占地面积5296.8m²,其中基坑开挖面积 4549.5m2,开挖深度 13m。场地东侧是多层砖混结构民宅。最近处离红线不到1m,民宅的部分墙体已经开裂;场地南侧红线外是宽6~10m 的打铁街(露天水产品集市).沿街另一侧是多层砖混结构店铺和民字∶场地西侧是车水马龙的鹭江道,离红线 20m外是一座在建的二层地下车库;场地北侧是拟建的怡山商业中心。设有二层地下室,该侧红线内0.8m处有一根直径 800mm的污水管。场地红线图如图1所示。

由于工程地处人口稠密的旧城区,毗邻交通主干道,基坑开挖对周围环境的影响受到了严格限制,要求支护结构能有效控制周边变形,确保交通干道和周围民宅的安全。

二、地质概况1.地层描述

工程场地原始地貌为海积滩涂,后经回填成为旧城区。建有多层民宅。场地黄海高程为3.48~4.91m(工程±0.000m标高相当于黄海高程4.800m)。主要地层分述如下;(1)填土层。厚度1.,4~10.4m。其中在场地西北部及西南部分布有条石填筑层。厚度0.2~2.4m,埋深3.8~6.4m,条石材料为厚10~20cm 的花岗岩。

(2)海积层。由淤泥(淤泥质土)及局部含泥中粗砂组成,厚度2.5~10.25m,呈流塑状态,属高压缩性、低强度软弱士。

(3)冲洪积层。由泥质砾砂、砂质粘土组成,仅部分地段有分布,厚度0.3一2.52m。(4)残积层。由残积砾质粘性土及脉岩残积粘性土组成。大部分地段有分布。厚度0.2~29.9m,一般由西往东,由南往北向增厚,该层属特殊性能土,天然状态下工程地质性能较好,但浸水后易软化,强度降低。

(5)强风化岩。大部分地段有分布,埋深13.4~33.2m,厚度0.2~19.2m。

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(6)中风化岩。大部分地段有分布;埋深14.2~46.45m,厚度0.3~12.4m。(7)微风化岩。埋深14.7~52.25m。岩石坚硬,部分地段夹有中风化或强风化相对软弱层。

2.地下水

场地地下水主要赋存、运移在上部填土层、含泥中粗砂、泥质砾砂的孔隙中以及下部强、中风化岩的裂隙中或微风化岩的相对软弱夹层的裂隙中。天然条件下,地下水总体上由东向西往海域径流排泄。各主要含水层的水文地质特征如下;

(1)填土含水层。该层地下水埋深1.08~2.04m,含水厚度一般4~7m,整层松散,透水性较好,主要接受生活用水、大气降水补给,在海水涨潮时还接受海水倒灌的补给,单位涌水量为54.86~131.88mm²/(d'm)。

(2)砂层含水层。场地内呈透镜状分布,厚度0.3~3.9m,主要接受外围含水层地下水的侧向补给,受含泥影响其透水性能降低,单位涌水量为 2~5m² /(d·m)。

(3)强、中风化岩含水层(段)。地下水主要赋存于岩层的节理、裂隙中,主要接受相邻含水层地下水的侧向补给。基岩裂隙水与海水有联系。单位涌水量为1.16~12.63 m²/(d·m)。本裂隙水具较高承压性,埋深0.58~5.95m,高程-1.04~3.23m,接近或超过填土层地下水位的高程。3.岩土设计参数

场地工程地质详勘报告提供的岩土设计参数参见表1。

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三、围护设计1.设计思路

拟建大厦设有三层地下室,基坑开挖深度13m,根据勘探报告,基坑开挖后,坑壁土层主要由填土层、淤泥(淤泥质土)及部分含泥中粗砂组成。该三土层均为松软土层。抗剪强度低,边坡稳定坡角小,工程又位于老城区,没有放坡空间。由于基坑开挖深度大,可供选择的支护型式有护壁排桩、地下连续墙两种。地下连续墙整体性好、挡土防水效果佳,但由于场地上部填土层中夹有条石,部分地段分布有旧建筑基础,连续墙施工难度很大,若结合作为地下室外墙,将导致施工工艺复杂。容易产生质量隐患。而仅仅作为支护结构造价又太高;护壁桩造价相对较低,采用冲、钻孔桩能够穿越条石、旧基础。在护壁桩间做旋喷帷幕亦能达到止水效果。因此本工程支护设计采用护壁排桩。显然由于基坑开

挖深度大,护壁桩不可能采用悬臂式。需要采用内支撑或锚拉。在场地西侧。由于受到在建的地下车库外墙的阻挡,锚杆无法施工;在场地北侧,由于怡山商业中心的二层地下室存在同步开挖施工的可能,也无法采用锚拉。南北两侧亦无法采用对撑。北侧的同时施工亦使得环撑无法实施。因此围护设计方案在基坑南侧采用锚拉,在基坑东西侧采用两榀桁架对撑,为了保证北侧怡山商业中心地下室施工与否都不对该工程构成影响,将靠近基坑北侧的桁架的上弦杆做成圆弧式,以承受该侧不开挖时传来的土压力。

2.设计计算

1)围护桩的计算。围护桩的计算按照国家行业标准 YB9258—97《建筑基坑工程技术规范》(以下简称《基坑规范》)的要求进行,土压力采用三角形土压力模式,土层 C、g 值除淤泥层的φ值外,其他均按地质勘探报告提供的《岩土设计参数建议值表》取用。作用在基坑围护桩外侧的土压力即主动土压力按照朗金土压力理论计算。采用水土合算模式;作用在基坑围护桩内侧的土压力即被动土压力的作用则采用弹簧模拟,弹簧刚度按"m"法模式计算;内支撑或锚杆的作用则用刚度为K 的弹簧替代。围护桩的内力及位移采用有限元方法计算,计算模拟了土方分步开挖施工和拆除支撑各工况的实际情况,经过计算优化考虑两道内支撑(或锚杆)的作用,并按弹性状态考虑。计算简图见图 2。

《岩土设计参数建议值表》中淤泥层的φ值为2°,根据地质勘探报告提供的《土体主要物理力学指标统计表》,淤泥层φ值的22个统计值中,最大值为22°,最小值为4°,标准值为9.523°,标准差为4.917°,根据长期基坑支护设计与施工实践,将淤泥层φ值取为5°,只比最小值提高1°,是能够满足安全要求的。

围护桩的极限嵌固深度计算,抗管涌、抗隆起验算以及带支撑抗倾覆验算均按照《基坑规范》的规定进行。

(2)锚杆的计算。锚杆的水平拉力设计值由围护桩内力及位移计算中得到,锚杆设计水平倾角25°,第一道预应力锚杆设计抗拔力为400kN,第二道预应力锚杆设计抗拔力为300kN,锚杆的承载能力设计按照《基坑规范》的规定进行计算。

(3)内支撑的计算。基坑侧壁的土压力通过围护桩传递到内支撑体系,作用在内支撑体系上的水平力由围护桩内力及位移计算中得到,其设计值为 400kN/m。内支撑结构内力及位移的计算采用 ALGOR有限元分析软件 SAP93进行。有限元计算时,锁口梁单元长度为围护桩间距,土压力通过锁口梁单元节点作用在内支撑上,圆弧梁单元长度与锁口梁单元长度相同,其他杆件单元则以实际结点为单元结点,以杆件实际长度为单元长度。有限元计算采用弹性理论,通过计算可以得到内支撑结构在水平力(土压力)和重力作用下各杆件的内力以及内支撑体系的位移。

为保证围护结构的安全和基坑施工的顺利进行。有限元分析时对北侧怡山地下室基坑同时开挖或部分开挖或不开挖三种工况下内支撑结构的内力和位移都进行了计算,择其最不利者作为配筋计算的依据。

3.围护结构

围护结构护壁桩采用钢筋混凝土冲钻孔灌注桩。在基坑东、西、北三侧设置两道钢筋混凝土内支撑。在基坑南侧设置两道预应力锚杆,在护壁桩间做旋喷桩形成止水帷幕。内支撑体系共设置21根支撑桩。支撑桩在基坑底以上采用钢格构柱。基坑围护平面、剖面如图3、图4所示。

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围护桩包括A、B、C、D四种桩型、桩中心距均为1300mm,A型桩桩径为φ1100。其他型桩桩径为φ1000,各型桩桩长与配筋相差不大,A型桩大样参见图4。

内支撑体系各主要构件的尺寸∶锁口梁、腰梁、L1、圆弧梁为 1000mm×1200mm,南侧桁架弦杆、北侧桁架腹杆、长斜撑梁为 1000mm×1000mm,南侧桁架腹杆、短斜撑梁为700mm×700mm。内支撑体系部分构件配筋参见图4。

预应力锚杆采用四束7×φ5强度等级为 1570MPa的预应力钢绞线,锚杆成孔直径130mm,采用二次高压注浆工艺。注浆液为425号普通硅酸盐水泥,水灰比为0.5。第一道预应力锚杆设计长度为30m,锁定荷载为200kN,第二道预应力锚杆设计长度为 25m (或入中风化岩 2m),锁定荷载为130kN。锚杆自由度长度为6m。锚具为 OVM系列锚具

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支撑桩桩径为φ1100mm,桩长进入坑底残积土层 10m 或进入强风化岩 4m、中风化岩0.5m。支撑桩在坑底以上采用600mm×600mm 的缀条式钢格构柱,材料采用Q235等边角钢,格构柱主肢型号为 L120×12,缀条型号为 L100×10。

旋喷桩采用单重管工法,加固体的直径不小于 φ500mm,设计桩顶标高为-2.700m,底标高为-18.700m 或至中风化表面。旋喷桩注浆材料采用 425号普通硅酸盐水泥,水灰比 1∶1,注浆压力不小于20MPa。旋喷桩 60d设计抗压强度为 2MPa。

第二道内支撑在地下室底板施工完成并进行换撑后拆除,换撑方法是将地下室底板和围护桩之间的空隙用C15(拆除支撑时混凝土的实际强度)以上素混凝土填充,设计填充高度为 500mm。第一道内支撑在地下室二层顶板施工完成并进行换撑后拆除。换撑方法是从地下室二层顶板悬挑短撑顶紧围护桩,短撑段面 250mm×250mm,间距 2600mm。

四、围护结构施工和基坑开挖

围护结构的施工和基坑土方的开挖遵循先支护后开挖的原则。由于场地部分地段分布有条石,有的围护桩还要嵌岩,因此施工有一定难度。从 1997 年11月 19 日围护桩开始施工到1998年8月13日基坑土方开挖到设计标高,共历时9个月。

1.施工顺序

支护结构施工和土方开挖按照以下顺序进行∶围护桩、支撑桩(包括钢格构柱)、旋喷桩施工→标高-3.200m 以上土方开挖→第一道内支撑施工(包括锁口梁、支撑桁架、锚杆施工与张拉锁定)→标高-8.800m 以上土方开挖→第二道内支撑施工(包括腰梁、支撑桁架、锚杆施工与张拉锁定)→士方开挖至设计标高。在支护结构施工的同时。基坑监测工作亦同步展开。2.施工要求

围护结构施工的基本要求是确保基坑开挖过程中以及后续地下室施工过程中基坑支护体系的安全可靠,确保周围道路、建筑物的安全。施工过程中除了严把工程质量关外。还要严格遵守施工顺序。土方开挖前必须保证上一道支撑结构能有效地发挥作用。

3.施工各主要阶段工期

工程于1998年3月13日完成围护桩的施工,4月22日完成第一道支撑的施工,5月20日土方开挖至-8.800m标高,6月16 日完成第二道支撑的施工,8月13日土方开挖至一13.150m的坑底设计标高。4.施工中遇到的问题

在第一道支撑施工前,首先需将土方开挖至标高-3.200m。在场地北侧红线内,有一根埋深1.2m、直径 800mm的污水管,距离围护桩只有 300mm,为了保证污水管的安全。土方开挖时,采取在污水管管底插筋后再在靠基坑一侧浇灌 200mm 宽的混凝土这一措施,取得了满意的效果,土方开挖后,污水管没有受到影响。

由于在旋喷桩施工时扰动了市政排水沟,在土方开挖过程中出现过海水在涨潮时沿着市政排水沟倒灌基坑的事故,将入口用水泥浆封住后这种情况就没再发生过。

另外。由于场地地下水受海水补给。水量十分丰富。在基坑开挖后,也出现过地下水从部分旋喷桩帷幕处较大量涌入的情况,这是由于部分场地上部填土层的条石、砖块太多,旋喷桩施工质量难以保证所致,后在桩间进行多次水泥高压注浆后,基本制止了部分地段地下水的大量涌入现象,地下水的涌人量被控制在不影响地下室施工的允许范围内。

五、基坑支护监测1.监测部署

该工程对基坑支护进行了监测,监测内容包括;围护桩桩身变形、桩钢筋应力、桩顶水平位移,内支撑体系钢筋应力,锚杆拉力。监测布置情况如下;①在8根围护桩中埋设测斜管,并且在每根围护桩中埋设4个钢筋应力计;②在第一道内支撑中布置8个钢筋应力监测点,在第二道内支撑中布置4个钢筋应力监测点,每个监测点埋设2个钢筋应力计;③在第一道和第二道锚杆各埋设一个锚杆拉力计;④沿基坑四周每侧各布置一系列水平位移观测点。

监测元件的预埋与基坑支护结构的施工同步,围护桩和第一道支撑的监测在-3.200m以下土方开挖前完成初始数据的采集,第二道支撑的监测在-8.800m 以下土方开挖前完成初始数据的采集。以后随着土方的开挖、工程桩的施工等后续工程的进行,实施跟踪监测,直到地下室完成为止。

2.与监测相关的工程形象进度

监测工作主要集中在土方开挖、工程桩(人工挖孔桩)施工、第二道内支撑拆除前后三个阶段进行。围护结构和土方开挖各主要阶段的施工日期已在前面作过介绍。后续主要工程形象进度是;1998年12月14 日完成工程桩的施工,1999年5月7日完成地下室底板混凝土的浇注,5月25日完成第二道内支撑的控爆拆除,6月20日完成地下3层,7 月14日完成地下 2层,7 月 24日完成第一道内支撑的控爆拆除,8月15日完成地下室±0.000m板的施工。3.监测结果

基坑监测的数据采集工作于1998年4月 27 日展开,到 1999年6月第二道内支撑的控爆拆除完成,主要监测数据如下(均为最大值);围护桩桩身变形 10.20mm、桩钢筋应力217N/mm2,内支撑处桩顶水平位移21mm,锚杆侧桩顶水平位移 32mm,内支撑体系钢筋应力184N/mm2,锚杆拉力第一道为 270kN(锁定荷载 200kN),第二道为170kN (锁定荷载130kN)。

部分监测项目的具体数据参见表2~表4。

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六、体会

该工程基坑围护结构在地下室施工的全过程中。确保了工程施工的顺利进行和周围道路、建筑物的安全,施工过程中没有发生任何险情。这一成功工程实例表明∶在海积滩涂回填区深基坑支护采用桩锚与旋喷止水结构体系是可行的。通过该工程的设计与施工实贱,笔者有两点体会。

(1)从基坑监测取得的围护桩与内支撑桁架的钢筋应力数据来看,钢筋应力系数均未超过0.8,表明按照传统土压力理论计算出的支护体系内力,在进行结构配筋计算时是可以作适当折减的。

(2)对于采用多道钢筋混凝土内支撑的支护体系,在设计和施工时宜对拆除支撑的具体方案作出安排和考虑、以加快施工进度、本工程支撑采用控制爆破拆除。若在支撑桁架施工时事先预留部分或全部炮眼,则可明显缩短支撑拆除工期。