广州地铁上盖RJ-1基坑支护设计与施工
近年来,随着建筑高度的不断增加,根据构造和使用要求,基础埋深也随之加大,深基坑支护结构设计的要求也越来越高。本文介绍的基坑工程,埋深较大,周边环境复杂,位移限制严格,由于设计上作了充分的考虑,采用了合理的计算模型和构造措施,取得了良好的技术和经济效果,对在人口稠密的市区进行基坑开挖有较好的参考价值。
1 工程概况
广州地铁上盖RJ21 地处繁华闹市区,地上为24 层商业建筑,楼高80 m ,地下三层地下室,抗震设防烈度为7 度,采用框架2抗震墙结构,基础采用人工挖孔灌注桩。
基坑开挖范围为105 m ×80 m ,平面L 形,基坑开挖深度为1411 m。场地周边环境较为复杂(图1) ,东侧临近22 层捷泰广场,西边为交通繁忙的人民北路,北面距离基坑边4～8 m分布着5 栋多层钢筋混凝土框架结构房屋以及1 栋2 层混合结构旧房,南面紧靠地铁一号线站台,两者最近处相距不到1 m。基坑施工时必须确保地铁运营的安全。
2 场地地质情况
根据地质勘察报告,该场地岩土层自上而下大致可分为三层:
a) 人工杂填土( Qml ) :厚度自214～510 m ,平均3179 m;
b) 残积层( Qel ) :顶面埋深自214～510 m ,厚度310 m～1315 m ,平均8143 m ,土性以粉土为主,局部为粉质粘土;
c) 基岩( K2 ) :属白垩系上统三水组,岩性以细(粉) 砂岩为主,局部夹含砾粗砂岩,其中强风化岩面埋深自6100～16150 m ,中风化岩面埋深自17120～26150 m ,微风化岩面埋深自19110～34100 m。
场地内地下水主要赋存于人工填土的下部,其余为相对的隔水层或微弱含水层,其水力特征为孔隙上层滞水,主要受生活污水和大气降水补给。另外,根据现场施工情况,基岩存在裂隙水。勘测期间实测地下水埋深210～316 m。
3 基坑支护方案
本工程基坑南面紧靠地铁一号线,基坑施工期间地铁已投入运营,为确保安全,要求支护结构最大位移不得超过20 mm。根据基坑面积大,形状不规则,开挖深度深,周边环境复杂,位移要求严格的特点,经多个结构方案比较,选用钢筋混凝土内支撑的支护方案(见图1) 。
由于地下室南边与地铁车站主体结构相邻较近,故自风亭位置到地下室南面做人工挖孔式地下连续墙,墙厚110 m。此墙除作为基坑的挡土结构外,还作为边柱的基础和地下室的侧壁,桩长22 m。其余部分的挡土桩为密排的人工挖孔圆桩,桩径112 m ,桩长20 m。
支护结构采用一道钢筋混凝土支撑, 支撑中线标高310 m ,支撑间间距12～15 m ,以满足大型挖土机械的工作面要求。为减小支撑的计算跨度,在适当位置设置立柱。
1 —人工挖孔式地下连续墙;
2 —连系梁;
3 —立柱;
4 —对撑;
5 —圆弧形拱;
6 —钢筋混凝土板;
7 —地铁风亭;
8 —<1200 圆形排桩;
9 — 腰梁(1200 ×1000) ;
10 —八层钢筋混凝土框架;
11 —<500 深层搅拌桩止水帷幕;
12 —二层混合结构房屋;
13 —七层钢筋混凝土框架;
14 —九层钢筋混凝土框架;
15 —捷泰广场;
16 —地铁一号线柱桩径112 m ,嵌入基坑底215 m。
立柱间设置连系梁以加强支撑体系的联系,同时对支撑的侧向稳定提供约束。在靠近地铁风亭位置,结合基坑的几何形状,设置圆弧形钢筋混凝土拱支撑,充分利用混凝土良好的受压性能,并能提供开阔的施工平面。为平衡拱支座水平推力,在拱脚位置设置对撑。
为加强支撑体系的整体性,在支撑高度位置设置腰梁, 截面1200 mm×1000 mm。人工挖孔圆桩外止水帏幕采用<500 深层搅拌桩。根据地质勘察报告,场地内地下水主要赋存于人工填土的下部,其下的残积层为相对的隔水层,故止水帏幕不须伸至基坑底,进入残积层2 m就可满足要求,平均桩长7 m ,桩距350 mm。
4 设计计算
考虑施工现场堆放材料的要求,取基坑边地面堆载为20 kPa。
根据地质勘察报告以及工程经验, 取各土层物理力学指标如表1 所示。由于开挖范围内大部分为残积粉土,计算水平土压力时采用水土合算。计算简图见图2。
土层杂填土粉土强风化岩层底标高(m) - 4 - 14 - 34 层厚(m) 4 10 20 重度(kNPm3) 18 20 2011 φ(°) 10 20 32 c (kPa) 0 2516 415 m(kNPm4) 2 10 100
考虑基坑开挖期间的各个工况(图3) ,分别计算支护结构的内力。计算采用弹性支点法,将地基作为弹性基床,将支撑作为弹性支承,并考虑支撑点和支护桩位移对桩身内力的影响。支护桩在工况1、3、7 下的内力和位移见图4。整体稳定安全系数用圆弧滑动简单条分法计算为1163 ,抗倾覆验算安全系数为3123 ,满足规范要求。在坑侧土层情况有显著不同处重新调整土层参数进行计算。计算得支护桩最大水平位移18 mm。经计算混凝土对撑最大轴力Nmax = 6 496 kN ,腰梁最大弯矩Mmax = 2 122 kN·m ,圆弧形拱设计内力为: N = 7 222 kN , M = 4 993 kN·m ,V = 1 311 kN。
a —水平位移(mm)Max :1311 ;b —弯矩(kN·m)Max : - 126114 ; c —剪力(kN)Max : - 62314
5 施工与监测
根据本工程基坑的特点,按以下步骤进行施工;
a) 施工基坑边止水帷幕,采用<500 深层搅拌桩,用425 号普通硅酸盐水泥作固化剂,采用二搅二喷方式施工,水泥掺入比15 % ,水灰比0155。
b) 第一次开挖至标高- 315 m ,即支撑底面(图3 工况1) 。
c) 施工钢筋混凝土支撑(图3 工况2) 。
d) 第二次开挖至标高- 1411 m ,即基坑底面(图3 工况3) 。
e) 施工地下室底板,并设置支顶与支护桩连接(图3 工况4) 。
f) 施工地下二层楼板,并设置支顶与支护桩连接(图3 工况5) 。
g) 施工地下一层楼板,并设置支顶与支护连接(图3 工况6) 。
h) 拆除钢筋混凝土支撑(图3 工况7) ,施工地下一层及首层楼板,最后进行基坑填。地下室楼板与支护桩之间的支顶每层设置一道,每道支顶隔一根桩设置一根,沿高度方向作梅花形布置。由于支护桩在标高- 310 m处已设腰梁联结,在地下室楼板与支护桩连接处无需再设置围檩,从现场检测结果看来,换撑后支护结构的整体性保持良好。
施工过程中基坑壁渗水量很少,说明止水帷幕的设计是成功的,为主体地下工程施工提供了良好的施工条件。本工程采用信息化施工,施工期间进行严格的位移监测,支护结构最大水平位移19 mm ,满足地铁要求,与计算值基本吻合。基坑北面的二层混合结构旧房在工程桩施工爆破过程中曾发现少量裂缝,经监测在基坑开挖过程中裂缝保持稳定,没有发展,说明本基坑工程在位移控制方面取得了良好的效果。
本工程充分利用基底土层条件较好的特点,支护结构采用了较小的嵌固深度,仅用一道混凝土支撑,满足了严格的位移限值要求,施工造价较低,同时通过合理的支撑布置,满足了施工期间大型挖土机械的工作空间要求,大大加快了施工进度,取得了明显的技术和经济效益。
6 结论和建议
通过本工程的设计施工与实践, 有如下几点结论和建议:
a) 对于基坑平面尺寸较大,开挖深度较深,而离坑边较近有建(构) 筑物或地下管线需要保护时,采用钢筋混凝土内支撑结构体系是一种安全可靠和经济合理的深基坑支护方案;
b) 选取合理的计算模型和适当的计算参数,是准确计算支护结构内力和变形的关键;
c) 应根据基坑几何形状,结合施工条件,灵活选择支撑形式(如直撑、角撑、圆弧形拱等) ,以取得技术和经济的综合效益。
工期要求下,1 号机主厂房钢结构吊装必须采用分层与加工同步进行的方案,经过多方案比较,决定采用这样的吊装方案。仍采用两台吊机布置,一台布置在A 列外,一台布置在除氧间,整个吊装必须分成三大区域进行,即汽机间、除氧间和煤仓间。为了满足起重设备的站位和起重幅度要求。先进行汽机间和煤仓间的分层吊装,待此两区域结构吊装到顶后,利用布置在除氧间的吊机,将除氧间结构沿纵向从⑩轴往①轴方向吊装,吊机随吊随往后退(见图2 示) 。
3. 1 起重设备的布置
如果在除氧间仍布置150 t 履带吊。吊装通道难于满足吊机的工况要求。因为除氧间轴线间距9 m ,减去柱子尺寸,有效间距只有8 m ,而查150 t 履带吊性能表,其机身旋转半径为516 m ,所以B、C 列柱吊装就位后,150 t 履带吊的机身旋转摆动必然与B、C 列柱相碰。为了解决这一问题。同时考虑除氧间与1 号锅炉构架的有效距离,决定在除氧间布置一台200 t·m小塔吊,小塔吊的塔身有效高度5514 m ,臂杆长度2018 m。小塔吊在除氧间⑩～ ⑧轴组装,轨道先铺设至⑨轴,后随吊装的行走而跟随铺设,小塔吊主要负责除氧间和煤仓间的柱、梁、撑和煤斗的吊装。在A 列外仍然采用150 t 履带吊,负责汽机间柱梁、撑、天车梁和屋架结构等吊装,同时150 t 履带吊作为主吊。还要在除氧间完成B、C、D 列底层钢柱吊装后再转移至A 列外进行吊装(见图1 示) 。
3. 2 构件的加工要求
由于除氧间和煤仓间的构件均由小塔吊来吊装,而且经过计算,D 列柱中距离小塔吊最远的为1718 m。查200 t·m 塔吊性能表,此时其最大起重量为10 t 。所以除氧间和煤仓间的构件加工时必须控制在10 t 以内。由于主次梁、撑等设计重量为5 t 以内。所以主要是要控制柱的分段加工、由于B、C、D 列的底层柱均由150 t 履带吊来吊装,所以柱子分段时,底层柱在满足吊装高度的情况下尽量长些,柱子分段情况如下 柱列号分段标高,m 底层柱重量,t 二层柱重量,t 三层柱重量,tA、B 列y 2210 15～20 8～9C、D 列y 2310、y 3510 17～29 8～9 5～6
煤斗采用分段加工,分层吊装。每个煤斗分六层,每层重量控制在10 t 以内。
3. 3 汽机间屋面结构和天车梁的吊装
由于小塔吊吊装时需在除氧间来回行走,所以在汽机间和煤仓间结构到顶时,除氧间仍然无法吊装连接汽机间和煤仓间的主梁,当时业主担心除氧间连梁吊装前吊装汽机间天车架和屋架,会使厂房缺少整体稳定性,而且吊装期间正值台风季节,所以汽机间天车梁和屋面结构的吊装只能与除氧间结构同轴号同步进行,保证每跨屋面结构和天车梁吊装时,汽机间和除氧煤仓间连成一体。
4 施工体会
a) 在工期要求比较紧,钢构件只能分层供应的情况下, 采用这种吊装方案既简单,又能赢得工期,效果良好,可应用于类似的主厂房钢结构吊装中。
b) 吊装期间如果没有台风等大的影响因素,完全可以先完成汽机间天车梁和屋面结构的吊装后再吊装除氧间结构。因为汽机间的A、B 列柱本身就是对称结构,不存在B 列柱偏心受力现象。
c) 如果先完成汽机间天车梁和屋面结构的吊装后再吊装除氧间结构,小塔吊可以协助150 t 履带吊完成汽机间靠B 列半坡屋面檩条和屋面板吊装,至少可以使厂房提前15 d 封顶。
