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基坑支护毕业论文

2017-11-27 16:46:49  字体:   打印 收藏 

摘 要:超大深基坑支护设计的演变 摘要:文章针对深圳湾填海区某大型地铁上盖综合体项目基坑支护设计过程中,面对毗邻三条地铁线路的复杂环境,结合建筑方案不稳定、开发品质高、销售计划紧的特点,在施工周期短、工程难度大的情况下,如何循序渐进地对基坑支护设计

关键词:基坑支护毕业论文


  超大深基坑支护设计的演变

  摘要:文章针对深圳湾填海区某大型地铁上盖综合体项目基坑支护设计过程中,面对毗邻三条地铁线路的复杂环境,结合建筑方案不稳定、开发品质高、销售计划紧的特点,在施工周期短、工程难度大的情况下,如何循序渐进地对基坑支护设计进行选型分析和演变优化,从而有效实现对周边地铁设施的保护,并取得良好的效果。可为类似工程提供设计及管理方面的参考。

  关键词:基坑支护;内支撑;建筑方案;工程策划;分区开挖;分坑

  桩基坑支护设计及项目整体开发策划对于每一个项目而言均具有非常重要的作用,它受制于多个方面,关乎着整个项目的开发销售计划和工程的顺利实施。文章以深圳湾填海片区的地铁红树湾物业开发项目(即深湾汇云中心项目)基坑工程为例,重点介绍了临近地铁车站、隧道的超大深基坑在进行支护结构的设计选型时,除了保证自身的稳定和安全的同时,重点考虑注意事项,并主动适应业态复杂的大型地铁上盖综合体,在前期面对建筑方案调整、分期开挖、分期销售的整体开发需求,又可以控制地铁的位移变形,使其不超过相关规定。

  1工程概况

  红树湾物业开发项目位于深圳湾南侧,东临深湾二路,南临白石四道,西临深湾一路,北临白石三道。拟建项目用地面积约6.8万m2,为办公、酒店、公寓及大型商业功能的大型地铁上盖综合体项目,总建筑面积近60万m2;项目中间被配套的市政道路分为东西两区,东西区在地下相通;东区为4层地下室,其中地下一、二层与上部四层裙房形成一个近10万m2的大型购物中心,南侧9/11号线车站与北侧2号线下沉广场通过项目地下二层斜向联通实现站外换乘。周边环境相对复杂,西南侧地下室边线距离地铁11号线隧道边线仅4.4~6.8m,南侧大部分(除西南侧)地下室边线紧贴9号线与11号线换乘车站;东北侧地下室边线距离地铁2号线隧道边线约7~28m,西北侧紧邻地铁2号线车站(局部位置紧邻下沉广场)。该项目基坑东西长约320m、东西长约分别是190m/130m,平面形状大致呈较不规则的四边形,支护周长约980m,基坑开挖深度约为12.34~20.08m,基坑面积约5.4万m2,其余大部分占地为地铁车站共用,是典型的临近地铁的超大深基坑(见图1)。

  2项目建筑方案演变过程

  红树湾项目2014年初确定了中标方,其建筑方案为南北侧地铁通过地上、地下敞开式斜交换乘的方式将地块分为两片(见图2)。在2014年底通过公开招标的方式引入合作开发方万科后,设计单位与方案深化单位结合万科开发理念,针对项目原方案商业面积零散不满足设置体量较大的商业Mall的需求,以及商业和公寓各类出入口不能在四周主干道设置的现实情况,在项目地块中间代建的市政配套道路上设置出入口,并实现东西侧功能上的动静隔离。初步确定了西侧4栋公寓加一栋办公,东区两栋较矮办公和一栋350m超高层办公的平面格局,但保留了地上、地下的换乘通道(见图3)。后期由于地上地下的换乘通道对地下商业的影响和总平出入口影响太大而被迫放弃(见图4)。再后期由于西区公寓景观和视线的要求,以及新消防规范的实施而。

  3对支护设计选型的影响和演变

  3.1围护结构的选型过程

  红树湾项目基坑支护设计和工程管理工作在开展初期,结合项目南北侧临近已运营地铁线路、周边道路、场地地质条件等情况进行常规设计,在初步优化方案的基础上,将地下室边界条件实现稳定。基坑北侧临近已运营的地铁2号线,基坑南侧紧邻即将运营的地铁9号线及11号线,初步分析不具备采用常规放坡或排桩锚索的条件,基坑在填海区范围内且整体基坑面积超过5万m2。为了避免开挖过程中大面积卸载和开挖后的空间效应不对地铁造成较大的影响,要求围护结构必须要有足够的刚度,所以在南北两侧的维护结构首选地下连续墙;而东西两侧靠近市政道路,具备放坡或设置排桩锚索的条件,从整体支护和经济角度初步选择排桩锚索体系。同时,止水在基坑工程中起着至关重要的作用。由于地连墙需穿越砂层等强透水层,若止水效果不佳,坑内发生渗漏甚至绕渗现象等引起的涌水涌砂,将导致基坑位移过大,抗倾覆、抗隆起及整体稳定等安全系数均大幅度降低,严重影响基坑安全,并使临近的地铁产生较大的变形及沉降甚至隧道管片结构受损,造成极大的安全隐患。故最终否决了基坑东西两侧采用排桩加锚索的维护结构。特别需要说明的是,由于南侧9号线和11号线车站是两线换乘共用一个车站,其开挖深度与开发项目基坑深度相当。根据南侧地铁9号线原设计单位提供的图纸,原地连墙的嵌固深度基本满足要求,且考虑到该车站是一个宽约40m、长约600m的大型地下刚体。该地连墙承受的水、土压力远小于东西两侧,如果在南侧为项目基坑设置一道地连墙对项目地下室的布局和功能也影响非常大。在基坑设计单位复核了原地连墙嵌固深度和内支撑条件,并经车站原设计确认,并得到地铁相关部门和技术专家多轮沟通、协调后,本着受力明晰、可靠、经济合理的原则,南侧的围护结构利用了这道既有的地下连续墙。根据以上分析情况,为了保证围护结构的刚度及整体止水效果,本基坑的围护结构确定采用地下连续墙来兼具挡土及截水的双重作用。其中,南侧利用既有的地下连续墙,西侧及西北侧新设计地下连续墙(见图6)。新旧地连墙连接处设置若干旋喷桩的型式来进行衔接和补强。图中地下连续墙的嵌固深度和截面,以及配筋,由于建筑方案地下室的层数和深度不稳定,而无法准确的设计;但此时可以做一些前期工程准备工作和场地清理等工作。

  3.2分坑桩的提出和内支撑结构的设置思路

  在保证基坑安全的同时,需要严格控制地铁的变形位移使其不超过相关的保护规定是本项目基坑内支撑设计的重中之重,所以本基坑的支撑体系由设计、业主、施工方原则上确定为刚度较大的钢筋混凝土内支撑。在前期结合图3方案中各个塔楼的相对位置,使得所设计的内支撑尽量减少对塔楼地下结构的干扰;以及尽早实现开工的目的,在稳定了方案地下室轮廓后由业主配合设计单位积极开展支护结构地下连续墙的设计及施工准备。由于基坑东西向长约320m、南北向约130~190m,基坑的变形具有长边效应,即基坑在开挖过程中,其长边中间位置附近的变形位移往往是最大的。本基坑北侧长边的中部,正好紧贴地铁二号线红树湾车站与盾构隧道的交界处,车站的刚度显然远大于由预制管片拼装的隧道结构,判断分析后认为该处为基坑周边最薄弱和敏感的部位,在与地铁技术委员会初步沟通时被地铁相关专家所认可,并要求在此处设置一道分坑桩。同时,本基坑西侧和东侧的支护深度和层数也均不相同而且施工进度要求不一致,场地西侧的开发施工进度较为急迫,完工时间预定要比东侧提前约一年左右。再者在项目西侧的2号线车站与项目有约100m长、10m深的下沉广场范围是空缺,无法有效为基坑内支撑体系提供反力,使得北侧的水、土压力不能直接有效的传递和平衡到南侧。因此,针对本基坑的需求和特点,设计单位在项目中间代建的市政道路位置,也即基坑东西区在地下室三层与四层交界处设置一道分坑桩,形成东侧和西侧两个相对较小的基坑,能独立施工互不影响,且可以有效的控制和减小地铁车站和隧道连接处的变形。内支撑的布置需要结合本项目的特点,应对其具体的型式进行深入细致的分析,在分坑桩的基础上,提出了三种内支撑的型式。由于建筑方案和工程策划一直在演变和细化中,也需要开发商各个职能部门多角度、多维度的深度参与,内支撑方案最初是常规意义上的概念设计选型,采用环型砼内支撑(见图7)、单环加对撑和角撑(见图8)、对撑和角撑(见图9)等形式。中东区环撑虽让出了超高成塔楼,但环撑直径太大达到近150m,西区小环撑没考虑下沉广场的不利影响,以及对撑超长不稳定,后经设计院复核计算上述三个方案均有较多技术问题和限制条件而调整了设计思路。

  3.3内支撑结构分区支护设计的优化

  在东西两个基坑的前提下,考虑下沉广场的不利因素,将西区基坑将内支撑的形式稳定在四个边角处,设置了四块大角撑。起初在其中部区域,设置了呈十字状的两个大对称来平衡两侧的土压力。在南边既有地下连续墙的区域,由于紧贴着地体9号线和11号线的换乘车站的结构刚体,土压力并不大,所以仅设置边桁架来进行支撑。在北边2号线下沉广场的区域,由于基坑外侧并无实土来提供相应的支撑反力,故在这一区域不设置内支撑。为了保证足够的支撑刚度且满足中部高层塔楼的顺利施工,结合场地形状,东区内支撑结构采用双圆环的环撑型式(见图10)。支撑型式带来的问题是西区基坑中东西向起到主撑作用的中部对撑,长度超过180m,对于对撑的刚度削弱较大,控制变形特别是平衡环撑的能力很低,不能有效的抵抗东区环撑传来的巨大推力且影响了部分塔楼地下室结构的施工。针对上述缺点,以及开挖施工、方便拆换撑的考虑下,逐步进行了相应的优化(见图11)。①西侧基坑取消十字状大对撑,仅在四个边角处设置四块大对撑,加强了支护刚度,并有利于塔楼地下室结构的施工;②根据下沉广场处的最新建筑调整方案,将其与本项目的地下室直接连通,仅设置高压旋喷桩进行止水,地连墙断开处可通过设置若干根灌注桩组成的“墩体结构”来进行加强。但支撑型式在技术层面仍然存在一定的缺点:不管是角撑还是圆环撑,都设置了过多的连系梁,导致产生了过多的冗余结构,使得传力体系过于繁复不明晰;同时也加大了施工和拆撑难度,降低了施工效率,也较多的将西区B栋塔楼压在东南角撑下面,东区环撑也对超高层巨柱有所限制。

  3.4内支撑结构对项目整体开发策划的影响

  后续随着建筑方案的逐步稳定,将西区局部车库、公交场站上提至地面裙房的方案调整,使得西区地下室减少一层从而大大减少土方开挖深度和土方量,同时也使西区内支撑的道数也稳定为两道,项目整体策划分期开发和施工销售节奏也越来越明晰、投资方立足于市场大环境计划将一期四栋公寓率先推出销售,实现资金的部分回笼。为此西区基坑和结构主体先期施工对基坑支护设计提出了更高的要求,设计方案在业主工程管理方、营销方、成本和施工方的共同介入下,为满足上述目标设计单位结合建筑平面各栋塔楼的具体位置,将内撑尽量错开塔楼,错不开的进行局部转换,经计算复核共同确定下述原则:西区采用相对独立可单独拆除的角撑,并实现西区坑内空间最大化,使得后续地下室施工时不受内支撑拆换撑和地下室结构施工限制的B、C、D、E栋公寓产品,属于一期分期图(见图12),可以顺利往上施工塔楼结构,以便于快速达到销售所需要的施工节点,同时也可先施工西区的角撑并实现土方开挖,和主体柱基础的施工。东区采用环撑可以使得东区工期最长的J座超高层塔楼的核心筒不受环撑影响,个别受影响的巨柱在环撑处的砼撑结构局部预留孔洞,在孔洞周边就近实现结构转换和补强。在东区由于根据需要设置三道环撑,在完成底板施工后350m超高陈塔楼的结构也不受整体拆换撑和地下室结构施工的影响而直接可以顺利冲出地面,对超高层塔楼的主体结构的快速施工奠定了基础。优化图(见图13)。后期在支撑型式基础上,施工方提出尽量规整、施工和拆除方便,以及施工场地少、希望在撑上提供一些材料堆场及交通运输的组织的需求。以及从施工策划角度西区基坑先土方开挖施工至首道撑底,再施工支撑桩和塔楼桩基础,然后施工二道撑、再开挖土方和其下底板各工序;东区基坑比西区相对较慢,从而在东西区各工序间可以顺利实现流水。根据施工方的部分意见以及后期精细化计算后,进行了下面两方面的相关优化:①西区减少了一些基坑角撑的连系梁,使其传力体系更加明晰;②东区取消了圆环撑的三角形连系梁,直接将辐射撑支承在圆环撑上,受力简单明确、有利于土压力的传递。由于本工程的圆环撑(内径125m、外径140m)在图13东、西区砼内支撑优化中平面示意图二深圳乃至国内都尚无较多先例,在满足计算的前提下,于三道环形内支撑和角撑上部重要部位加设结构楼板,以增加环撑和角撑的整体面外刚度,同时也可基本满足施工方提出的施工场地不足的问题;后续经过设计方的精心计算和参与各方的共同努力,在大部分受力较大的角部区域增加了300厚结构加强板,最终演变成的内支撑施工图(见图14)。

  3.5地铁保护对支护方案的要求和影响

  由于地铁设施对沉降和变形是按毫米级别来控制的,所以基坑支护设计的重中之重是采用何种方式有效控制地铁设施的变形,并取得地铁集团技术中心的认可。本项目基坑支护设计基本完善前后,主动按深圳地铁保护条例的要求,与地铁技术委员会专家沟通并上会审议。经专家评审,在基坑西南角的AC段(基坑与地铁11号线隧道间)和基坑北侧的OP段(基坑与2号线隧道间西侧)土体先采用袖阀管注浆进行加固后才开始基坑的施工。根据地铁保护条例的要求设计单位还提交了华南理工大学采用大型岩土有限元软件—MIDAS/GTS建立三维模型进行整体模拟的计算结果,最终的支护方案计算结果满足地铁相关要求。同时要求在基坑开挖、地下室施工的全过程对地铁车站、隧道和基坑进行有效不间断的监测;后期第三方隧道监测数据显示隧道的变形比理论计算要大,但仍在可控范围内,根据地铁技术委员会的再次审议,建议在北侧2号线隧道与基坑间土体在原设计部分加固的基础上,整体进行了隧道外袖阀管注浆加固,并要求在稳定隧道变形的前提下方可完成三道环撑下靠近地铁隧道的土方(见图15)。

  4结束语

  本基坑工程于2015年5月开始施工,目前西区基坑已完成地下室及上部主体的施工,而东区基坑已完成第三道支撑和其下土方的施工,正在进行后续底板的浇捣。根据施工现场的反馈,基坑内部无渗漏、支护结构变形较小,地铁结构的变形也在地铁相对可控范围内,整体支护效果良好。

  4.1本基坑支护设计主要从下面几个方面来综合考虑

  (1)审慎对待临近的地铁设施,无论在基坑支护设计、施工、建筑方案的深化以及后续的桩基础施工过程中,都要将保护地铁放在首要位置;同时需要与地铁相关部门做好充分的沟通和协调。(2)支护结构是否受周边场地,地块道路、地铁等限制条件,能否采用排桩锚索、放坡等支护形式,在两三种可选方案的情况下应进行综合比选,应选用安全性较高的方案,建议在临近地铁的基坑优先采用较为可靠的内支撑受力体系。(3)基坑东西向单边长度约320m,为避免长边效应采用分仓法设计,便于分坑分区域施工;从工程策划角度使得地下室较浅、公寓较低的西区实现提前施工;考虑东区基坑更深、还有施工周期最长的350m超高层塔楼等因素,支护方案应重点考虑在拆除时对项目整体施工组织以及各工序合理流水的影响。(4)重视支护结构平面定位与地下室外边线和项目红线及周边环境的关系合理设计。(5)基坑支护应配合业主各个相关方,充分沟通,共同介入和研究建筑方案,避免被动接受输入条件;及时沟通和掌握相关规划、报建方面的信息,尽可能将施工速度最快、销售有前置需求的单元或塔楼,尽量布置在不受内支撑影响的范围内。(6)对于支护桩、地连墙及后期工程桩的选型和施工方法也需要采用考虑减少抽降水和振动的成桩工艺,最大限度的减少对周边地铁的影响。

  4.2本工程实践总结

  项目前期,在满足建筑规划需求的前提下,多从工程策划、营销、施工等多角度调整建筑布局和方案,使得西区塔楼的平面布局尽量避开内支撑,并提前考虑各个塔楼的桩基础的设计是很有必要的;在首道撑梁底标高处基本可以具备各个塔楼桩基础的施工,尽快开挖并施工第二道内支撑,从而在不完成西侧全部地下室封底的施工策划下,最终实现不受内支撑影响的4栋塔楼(B、C、D、E)从规划报建、分期、到提前介入塔楼的施工、完成具备销售形象、到实现快速销售的目的是有可以实现的。在整个过程中对基坑设计逐步调整和优化,要避免由支护设计方单方面设计的局面,需要在业主设计部、项目部、工程部、营销部以及施工方等全面、及时、持续介入的情况下,让基坑设计方综合各方意见,逐步达到以营销、设计、施工为前置的项目基坑支护设计和工程策划目标,为项目整体开发奠定坚实可控的基础。经过2015年4月基坑开始支护设计开始,到后期的西区基坑的开挖施工,比常规工程策划和设计管理思路实施的施工进度提前约6个月,至2016年底,项目西区销售型公寓基本具备销售的形象进度、东区基坑底板封底的目标,取得了良好的经济效益和社会效应,为项目后续的开发建设奠定了坚实基础。根据过程中第三方监测数据反映,基坑的变形在设计可控范围内,但北侧地铁2号线隧道想基坑内的水平位移和沉降超过计算值,这与模拟计算有较大不符。这可能与填海区在沿道路下有较多抛石层,在施工桩基础和后期西区拆除内支撑时局部采用炮击破除法引起的震动有关,需继续探讨相关因素和计算模拟的假定合适与否。类似工程应多加关注和避免。

  参考文献:

  [1]刘晨,丘建金,李爱国,等.软土地区临近地铁车站的深大基坑支护设计选型分析[J].广东土木与建筑,2016,23(1):54-57.

  [2]刘晨,丘建金,李爱国,等.软土地区深大基坑分区支护的设计分析[J].工程技术研究,2016,(5):32-35.

  [3]深圳市市政设计研究院有限公司.深圳地铁红树湾站上盖物业开发项目岩土工程勘察报告(详细勘察阶段)[R].2014,(12).

  [4]华南理工大学建筑设计研究院.深圳地铁红树湾站上盖物业开发项目基坑施工对邻近地铁的安全评估报告[R].2015,(9).

  [5]梁青林.深基坑支护施工技术在建筑工程中的应用[J].工程技术研究,2017,(10):90-91.

  作者:贾海云 杨建华 谭启润 陈玮 林雪旭 刘晨 单位:深圳市地铁集团物业开发总部总部 中国建筑一局集团华南区域公司 深圳市勘察测绘院有限公司

  建筑科学论文参考文献:http://www.qikanol.com/jianzhukexue/

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