高層建筑地下室基坑支護工程結(jié)構(gòu)設計與施工處理

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

　　1、工程概況

　　湖南某建筑工程東面為小區(qū)道路，距路邊約20m；南面為單層臨建某酒店，間距約5.5m，該臨建基礎采用φ600噴粉樁，樁長約15m，但現(xiàn)場觀察有部分墻體有不同程度的開裂，是基礎不均勻沉降引起的，如果地下室深基坑支護結(jié)構(gòu)有較大變化，就會對該酒店造成較大不利影響；西面為圍墻，距離約10m，北面是八層宿舍樓，間距約13m。該建筑物占地成矩形，長55.52m，寬18.5m?？偨ㄖ娣e約15500m2，樓高15層，設一層地下室，地下室層高分別為4.4m和3.4m，但外露0.9m在地面上。場地自然標高約為-0.90m，地下室基礎承臺墊層底標高分別為-6.4m和-7.35m，即地下室挖土深度分別為5.5m及6.45m，具體布置詳見圖1。

　　2、地質(zhì)條件

　　按地質(zhì)鉆探資料提示，地質(zhì)情況按孔深分層如下：0～3.7m為雜填土，松散；3.7～16.7m為淤泥質(zhì)粘土，飽和流塑；16.7～24.1m為中細砂角礫層，飽和，中細砂松散，角礫稍密；24.1～26.6m為粉質(zhì)粘土，飽和硬塑；26.6～29.3m為粉質(zhì)土層，濕堅硬；29.3～55.5m為強風化花崗片麻巖。地下水位較高，地表下約0.84m。

　　3、基坑支護結(jié)構(gòu)設計方案的選擇

　　根據(jù)該建筑物地形及鉆探資料，綜合分析該地下基坑有如下幾個特點：

　　1）基坑開挖深度大。

　　2）基坑開挖深度范圍內(nèi)是雜填土、淤泥，土性差；地下水位較高。

　　3）地下室南面距某酒店只有5.5m，且酒店有約3.0寬洗車槽場地及海鮮水池設在此5.5m范圍內(nèi)。鉆孔樁，噴粉樁等機械無法靠近施工。并且一定要保證酒店正常營業(yè)，地下室施工時要保證該酒店建筑物的安全。

　　通過對多種方案綜合分析，最后確定地下室基坑南面采用拉森Ⅲ型鋼板樁圍護，其余三面采用鉆孔樁φ800、φ1100圍護，鉆孔樁外側(cè)采用φ500、φ400噴粉樁聯(lián)成止水帷幕。鉆孔樁除基坑底為-7.35m部分采用兩層水平支撐外，其余鉆孔樁均采用一層水平支撐設計，鋼板樁采用兩層水平支撐設計。第一層支撐體系采用鋼筋混凝土梁（其中鋼板樁仍使用HK300C工字鋼作腰梁，節(jié)點利用焊接鋼筋錨入支撐混凝土中），中間設φ800鉆孔支承樁。第二層支撐體系采用HK300C工字鋼。由于部分基礎承臺阻擋節(jié)在二層支撐的支撐樁上，考慮到不能拖延加設支撐的時間，因而先加設支撐，然后支撐與承臺混凝土一起澆筑（見圖2、圖3）。

　　此設計方案本著“安全、經(jīng)濟”的原則，一方面采用鉆孔樁及鋼筋混凝土支撐，經(jīng)濟合理，節(jié)省工程開支，又能保證基坑支護結(jié)構(gòu)有足夠的剛度和整體性；另一方面，鋼板樁可接駁加長，使樁錘能懸空施打板樁，以解決場地限制問題；另外，鋼板樁的抗?jié)B性能較好，鋼支撐安拆方便，施工速度快，且鋼板及鋼支撐可重復使用。

　　4、支護結(jié)構(gòu)設計的驗算取值

　　4.1鉆孔樁的計算（按等值梁法計算）

　　4.1.1r、Ck、ψk按20m范圍內(nèi)的加權(quán)平均值計算，求得：r＝15.9Kn/m，ψk=120；主動土壓力系數(shù)Ka=tg2（45-12/2）=0.66；被動土壓力系數(shù)Kp=tg2（45+12/2）=1.52；查表得K=1.28；eAh=rhKa=15.9×5.5×0.66=57.7kN/m2；eAq=qKa=2.64kN/m2；計算簡圖見圖4.

　　4.1.2基坑面以下支護結(jié)構(gòu)的反彎點取在土壓力零的d點，視為一個等值梁的一個鉸支點，計算樁上土壓力強度等于零的點離基坑底面下的距離為：y=Pb/r（K？Kp-Ka）=2.94m。

　　4.1.3按簡支梁計算等值梁的兩支點反力，求得：Po=127.3kN/m，Ra=134.6kN/m。

　　4.1.4計算鉆孔樁最小入土深度to=X+Y，X=10m，求得：to=12.94m；t=1.13×to=14.62m；L＝h+t=5.5+14.62=20.12m。綜合考慮樁長取L＝20m。

　　4.1.5按剪力為零處彎矩最大，求得最大彎距：Mmax=246.8kN/m。

　　4.1.6采用φ800徑鉆孔樁，每隔1100mm布置，最大彎矩設計值：Mmax＝246.8×1.1×1.2＝325.8kN/m樁混凝土等級為C25，通過常規(guī)方法計算，鉆孔樁選配16φ20（對稱配筋，承受最大彎矩每側(cè)配密箍）。

　　4.2水平支撐GL1的截面設計

　　水平支撐GL1的截面尺寸定為500×900mm，作用于GL1的豎向荷載包括GL1的結(jié)構(gòu)自重g=1.25kN/m和支撐頂面的施工荷載q=9.7kN/m2，作用在支撐結(jié)構(gòu)上的水平力包括由土壓力和坑外地面荷載引起的圍護墻對腰梁QL1的側(cè)向力?？砂磭o墻沿腰梁長度方向分布的水平乘以支撐中心距確定，即支撐的軸向力為NO＝7.5Ra=7.5×134.6=1009.5kN。

　　水平支撐GL1按偏心受壓構(gòu)件計算。取內(nèi)力標準值綜合系數(shù)為1.2，則GL1上的彎矩M＝1.2×（g+q）lo2/8=219.1kN/m；軸力為N＝1.2No=1211.4Kn，為了構(gòu)造簡便，GL1采用對稱截面配筋，經(jīng)按常規(guī)方法計算，GL1上下各選配6φ25。

　　4.3腰梁QL1的截面設計

　　QL1梁的截面尺寸定為500×800mm，圍護墻沿QL1梁長度方向分布的水平反力為q=Ra=134.6kN/m，考慮八字撐的影響，QL1梁的計算跨度按規(guī)范取lo=（l+l1）/2=5.0m，QL1梁按連續(xù)梁考慮。查表知Mmax=0.107qlo2×1.2=504.75kN/m，最大剪力Qmax=0.607，qlo=408.5kN.通過正截面承載力計算及斜截面抗能力計算，選配6φ25（每側(cè)）。

　　4.4工字鋼I30的強度驗算

　　查表Wx=472.3×103mm2；（f）=215Mpa，得f=Mmax/Wx=106.9Mpa＜（f）），所以，采用I30工字鋼偏于安全。

　　4.5鋼板樁的計算

　　基坑深6.5m，經(jīng)驗算是一層內(nèi)支撐不滿足要求，為此要用第二層內(nèi)支支撐。采用現(xiàn)在拉森Ⅲ型鋼板樁，其截面特性：Wx=1600×103；f=200N/mm2；最大彎矩設計值：Mmax=1.2×189.2=227.04kNm/m；f=Mmax/Wx=142﹤200N/mm2；考慮到現(xiàn)有鋼板樁規(guī)格等因素，經(jīng)驗算樁長設計為20m，保證深基坑支護結(jié)構(gòu)安全。

　　4.6第二道腰梁QL2的截面設計

　　設計采用H鋼HK300C，其截面特征值：A=225.1×102mm2；Ix=40948×104mm4；Iy=13734×104mm4；Wx=2559×103mm3；Wy=900×103mm3；ix=135mm；iy=78mm；沿QL2梁上分布水平力q=1.2×243.2=291.8kN/m；M=0.107qLo2=780.7kNm；f=M/Wx=305＜315N/mm2。

　　4.7第二層水平支撐QL2截面設計

　　GL2梁采用HK300C鋼梁，其自重q=1.77kN/m；自重產(chǎn)生彎矩M=22.2kN/m；軸向力No=7.5RB=2188.8Kn；ε=M·A/N；W=0.089＜30；λ=lo/iy=117；ψb=0.374；f=2=260N/mm2﹤315N/mm2。

　　以上結(jié)構(gòu)設計理論值經(jīng)驗算，符合設計規(guī)范要求。

　　5、基坑支護結(jié)構(gòu)的施工處理措施要點

　　5.1鋼板樁的施工

　　為避免施工打工程樁時震動及土壤擠壓對酒店的基礎影響，所以靠近酒店（平行于A軸）的鋼板在工程樁施工前先打，打完鋼板樁后在板樁背后做排水溝。

　　5.2鉆孔樁及噴粉樁施工

　　全部鉆孔樁均在工程樁完成后才進行鉆孔施工，鉆孔樁采用“跳打”的方式施工。噴粉樁按鉆孔樁的施工進度分段插入施工。

　　5.3挖土施工及支撐的設置和拆除

　　5.3.1鉆孔樁完成后，降土約1.3m深（即支撐梁面標高-2.2m），制作第一層支撐，該層支撐完成后大面積回填300mm厚土，支撐面為不少于300mm厚的準石粉石渣，這樣一方面保護支撐不被機械壓壞，另一方面有利于運泥車在場上行走。

　　5.3.2地下室大面積降土時，根據(jù)加設第一層支撐后，未加設第二層支撐之前，保證鋼板樁安全的驗算挖土深度來開挖土方，并且通過研究核算決定，除坑底設計標高為-7.35m的部分和靠A軸至鋼板樁的范圍內(nèi)挖土至-5.9m深，并按I-I剖面圖所示在靠近鋼板樁留設土臺外，其余部位均大面積降土至標高-6.4m。這樣，通過預留土臺，增加被動土壓力的土坑力，保證鋼板樁的安全，充分利用機械挖土，加快施工速度。實踐證明該方法是可行的，但不同的土質(zhì)其留設的土臺的寬度不同。

　　5.3.3第二層支撐應在挖土后兩天內(nèi)加設完成，不能拖延時間，保證整個支護結(jié)構(gòu)安全。

　　5.3.4全部樁承臺施工完畢后，用石粉、石渣將基坑回填至于-5.9m處，這樣，使整個基坑底回復于一層支撐的深度，然后拆除第二層支撐，繼續(xù)填土至能施工地下室底板為止。

　　5.3.5第一層支撐（-2.2m）待±0.00樓面施工完畢，圍堰樁與地下室外壁回填土方至-3.00標高外才拆除。

　　5.4降排水處理措施

　　基坑上部外圍采用集水井和排水溝聯(lián)合排水，雖然鋼板樁及粉噴樁止水帷幕抗?jié)B性能較好，但為防止基坑開挖時的雨水、少量滲水及土層含水量的影響，基坑底四周共設8個集水井，井壁用磚砌筑，但磚縫必須疏水，井內(nèi)徑為1.0m，井底標高比施工面低0.8m，井內(nèi)設潛水泵，集水井用排水溝縱橫聯(lián)接。這樣，由排水溝、集水井和抽水設備組成一個簡易的降排水系統(tǒng)將地下水位降低至6.0m以下。

　　5.5鋼板樁的回收

　　完成±0.00樓面，全部支撐拆除后，采用吊車在A～B軸的樓面行車回收鋼板樁。

　　6、施工監(jiān)測

　　為及時掌握基坑支護工程的變化動態(tài)，對該項工程采取專門監(jiān)測，對所定的監(jiān)測內(nèi)容定時進行觀測，印制標準表格，進行數(shù)據(jù)整理，繪制位移（沉降）-時間坐標圖，以觀察各參數(shù)隨時間的變化趨勢，及時反饋信息，指導土方開挖和后續(xù)工程施工。

　　觀察項目包括：

　　①觀察南面酒店及北面八層宿舍樓的軸線標高變化，在靠近基坑支護工程的墻轉(zhuǎn)角及中間各設四個三角標志；

　?、谟^察東面小區(qū)道路及西面圍墻的標高位移變化，各設兩個標志；

　?、垆摪鍢秹般@孔樁墻每隔15m設一點，觀察水平位移和垂直度。

　　監(jiān)測結(jié)果表明：從挖土到地下室工程完工，共進行18次監(jiān)測，在整個監(jiān)測過程中，圍堰的位移、傾斜、支撐變化均正常，周圍建筑物、道路、管線安全。主要監(jiān)測結(jié)果如下：

　?、倌厦婢频甑妮S線無變化，最大沉降量為3mm。

　?、跂|面小區(qū)道路及西面圍墻無明顯變化。

　　③鋼板樁最大傾斜13mm，最大移位為18mm；鉆孔樁的最大位移為4mm，無明顯傾斜面。監(jiān)測結(jié)果也說明此基坑支護結(jié)構(gòu)設計方案是十分成功的，并且說明采用鋼板樁和鉆孔樁，鋼支撐和鋼筋砼支撐所組成的基坑支護結(jié)構(gòu)，剛度及整體性良好。

　　7、基坑支護結(jié)構(gòu)技術(shù)經(jīng)濟分析

　　該基坑支護結(jié)構(gòu)的總造價約為252萬元，總設計基坑支護長度為156.95m，平均每延長米的費用為1.6萬?；又ёo結(jié)構(gòu)施工工期為52d。這對于主要土層內(nèi)磨擦角僅為9°且挖土深度超過6m的地下室基坑支護工程來說是比較經(jīng)濟和省時的。

　　8、結(jié)論與設計體會

　　8.1地下室基坑支護結(jié)構(gòu)的設計必須滿足強度和變形兩個方面的要求，特別是變形問題。

　　8.2針對不同的情況，采用因地制宜的圍護措施，不僅能達到圍護目的，而且經(jīng)濟省時。本工程基坑圍護針對不同現(xiàn)場情況，不同開挖深度，綜合采用了鉆孔樁、鋼板樁、卸土、挖土預留土臺、鋼筋混凝土內(nèi)支撐和鋼內(nèi)支撐等方法，即達到設計的目的，而且圍護費也合理。

　　8.3內(nèi)支撐的設置不僅滿足整個支護結(jié)構(gòu)計算內(nèi)力的合理性，同時還要為方便施工創(chuàng)造條件。本工程設上、下兩層支撐均采用對撐及角撐，不僅滿足設計內(nèi)力要求，而且有利于機械挖土，且第二層支撐采用工字鋼，用電焊聯(lián)接，施工靈活方便，縮短工期；工字鋼可回收重復使用，降低基坑支護費用。

　　8.4鋼支撐與工程基礎承臺一起澆筑，安全性大大提高，且不影響承臺受力，加快施工速度。

　　8.5對基坑支護結(jié)構(gòu)及周圍建筑物的監(jiān)測，實行信息化施工，不僅使施工具有科學性，確保施工安全，也為優(yōu)化設計合理組織施工提供可靠依據(jù)，節(jié)省了工程造價。