深基坑塔吊基础施工新法
2012-06-04杨誉兴
杨誉兴
[摘要]：本文介绍了利用深基坑护壁桩作支撑的塔吊基础，解决了施工中的场地限制等难题并节支增效，可为同类工程起到一定借鉴作用。
[关键词]：深基坑、护壁桩、支撑承台、塔吊基础、新法
中图分类号：TU74
1. 前言
对于市区中心的高层建筑，施工场地极有限。深基坑塔吊基础施工一直是个难题。安装在基坑底将占用主体施工面积，如不占用主体施工面将增大基坑的开挖面，增大费用且受到场地的限制。本文将介绍利用深基坑护壁桩作支撑的塔吊基础。解决了施工难题，可以为同类工程起到一定借鉴作用。
2. 工程概况
该大厦由裙楼和41层塔楼组成，高169.5米。基坑开挖面积5800平方米。塔楼建筑面积1224.1平方米，共安装塔吊两台，分别为1#塔吊，编号：201-1006型号：H3/36B，2#塔吊：编号：201-1008，型号：F0/23B，1#塔吊初始安装8节标准节，高度33.7米，最终安装58节标准节，总高度183.7米，安装6道护着壁。2#塔吊初始安装8节标准节，高度32.8米，最终安装15节标准节。总高度53.8米由于该塔吊设计独立高度为59.8米（17节标准节），无需安装护着璧。以下着重点介绍1#塔吊基础。（如图1所示）
图1 塔吊平面布置示意图
3. 承台的施工
1#塔吊基础定位于12轴线与A轴线交叉点以南4.25米基础增设两根1.2米挖孔桩，塔吊中心线与护壁桩中心线距离为700，增设两根挖孔桩在护壁桩外侧1400处，直径为1200，深度相同（-22.75M），桩基承台尺寸为：2700*3000桩心组合尺寸为：1400*2000，精确预埋塔吊锚座。具体桩基、桩基承台配筋砼标号见图（2-1）、（2-2）
图2-1塔吊基础平面布置
图2-2 1＃塔吊承台平面及配筋示意图
4. 关于桩的结构计算，主要是计算配筋
根据设备资料，塔吊基础承受的最大弯矩为：286T.M=2860KN.M， 塔吊基础荷载 比较复杂，有较大的弯矩和拉压交替的垂直荷载。为此，竖向主筋按桩身全长配筋。全长配10ф25，上部半桩加强增配 10ф25。
钢筋截面积上半部为：20*4.9=98cm2 下半部为：10*4.9=49 cm2
桩身计算截面积为： π/4*1202=11310 cm2
配筋率上半部为：98/11310=0.866%
下半部为：49/11310=0.433%
配筋率平均为：0.65%（这是砼灌注桩）
在受弯矩状态下按构造配筋的最小配筋率。通过计算复核考查单桩：A（钢筋截面积）=49 cm2D（桩径）=120 cm
d0(竖向主筋环直径)=110 cm 将10根主筋折算成连续金属环：b（金属环带宽度）=A/πd0=49/π*110=0.1418 cm
d1(金属环外径)=d0+b=110.1418cm
d2(金属环内径)=d0-b=109.8582cm
I/(惯性矩)=0.0491(d14-d24)=74135cm3
按4桩组合考查：
I（相对于塔吊中心线的总惯矩）=4（I/+a2A）=4*(74135+702*49)=1256940cm4
W(相对于塔吊中线的总截面系数)=I/a=1256940/70=175694cm4
Ó(主筋应力)=KM/W （K=1.4）
M=2860KN.M ；Ó=1.4*286000000/17956=22300N/cm2‹34000N/cm2
主筋应力在允许范围内，安全可行。
5.关于抗倾翻（主要是校核在塔吊荷载作用下基坑护壁的稳定性）
与基坑护壁桩有关的塔吊荷载根据设备资料主要有两项：a设备结构本体的由于偏心构造所产生的最大弯矩值2860KN.M；b非工作状态承受8级风，在距离塔吊底基面19.45M高处的集中风力：44.27KN。
首先考查护壁桩的受力状态（主动土压和被动土压）（参见图3）逐层计算土压及强风化基岩顶面为基点的弯矩，计算宽度为两根护壁桩的承受宽度：4M。
图3 1＃塔吊桩基倾覆计算示意图
主动土压方面：
a---b段：
Ea1=0.5A*18*1.4*4=50.4KN
h/(力图重心至力图底边的距离)=1/3*1.4=0.467m
h（力图重心至强风化基岩顶面的距离）=0.467+(18.23-3)=15.697m
Ma1=50.4*15.697=790KN-m
b---c段：
Ea2=0.5*34*2.77*4=188.36KN
h/=1/3*2.77=0.923m
h=0.923+(18.23-6.5)=12.653m
Ma2=188.36*12.653=2380KN-m
c---d段：
Ea3=0.5*(32+48)*3*4=480KN
h/=(32*3*1.5+16*3*1*0.5)/(32*3+16*3*0.5)=1.4m
h=1.4+(18.23-9.5)=10.13m
Ma3=480*10.13=4860KN-m
d---e段：
Ea4=0.5*(76+84)*0.52*4=166.4KN
h/=(76*0.52*0.26+8*0.52*0.17*0.5)/(76*0.52+8*0.52*0.5)=0.25m
h=0.25+(18.23-10.02)=8.46m
Ma4=166.4*8.46=1400KN-m
e---f段：
Ea5=0.5*(49+59)*1.95*4=421.2KN
h/=(49*1.95*0.957+10*1.95*0.65*0.5)/(49*1.95+10*1.95*0.5)=0.94m
h=0.94+(18.23-11.97)=7.2m
Ma5=421.2*7.2=3030KNm
f---g段：
Ea5=0.5*(73+104)*3.63*4=1285KN
h/=(73*3.63*1.815+31*3.63*1.21*0.5)/(73*3.63+31*3.63*0.5)=1.7m
h=1.7+(18.23-15.6)=4.33m
Ma6=1285*4.33=5560KN-m
g---h段：
Ea7=0.5*(104+128)*2.63*4=1220KN
h/=(104*2.63*1.315+24*2.63*0.877*0.5)/(104*2.63+24*2.63*0.5)=1.27m
h=1.27m
Ma7=1220*1.27=1550KN-m
∑Ma=790+2380+4860+1400+3030+5560+1550=19570KN-m
g---h段：
Ep7=0.5*(72+167)*2.63*4=1260KN
h/(72*2.63*1.315+95*2.63*0.877*0.5)/(72*2.63+95*2.63*0.5)=1.14m
h=1.14m
Mp7=1260*1.14=1440KN.M
Mp锚1=2*600*cos15o*(18.23-5.75)=1200*0.97*12.48=14530M
Mp锚2=2*550*cos15*(18.23-9.75)=1100*0.97*8.48=9050KN.M
∑Mp=1440+14530+9050=25020KN.M
被动土压产生的弯距对比主动土压产生的弯距有较多的宽裕：
∑Mp-∑Ma=25020-19570=5450KN.M
基坑的支护系统是稳定的。
考察由于塔吊的存在对在基坑支护的稳定性产生的影响，有以下几种情况：a工地出现8级大风，此时塔吊已经停止工作，短臂（配重端）锁在工地外侧，长臂（起重大臂）锁在工地内侧。Mt（主要由塔吊短臂不对称和塔吊配重所产生弯距的最大值）=2860KN-m；MT的方向与主动力压所产生弯距的方向相反，对基坑支护系统的稳定形成减荷效应。MW（由8级大风所产生的弯矩）=44.27*（18085+18.23）=1640KN.M ；MW的方向与MT的方向相反。抵消后仍对基坑支护系统的稳定产生：2860-1640=1220 KN.M的减荷效应，有利于支护系统的稳定。B工地正常工作，不计算风力影响，起吊荷载产生的弯矩（ML）与塔吊本身固有的弯矩（MT）方向相反，共同对桩层基点产生作用；MT=2860KN.M，ML=2600KN.M（用4绳起重吊幅为21.7M时，起重为12吨，此时产生的弯矩值最大：21.7*120=2600KN.M）
起吊荷载所产生的弯矩值在0至2600KN.M之间变动，起吊荷载所产生的弯矩与塔吊自身固有的弯矩共同作用，其弯矩值之和当在2860至260KN.M，方向与主动土压力所产生的弯矩相同，形成增荷效应，其最大增荷值为2860KN.M（起吊荷载为零），只相当于被动土压所产生的弯矩：
（∑Mp=25020KNM）和主动土压产生弯矩：（∑Mp=1957KN.M）之间差值：5450KN，MR 52％，应视为安全。综合以上分析，出现最不利的情况是在塔吊不在工作而配重臂是在工地内侧的时候，此时构成塔吊基础的两根臂桩能够有效地应付塔吊所主生增量的弯矩是安全的。
塔吊基础承台是构筑在护臂桩锁口梁顶面上的，塔吊所有荷载是首先通过锁过锁口梁然后再作用到护壁桩上去的，因此，承担塔吊荷载的交不仅是承台下面的两根桩，而两侧的其它一些桩也通过锁口梁部分地分担了塔吊的荷载，这实际上又增大了整个系统的安全度。
6．总结
对于利用深基坑护臂桩作支承的塔吊基础是一具新的设想，在通过大量的计算分析确保它可生行，这在很大的程度上节约了资金，充分利用了宝贵空间，在灌注桩及基础承台工时，对钢筋绑扎严格控制，并在验收合格后进行浇砼，定时浇水养护，在砼强度达到设计要求后进行塔吊安装。由于全面分析了地质资料周围环境，地下结构等特点，并从造价期，安全性诸多方面考虑，并施加预加应力锚杆，完全达到预期效果。该基础础在投入使用后一直安全稳妥，未见异常。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
