杭州市蒋村商业综合楼基坑支护设计

2018-09-11王乾程

西部探矿工程 2018年9期

王乾程

(1.重庆市勘测院，重庆401121；2.重庆市岩土工程技术研究中心，重庆401121)

随着城市中心大量建筑的涌现，深基坑工程越来越多，同时密集的建筑物、大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得深基坑工程支护变得更加的复杂。因此，在复杂的周边环境下选择经济合理的支护形式是目前需要解决的一大问题。马昕等[1]根据北京国贸三期A阶段的地质条件，大面采用上部土钉墙+下部桩锚联合的基坑支护结构形式。刘勇等[2]提出了一种解决近距离建筑相互施工影响的基坑支护设计优化技术。黄健等[3]通过对基坑自身特点以及周边环境的细致分析，提出了地下连续墙结合椭圆环内支撑的优化支护方案。张忠苗等[4]通过对围护结构的水平位移、钢支撑轴力、地表沉降、地下水位的监测分析，为SMW工法在今后深基坑围护结构设计、施工提供了参考。罗力勤[5]以联想总部(北京)园区项目二期投标方案为例，从安全性、适用性、经济性的角度，对比分析了2种基坑支护设计方案后，采用了土钉墙结合桩锚的支护形式。肖荣军[6]提出在优先考虑节约工期前提下，通过设置附加承台传递斜撑轴力的改进设计方法。

本文将主要介绍蒋村商业综合楼的基坑支护方法，并对其进行计算说明以及工程监测。

1 工程概况

杭州市蒋村商业综合楼位于文二西路北侧，蒋村西路西侧。该工程总用地面积11744.92m2，建筑占地面积4000m2，总建筑面积29852.73m2，建筑高度19.60m，拟物主要为一栋5层商业综合楼，设计最大柱距8.4m×8.4m，最大柱荷载为8000kN。场地内设2层地下室，地下室建筑面积为12277.43m2。

2 基坑周边环境

东面为蒋村西路，围护桩中心线距离路上的电力电缆、污水管、雨水管分别为20m、25m、36.5m。

南面为文二西路，围护桩中心线距离路上的通信光缆、给水管、污水管、雨水管分别为25.5m、28.5m、29.5m、39.5m。南面中间位置有一需保留的古香樟，距离围护桩中心线8.16m。

基坑西面、北面为拆迁后回填的空地。

3 工程地质条件

根据本工程地质勘察报告，根据场地土的物理力学性质、成因类型等，将场地勘察深度范围岩土分成10个工程地质层、细分为14个亚层和1个夹层。现把影响基坑开挖深度范围内的土层分布描述见表1。

表1 土层分布描述

4 基坑围护方案

4.1 工程特点

综合分析场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度及周围环境的影响，本工程具有以下特点：

（1）基坑开挖面积大，约7570m2，周长385m。且开挖深度大，主要为8.5m，局部为9.3m、10.5m。

（2）基坑下部开挖深度范围内主要为3层土为高压缩性的淤泥质粉质粘土，压缩性高，孔隙比大，含水量高，土体性质较差。

（3）3层淤泥质粉质粘土下的6层粘土性质较好，地基承载力特征值达180kPa，层面埋深11～15m，围护桩插入坑底以下的长度可较短。

（4）周围环境条件较好。除基坑南面的中间的古香樟距离较近外，东面、南面距离道路、管线最近有约20m，西面、北面为大面积空地，对变形的要求不高。

（5）基坑安全等级为一级，重要性系重要。

4.2 基坑围护方案的确定

周边场地较好，可先卸土2.5m厚，以减小土压力，并可减少一道支撑、减短围护桩长度，节约围护造价。

SMW工法内插型钢结合一道∅609×16钢管支撑方案比一排钻孔灌注桩结合钢筋混凝土支撑外加水泥搅拌桩止土方案的施工速度快、工期短。这种形式的支护方案在实际工程中的应用较广泛，技术很成熟。对本工程而言，支护结构本身的强度、稳定及变形可以保证，围护结构与主体结构相对比较独立。

南面有一古香樟需保护，距离较近，该范围不能卸土，采用∅1000@1200钻孔灌注桩结合一道支撑支护，钻孔灌注桩外侧采用一排水泥搅拌桩内插型钢加强。

基坑西面的形状不规则，钢管支撑布置较困难，故该区域改用一道钢筋砼支撑。

4.3 支撑系统设计

在支撑的材料选择方面，设计对钢支撑与钢筋混凝土支撑均进行了比较。采用钢支撑具有如下几个特点：

(1)施工速度快，拆卸方便；

(2)可施加预应力，有效控制地下墙的侧向变形；

(3)布置形式一般为井形，挖土要求相对较高；

(4)如能采用租赁型钢，则支撑费用也可能相对较低。

混凝土支撑可根据基坑的形状灵活布置，强度较高，在浙江地区的应用非常广泛，积累的经验也比较多，但施工、养护、拆除的工期相对较长。

由于建设单位对工期要求极紧，且支撑仅为一道，对挖土的影响相对较小，为加快施工速度，设计最后确定以钢管支撑为主。

在支撑的平面布置方面，可以采用2种形式：①格栅状支撑；②中间采用对撑形式，端部采用角撑。由于本工程基坑形状接近长方形，支撑以第②种形式布置。

水平内支撑平面布置时，尽量避开主体结构的柱子位置，以使柱子的主筋接头按规范施工。

4.4 基坑施工顺序

第一步：卸土施工四面围护桩，围护桩施工完后施工排水沟、护坡。

第二步：开挖至支撑底标高，施工压顶梁、钢筋砼支撑。待压顶梁砼强度达到设计强度的75%以后，方可安装钢支撑，每道钢管预加轴力800kN。

第三步：待钢支撑安装好、钢筋砼支撑的砼强度达到设计强度的75%以后，分层开挖到基础底板板底标高。

第四步：底板垫层、地梁、承台土方人工开挖，边开挖土体边施工垫层，垫层延伸至围护桩边。

第五步：基础底板施工后，底板和围护桩之间用砼浇捣填实，待素砼强度达到设计强度的75%后，方可拆除支撑。

5 基坑结构分析计算说明

5.1 围护布置及计算参数取值说明

基坑开挖深度影响范围内土体为①-1杂填土、①-2耕植土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、⑥粘土。根据地质勘测资料，并结合已有经验，选用土体强度参数指标见表2，计算时超载采用15kPa。围护桩内力及变形采用应用较为广泛的m法进行计算。

5.2 基坑围护结构受力及稳定性分析

5.2.1 区域Ⅰ-Ⅰ计算

区域Ⅰ-Ⅰ坑底标高为-8.800m，采用SMW工法内插型钢H700×300×13×24结合一道∅609×16钢管支撑(局部砼支撑)支护。

(1)围护结构内力计算。计算时选用ZK21孔地质剖面图作为典型计算断面。计算时分为3种工况：

工况一：土体开挖到支撑底部；

工况二：支撑做好，土体开挖到底部；

表2 计算采用各土层物理力学指标

图1 区域Ⅰ-Ⅰ围护布置图

工况三：地下室底板施工完毕，支撑拆除。

计算结果表明：在工况二情况下，第一道支撑轴力为120.9kN/m。

区域Ⅰ-Ⅰ维护布置见图1，各工况位移、弯矩如图2所示。

图2 各工况位移、弯距示意图(ZK21孔)

(2)抗隆起验算。桩底抗隆起安全系数公式为：

式中：D——桩体入土深度；

H——基坑开挖深度，m；

γ1、γ2——墙体外侧及坑底土体重度，kN/m3；

q——地面超载，kN/m3；

Nc、Nq——地基承载力系数。

上式中的c、φ均为桩底土的c、φ值。计算可得到安全系数为4.62，大于2.0，满足要求。

(3)围护桩抗倾覆稳定验算。抗倾覆稳定安全系数计算公式为：

式中：MRC——抗倾覆力矩，取坑内被动土压力对最下一道支撑点的力矩，kN·m/m；

MOC——倾覆力矩，取最下一道支撑以下范围的主动土压力对最下一道支撑点的力矩，kN·m/m；

Kq——围护墙倾覆抗力分项系数，不小于1.15。经计算，抗倾覆稳定系数为1.45，大于1.15，满足要求。

(4)整体滑动验算。采用Bishop圆弧法验算围护结构整体稳定性，经计算可得安全系数为1.63，大于1.3，满足要求。

5.2.2 区域Ⅱ-Ⅱ计算

区域Ⅱ-Ⅱ坑底标高为-9.600m，采用SMW工法内插型钢H700×300×13×24结合一道∅609×16钢管支撑支护。

（1)围护结构内力计算。计算时选用ZK5孔地质剖面图作为典型计算断面。计算时分为3种工况：

工况一：土体开挖到支撑底部；

工况二：支撑做好，土体开挖到底部；

工况三：地下室底板施工完毕，支撑拆除。

计算结果表明：在工况二情况下，第一道支撑轴力为147.4kN/m。

区域Ⅱ-Ⅱ维护布置见图3，各工况位移、弯矩如图4所示。

图3 区域Ⅱ–Ⅱ围护布置图

图4 各工况位移、弯距示意图(ZK5孔)

(2)抗隆起验算。计算可得到安全系数为4.23，大于2.0，满足要求。

(3)围护桩抗倾覆稳定验算。经计算，抗倾覆稳定系数为1.41，大于1.15，满足要求。

(4)整体滑动验算。采用Bishop圆弧法验算围护结构整体稳定性，经计算可得安全系数为1.59，大于1.3，满足要求。

6 现场监测

为确保施工的安全和开挖的顺利进行，在整个施工过程中应进行全过程监测，实行动态的管理和信息化施工。根据众多的深基坑开挖的工程经验，现场监测对掌握基坑开挖对周围环境的影响，以有效地指导施工，及时调整施工措施，确保周边马路、地下管线和周边建筑的绝对安全是必须的。为利于基坑施工，应做好纵横向明沟及集水坑排水措施；坑周围严禁大量堆载，荷载应控制在15kN/m2以内；为确保围护结构的安全施工，必须对整个基坑施工过程和内部结构回筑过程进行施工监测。