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    城市中心超大面積深基坑支護選型研究

    文章來源:螺桿樁?? 內容作者:sdcxyt?? 發布時間:2018-11-01 16:54?? 瀏覽次數:

    返回:新聞動態

    城市中心地段人口密集、建筑密布,在該類區段實施深基坑工程往往受制于復雜的周邊環境。近幾年,錨索類結構的施工對周邊環境的影響和地下空間的污染越來越受到關注,使得錨索的使用條件也越來越嚴苛。受此影響,超大面積(開挖面積大于3萬m2)深基坑工程的總體實施方案將面臨更多的挑戰,尤其是城市中心的超大面積深基坑。從表觀上看,超大面積基坑只是增加基坑的體量,而在實際工程中,超大面積基坑則帶來一些小型基坑遇不到且較棘手的不利條件。隨著城市舊改、更新項目的不斷涌現,該類深基坑的項目也不斷增加,帶來的復雜問題和條件也是未有的。經多個項目總結,其工程條件一般具有以下共性:

    1)周邊環境復雜,埋地市政管網密集且對變形及其敏感,基坑設計一般變形控制要求較高;

    2)基坑內土石方量大,外運周期長,建設單位對土石方外運條件要求高;

    3)建筑設計一般采用多棟建筑共用一個地下室模式,在開發過程中一般采用分期分塊開發的模式。

    受多種相關工程條件的共同制約,如何合理選型該類深基坑的支護結構是一個難題。

    基坑支護

    1 基坑支護選型

    1.1 基坑支護結構類型概述

    一般條件下超大面積深基坑可供選擇的支護結構有:懸臂樁(墻)、復合土釘墻、雙排樁結構[2-3]、衡重式樁板墻結構[4]、中心島法、樁錨結構、衡重式雙排樁結構、全內支撐結構、分倉內支撐。

    懸臂樁(墻)結構:一種將排樁(墻)嵌入基坑底部一定深度,依靠基坑底部的被動土壓力來抵抗基坑開挖后的主動土壓力的支護結構。該類基坑受力體系簡單明確,便于設計和施工,一般情況適用于6 m以內的深基坑,基坑變形較大。

    復合土釘墻:常規土釘墻的升級版,主要由土釘、微型樁、錨索組成的復合支護體系。其計算原理和支護結構受力體系相對復雜,目前尚沒有較合理的變形計算方法,但該支護結構造價低廉,在周邊環境較為簡單、對變形控制要求較低的地段得到了廣泛應用。一般情況下適用于4~8 m的深基坑[2]。

    雙排樁結構:由前后排和連梁構成的門架支護結構,具有抗變形能力強的特點,一般不設置任何支錨結構,土方開挖便利。一般適用于8~12 m的深基坑。

    衡重式樁板墻結構:一種由上部L型擋墻結構和下部排樁剛性連接而成的支護結構。上部 L型擋墻結構不僅具有一定的卸荷能力,而且還會形成反傾覆力矩,該力矩可提高整體抗傾覆能力,還可削減下部排樁彎矩。一般情況下適用于8~10 m的深基坑。

    中心島法:圍護結構采用排樁或地連墻,基坑周圈采用放坡的方式,中心部分直接開挖至基坑底部實施地下室結構,周圈放坡土臺段地下室采用逆作法。周圈的預留土臺充當復合支撐體系,使得基坑中心部分到底后,周圈支護結構依然安全、穩定。一般情況下,該支護方法適用于10~25 m深基坑。

    樁錨結構:由排樁和錨索體系組成,具有適應能力強、應用廣泛的特點,支護結構成本總體低廉,且對土方開挖、后期地下室施工干擾較小。一般情況下,適用于6~25 m的深基坑。

    衡重式雙排樁結構:一種基于衡重式樁板墻和雙排樁的創新結構,由上部L型衡重臺和下部雙排樁剛性組合而成,具有衡重式樁板墻和雙排樁的多重優點;基坑側壁中部不設置任何支錨構件,極大地提高了土石方外運效率;但該類結構也存在支護結構占地空間大、造價稍高的缺點。一般情況下,支護深度為10~15 m。

    全內支撐結構:由樁和支撐結構組成,支撐結構提供水平力來抵抗土的側壓力。對于大面積基坑而言,由于支撐長度大(剛度大幅度降低),支護結構變形相對較大,且工程造價也較大。一般情況下內支撐結構,適用于6~35 m的深基坑。

    分倉內支撐結構:分倉模式是解決大面積基坑較好的方式,不存在支撐剛度縮減問題。由于基坑內部需要分倉設置多排獨立的圍護結構,基坑支護造價極高。一般情況下用于15 m以上的大面積深基坑。

    1.2 支護結構類型篩選

    1.2.1 變形控制分析

    城市中心的深基坑對周邊環境、變形極其敏感,要求支護結構按變形控制設計[5-6]。眾所周知,懸臂結構、復合土釘墻結構在同等條件下往往變形較大,很難滿足變形控制設計的基本要求。為此,對于變形控制可以量化的基坑支護結構進行篩選歸類,如表1所示。

    表1 支護結構變形量化對比

    由表1可知,以變形控制因素為主導,可行的支護結構類型有:樁錨結構、雙排樁、衡重式雙排樁、中心島法、全內支撐、分倉內支撐結構。

    樁錨結構的變形控制受制于錨索和樁2種剛度的合理組合。若采用強錨弱樁,則容易出現樁身變形超標問題;若采用強樁弱錨,則容易出現樁身整體傾覆變形等問題。樁錨結構變形控制方面,錨索剛度更為關鍵,常規的錨索設計其單支點每延米的剛度量級在5 000~8 000 kN/m。

    以控制變形為主導條件的基坑工程,宜優先推選分倉內支撐結構、全內支撐結構、中心島法。

    1.2.2 土石方外運效率分析

    土石方外運效率[7-9]是影響超深超大面積基坑工期的關鍵環節,建設單位對土石方開挖效率往往有很高的要求,為此應盡可能無干擾持續出土。從出土效率角度出發,對基坑支護結構進行篩選歸類,如表2所示。

    表2 支護結構和出土效率對比

    以土石方外運效率為主導因素,優先推選支護結構類型為:衡重式雙排樁、雙排樁、中心島法、樁錨結構。

    1.2.3 分期開發模式

    超大面積項目中多棟地上建筑往往共用一個大地下室。建設方從快速回收成本等因素出發,通常會要求其中的1~2棟先行出地面封頂售樓,該類開發模式即分期開發模式。

    對于分期開發模式的項目,建設方往往要求基坑支護結構滿足土方分塊開挖和地下室獨立分區施工的功能。該項功能要求支護結構具備局部或完全獨立穩定的能力,例如:樁錨結構、雙排樁、衡重式樁板墻、衡重式雙排樁等支護體系;而內支撐支護體系由于無法在局部或某個區段實現獨立穩定,且拆除支撐需要對稱或全面回填地下室,對分期模式的項目存在很大制約。因此,內支撐體系在分期開發模式的項目中不是優選。

    以分期開發進度為控制主導因素,優先推選的支護結構類型分別為:樁錨結構、衡重式雙排樁、雙排樁。

    1.2.4 滿足多種條件基坑合理選型

    將分別滿足變形控制、土石方外運效率及分期開挖條件的優選前3類支護結構匯總于表3。

    表3 受控條件與適用支護結構

    從表3可以看出,尚不能找到某一種支護結構能同時滿足多種條件最優,因此超大面積基坑選型通常需要參照現場條件和業主需求綜合考慮。

    2 超大基坑選型案例分析

    2.1 工程實例1(深圳前海某項目)

    2.1.1 工程概況和相關條件

    該項目位于深圳市前海片區,占地面積約4萬m2,規劃有4棟高層寫字樓和2棟商務公寓,地下室總體上為3層,局部設置4層,深基坑開挖深度分別為16 m(東側)和20 m(西側)。場地周邊均為規劃用地和待建道路,無重要建構筑物。

    場地地層自上而下為:人工填土層、淤泥層、砂質黏性土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖,其中人工填土層和淤泥層的物理力學性質較差。此外,由于深圳前海片區為填海片區,地下水極為豐富。

    考慮到項目占地面積大、總體建筑規模大,業主采取分期分塊開發模式,搶先開發東側2棟商務寫字樓,要求土方開挖便利,地下室施工干擾小。

    2.1.2 基坑支護結構比選

    基坑選型的初步條件:

    ①周邊環境簡單,變形控制要求低;

    ②工程進度要求高,土方開挖要求高效率;

    ③分期開發模式;

    ④禁止地下空間污染。

    上述條件中,周邊環境簡單意味著支護結構選型不作特殊要求,滿足安全的支護型式均可采用。為此該項目中主要受控的因素為②,③條件。滿足工程進度、利于土方開挖的支護形式有:衡重式雙排樁、雙排樁、中心島法、樁錨結構;滿足分期開發模式的支護形式有:樁錨結構、衡重式雙排樁、雙排樁。第④個條件是該項目的特殊條件,由于深圳前海是社會關注焦點,雖然現階段周邊均為待建用地,為防止錨索類結構影響后期開工項目的支護結構或工程樁施工,前海地區禁止使用錨索結構,為此排除樁錨結構支護方式。

    根據工程條件篩選滿足該項目的支護方式有:衡重式雙排樁、雙排樁、中心島法。

    3種支護形式中,中心島法在基坑變形控制方面最為突出,但在土石方外運效率和分期開發模式方面制約因素較多。衡重式雙排樁和雙排樁結構均對土石方外運效率干擾小,且較好地滿足分期開發模式。衡重式雙排樁由衡重臺起反壓卸荷作用,基坑安全性更高,結構內力分布更為合理,為此最后選定衡重式雙排樁結構,其剖面如圖1所示。

    圖1 衡重式雙排樁結構剖面(單位:m)

    2.1.3 工程施工情況

    前海項目于2013年11月開工施工圍護樁(見圖2),工程由東向西逐步展開。由于支護結構沒有錨索、支撐等干擾,土方開挖效率達到5 000~10 000 m3/d,2014年5月南側東段基坑開挖到底部,基坑變形緩慢發展,變形速率總體上為1~2 mm/d,最終深基坑樁頂水平變形總體約48 mm,局部接近60 mm。東側地下室于2014年11月份出地面,達到建設的開發進度需求。西側設置4層地下室,基坑方案采用衡重式雙排樁加一道內支撐結構,支撐結構設置于負3層樓面。

    圖2 案例1圍護結構照片

    2.2 工程案例2(深圳筍崗某項目)

    2.2.1 工程概況和相關條件

    該項目位于深圳市羅湖區筍崗片區,占地面積約5萬m2,規劃4棟寫字樓和3棟公寓,設2層地下室,開挖深度12~13 m。場地周邊環境較為復雜:東側為市政道路,下部埋深有多條市政管線;南側為在建深圳地鐵7號線車站結構和部分區間盾構隧道,車站和隧道土建工程即將完工,隧道埋深約16 m,地鐵結構與該基坑開挖邊線最近處距離為6.8 m;西側為深圳地鐵9號線車站結構和部分區間盾構隧道,車站和隧道土建工程也即將完工,隧道埋深約為10 m,地鐵結構距離基坑開挖邊線最近處約為15 m;北側為7層天然淺基礎倉庫類建筑,距離基坑開挖邊線約7 m。

    場地地層自上而下為:人工填土、粉質黏土、含卵石礫砂層、礫質黏性土、強風化花崗巖。

    2.2.2 基坑支護結構比選

    基坑選型的初步條件:

    ①周邊環境復雜,變形控制要求高;

    ②工程進度要求高,土方開挖要求高效率;

    ③分期開發模式。

    上述條件中,周邊環境對基坑變形的要求必須充分考慮。地鐵側的深基坑結構不僅需要滿足自身規范要求,而且要求確?;娱_挖影響地鐵產生的變形在許可范圍之內;其他側的深基坑變形滿足規范要求即可。按變形控制為主導,基坑支護選型有:分倉內支撐、全內支撐結構、中心島法、樁錨結構。當受控的因素為②,③條件時,可供選擇的支護方式有衡重式雙排樁結構、雙排樁結構、中心島法、樁錨結構。此外,建設單位對經濟性也提出了相對苛刻的條件。

    根據工程條件篩選滿足該項目的支護方式有內支撐、衡重式雙排樁、雙排樁、中心島法和樁錨結構。

    由于深基坑周邊環境的差別較大,支護結構選型也必須分段,總體上可以分為3段:地鐵側(南側與西側)、鄰近建筑側(北側)、鄰近道路側(東側)。地鐵側變形控制等級高,且因受制于地鐵結構影響,錨索結構受限;鄰近建筑側變形控制等級高,且錨索結構受限制(要求征得用地業主同意);鄰近道路側變形控制等級稍低。通過分析周邊環境特點,地鐵側選用雙排樁+中心島的結合支護結構(見圖3),鄰近建筑側選用了內支撐結構(見圖 4),道路側采用了樁錨結構(見圖5)。

    圖3 地鐵側雙排樁+中心島方案剖面(單位:m)

    2.3 工程案例3(深圳香蜜湖某項目)

    2.3.1 工程概況和相關條件

    圖4 民房側內支撐結構典型剖面(單位:m)

    圖5 道路側樁錨支護典型剖面(單位:m)

    該項目位于深圳市香蜜湖片區,占地面積4萬m2,規劃有寫字樓、住宅及幼兒園,設3層地下室,開挖深度約15 m。場地周邊環境較為復雜,東側為市政道路,下部埋設有多條市政管線;南側為多棟高層住宅樓和一棟幼兒園,高層建筑下部基礎為樁基礎,幼兒園下部為天然淺基礎;西側、北側為市政道路,下部埋設有多條市政管線。

    場地地層自上而下為:人工填土、砂質黏土、礫砂層、礫質黏性土、全風化巖、強風化巖。

    基坑支護

    2.3.2 基坑支護選型

    本工程的初步條件,可供選擇的基坑支護方式與前述工程案例2類似。支護結構選型也必須分段,總體上可以分為2段:鄰近建筑側、鄰近道路側。鄰近建筑側變形控制等級高且錨索結構受限制(要求征得用地業主同意);鄰近道路側變形控制等級稍低。通過分析周邊環境特點,鄰近建筑側(南側)選用雙排樁+中心島的結合支護結構(見圖6),北、東、西鄰近道路側采用了樁錨結構,如圖7所示。

    圖6 雙排樁+中心島支護典型剖面(單位:m)

    圖7 樁錨結構支護典型剖面(單位:m)

    2.3.3 工程施工情況

    該項目于2015年4月開工,圍護樁施工3個月完成后,樁錨段實施分層設置錨桿開挖;雙排樁段施工頂部連梁,形成雙排門架結構后立即開挖土方至中心島預留土臺頂部。雙排樁段由于沒有錨索類結構的影響,開挖速度不受影響,該段出土效率優異?;尤骈_挖到底部后,總體上達到業主安全、施工便利、分期開發模式的要求?;訕跺^段變形 處約26 mm,雙排樁+中心島預留土臺段 變形為19 mm,滿足基坑變形控制的要求。

    3 結論

    通過比選研究,目前常見或較為新穎的基坑支護結構尚不能同時達到多條件下最優。

    以變形控制條件為主導,按從優到次的順序推薦3種基坑形式分別為分倉內支撐、全內支撐、中心島法。

    以土石方外運效率為主導,按從優到次的順序推薦3種基坑形式分別為衡重式雙排樁、雙排樁、中心島法。

    以分期開發模式條件為主導,按從優到次的順序推薦3種基坑形式分別為樁錨結構、衡重式雙排樁、雙排樁。

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