上海世博会500kv超深圆形基坑设计与施工

上海世博会500kv超深圆形基坑设计与施工

1基坑竖向及工程施工上海世博会的500万多口免费地下管网是2010年上海世博会的重要配套工程。位于上海中心，。变电站为全地下四层筒形结构,地面部分将建设上海市雕塑公园,地下建筑直径(外径)为130m,基坑面积约为13000m2,开挖深度为34m,为超大型深基坑工程。为经济合理地减小基坑工程实施阶段对周边环境的影响,变电站地下工程采用逆作法设计方案。基坑围护体系采用1200mm厚度“两墙合一”的地下连续墙,即地下连续墙作为基坑开挖阶段的挡土止水围护体,又作为正常使用阶段主体结构的地下室外墙。地下连续墙内侧设置800mm厚钢筋混凝土内衬墙,内衬墙随逆作开挖分段浇筑,通过预留连接钢筋与地下连续墙形成复合墙体。基坑竖向利用四层地下水平结构梁板作为水平支撑系统,逆作阶段顶层结构梁板利用作为挖土机、运土车等各种施工机械的作业面。地下一层、三层和四层的层高分别高达9.5m、10.0m和7.5m,为减小地下连续墙的竖向跨度、改善基坑围护体系的整体变形和受力性能,分别在以上三层结构的层中设置了一道单环和两道双环临时水平支撑系统,逆作阶段结构剖面图如图1所示。逆作阶段需设置大量的一柱一桩作为各层地下结构、临时支撑以及施工荷载的竖向支承系统。一柱一桩由立柱桩和钢管混凝土柱组成,从地面一次性成孔施工形成,立柱桩采用桩端后注浆的钻孔灌注桩,钢管混凝土柱待逆作施工结束后外包混凝土形成永久的框架结构柱。工程场地内30m深度以上分布以粉质粘土为主的多个软土层,具有高含水量、大孔隙比、低强度、高压缩性等不良地质特点,第(4)层淤泥质粘土是上海地区最软弱、压缩性最大的土层,其次为第(3)层淤泥质粉质粘土,以上软土均处于基坑开挖深度范围之内。30~90m深度主要分布有工程性质较好的第(6)层暗绿色硬土层、第(7)层粉砂层、第(8)层粉质粘土与粉砂互层以及第(9)层中粗砂层。有关物理力学指标见表1。场地浅层地下水属潜水类型,补给来源主要为大气降水、地表径流,水位动态为气象型,潜水水位埋深一般为0.3~1.5m。另外场地深层埋藏有承压水,主要为第一承压含水层(7)1砂质粉土(含粉砂)、(7)2粉砂层,以及第二承压含水层(9)层砂性土层,承压水头埋深随季节呈3~8m变化。勘察期间现场对(7)1和(7)2层的抽水试验结果显示,第一承压含水层与第二承压含水层之间存在弱水力联系。2地下连续墙该工程属于超深圆形基坑工程,设计前期拟采用1500mm厚度地下连续墙,但受现阶段地下连续墙机械设备能力限制,最大厚度仅能达到1200mm。以下分别从当前地下连续墙施工机械的施工能力、受力分析以及抗渗要求三方面对地下连续墙采用1200mm的厚度进行分析。2.1地下连续墙的施工技术条件根据以往的工程经验,上海地区可施工的地下连续墙厚度为600~1200mm,一般情况下,地下连续墙厚多为800mm和1000mm。在为数不多的超深基坑中曾经施工过1200mm厚的地下连续墙。目前,国内还没有超过1200mm厚的地下连续墙的施工设备,且没有相关的施工经验,地下连续墙的成槽开挖、钢筋笼的吊放安装以及水下混凝土的浇捣等施工技术也不成熟,势必会对地下连续墙的施工质量造成一定的不利影响。地下连续墙的墙体厚度越大,成槽时间越长,成槽时槽壁的稳定性越差,墙体施工质量越难以保证。2.2地墙受力与变形设计采用1200mm厚的地下连续墙作为围护结构,施工阶段内部逆作四层结构梁板替代水平支撑结合三道临时环形支撑的多道支撑体系。在常用的平面分析模式下,地下连续墙通过竖向梁作用挡土和传递水土压力,作用在地下连续墙外侧的水土压力全部由内支撑体系和坑内土体提供的抗力来平衡。墙体本身并不能提供水平抗力,作为抗弯构件,其厚度(抗弯刚度)决定了变形与受力的大小。在这种受力模式下,计算得到的地墙变形与弯矩无疑代表了一种极端值。计算结果表明,如采用平面计算方法,墙体的最大水平变形为54.4mm,能满足对变形控制的要求。墙体的最大正弯矩为4196.6kN·m,表明产生了较大的弯矩,但仍在1200mm厚地墙的截面承受能力之内,只是竖向配筋率较大。在三维分析模式下,圆筒形地下连续墙的空间效应显著,外部侧向水土压力很大部分由地下连续墙自身通过环向拱作用来承担,相应减轻了地下连续墙梁结构负担,克服竖向应力过大的缺点,且通过环向拱作用直接提供水平抗力减小内支撑受力,使结构整体应力分布均匀,设计趋于经济合理。三维计算结果表明地下连续墙是以环向拱受力为主、竖向梁受力为辅的结构体系。圆筒形地下连续墙的最大轴向力为17779kN,1200mm厚的钢筋混凝土地下连续墙足以满足轴向受压承载力要求。考虑到本工程地下连续墙的曲率半径较大,且在开挖过程中可能出现的卸荷不对称性等因素,圆筒形地下连续墙并非处在理想的均匀围压受力状态,可能会增加地下连续墙的受力。在逆作施工的过程中,逐步浇筑开挖面以上的内衬结构墙,使地下连续墙和内衬结构墙合二为一,又进一步提高了墙体受力的安全储备。2.3结构外墙抗渗性能出于本工程建筑用途的考虑,地下结构外墙的止水要求较高。地下连续墙本身采用防水混凝土浇筑,同时设置止水性能良好的槽段接头,接头位置还在坑外设置了高压旋喷桩止水。开挖以后紧跟施工800mm厚的内衬结构墙,施工质量更能得到保证。双墙叠合整体工作,结构外墙的抗渗性能可满足要求。综上所述,1200mm厚的地下连续墙完全满足支护结构的受力要求。地下连续墙和内衬结构墙二者的协同工作,为外墙的止水提供了可靠的保证。3确定覆等各项验算和设备条件时的总体原则地下连续墙入土深度应结合地下连续墙整体稳定、坑底抗隆起和抗倾覆等各项稳定性的验算,以及当前地下连续墙施工机械设备的能力条件等因素,同时遵循安全、经济、合理的原则确定。本工程通过理论分析、计算和调研工作,最终确定了地下连续墙的入土深度。3.1基坑开挖深度对土质条件的影响工程基坑开挖深度达到34.0m,地下连续墙插入基底以下深度(简称插入深度)23.5m,插入深度与开挖深度比值(下文简称插入比)0.69。各项稳定性验算指标均达到一级基坑的规范设计要求,满足基坑开挖过程中围护结构的各项稳定性和环境保护的要求。其中坑底抗隆起稳定系数2.5为主要的控制性指标。同常规开挖深度在10~15m的基坑相比,插入深度偏小,但根据长期积累的设计经验,本场地属于典型的上海软土分布,而上海地区地下连续墙的插入深度是有规律可循的。以下对本场地的同一土层条件,均满足坑底抗隆起稳定系数为2.5的前提下,不同开挖深度的基坑围护结构所需的插入深度进行了计算比较,计算结果见表2。在本场地的土质条件中,在各项稳定性指标均满足规范要求的前提下,计算的各项稳定性指标中,一级基坑的坑底抗隆起稳定系数2.5起主要控制作用。开挖深度小于25m的基坑中,地下连续墙的插入比逐渐减小,由1.53减小到0.53。而开挖深度大于25m的基坑中,地下连续墙插入比由0.53增大到0.69,又呈上升趋势,但仍比开挖较浅时要小。插入深度的确定和土质条件有直接关系。该地区和上海大部分地区相同,浅层土体土性参数较差,深层土体(6)(粉质粘土)、(7)1(砂质粉土)、(7)2(粉砂)的土性参数较好,(7)2层的标贯击数达50.1击,比贯入阻力达23.23MPa,相当于C25混凝土。但更深层的(8)1(粉质粘土)、(8)2(粉质粘土与粉砂互层)、(8)3(粉质粘土与粉砂互层)土性又有些减弱,但仍强于浅层土体。基坑开挖深度较浅时,主要由浅层土体提供抗力,所以需要较深的插入深度方可提供足够的抗力。基坑开挖25m时,基底位于(5)1-2(粉质粘土)中,下部土体主要为第(6)、(7)1、(7)2层,深层土体可以提供足够的抗力,因此连续墙的插入比最小。基坑再向下开挖至34m时,部分(7)1(砂质粉土)已经被挖除,相对于25m挖深的情况,需要的插入比有所增大,但与开挖10m深度的情况相比,所需的插入比要小很多。可见基底以下土体的性质直接影响围护结构的插入比,由于深层土体的土性要优于浅层土体,开挖深度较大的基坑,在满足各项稳定性指标的前提下,围护体的插入深度可以适当减小,而且采用轴对称圆形基坑强度折减方法计算得坑底抗隆起稳定系数为4.9,也进一步证明是具有较大安全储备的。3.2主要工程特点上海人民广场地下变电站整个基坑平面为圆形,直径65.00m左右,开挖深度约为24.50m,采用1200mm厚地下连续墙作为围护结构,坑内无支撑,开挖阶段逆作施工内衬墙,两墙结合受力。地下连续墙插入深度14.30m,插入比为0.58。上海某泵站工程基坑工程呈圆形,直径61.45m左右,开挖深度26.45m,采用800mm厚地下连续墙作为围护结构,无支撑开挖。地下连续墙的插入深度11.05m,插入比为0.42。上海某钢铁厂水处理系统漩流沉淀池基坑工程呈圆形,直径27.50m左右,开挖深度33.00m,采用1000mm厚地下连续墙作为围护结构,结合逆作的800mm厚内衬结构墙,基坑无支撑开挖。地下连续墙的插入深度18.30m,插入比为0.55。润扬长江大桥南锚碇工程该工程基坑开挖深度29.00m,基底位于基岩上,围护结构插入深度仅6.00m。围护结构插入到基岩,插入深度仅为0.21。以上工程中地下连续墙的多项参数统计见表3。这些工程的顺利实施证明围护结构的入土深度与基底土层条件相关,当基坑开挖深度较深时,由于基底土层优于浅层土体,较小的插入比依然可以满足各项稳定性及受力要求。3.3分层开挖的计算围护结构的设计应结合地下水的处理综合考虑。按照地质报告提供的信息和以往的工程经验,上海地区的浅层地下水为潜水,第(6)层为隔水层,第(7)层为第一承压含水层,第(8)层一般为弱透水层,第(9)层为第二承压含水层,第(8)层和第(9)层之间有弱水力联系。地下连续墙插入到第(8)1层(粉质粘土),基本隔断第一承压含水层,如考虑(8)3(粉质粘土与粉砂互层)为第二承压水层的一部分,采用上海市标准DBJ08-61—97《基坑工程设计规程》中提供的算法,按照水头高度7m进行估算,计算结果表明开挖至坑底时,第二承压含水层无突涌可能。由于地下连续墙已经隔断了潜水和第一承压水,切断了坑内潜水和第一承压含水层地下水的补给来源,基坑实施阶段采用疏干井即可解决坑内潜水和第一承压含水层的降水问题。3.4墙底变形的影响地下连续墙插入基底以下深度为23.5m,根据连续介质的三维有限元的分析结果,开挖至坑底时,墙底的变形仅5mm,且墙底以上近10m墙段的位移都非常小,表明墙体插入基底下23.5m深度时,已能给墙体较好的约束,墙底变形小也就减小了发生稳定性破坏的可能。计算分析结果表明:基坑开挖引起周边土体产生侧向位移的影响范围约在1.5倍坑深范围以内。侧向位移的由坑边的15mm逐渐减少。周边的市政管线一般埋藏较浅,最近的山海关路侧的供电管线距离为16.6m,水平位移不到3mm。该侧的民房距离基坑边最近距离超过25m,南北高架路的距离超过30m,其下土体侧移仅为1~2mm。可见,基坑开挖对周边构筑物和管线的影响很小。综上,地下连续墙插入深度为23.5m,入土深度为57.5m,插入比为0.69。该入土深度可以满足各项稳定性指标和受力要求;承压水的处理也可以得到很好的解决;对于周边土体的变形影响满足环境保护要求。4顶拔锁口管或接头箱起拔困难常规的地下连续墙工程中,需要锁口管或接头箱进行槽段接头的处理。但是在本工程中,地下连续墙墙底深度达到57.5m,超深地下连续墙锁口管或接头箱的起拔难度大。在理想垂直状态下,顶拔锁口管或接头箱需克服其重力(约500kN)和侧壁土摩阻力(取20kN/m2),两者之和已达5800kN。如此大的顶拔力对锁口管自身与导墙承载力的考验是相当大的,因管身材料焊接加工质量和导墙后座强度不够导致锁口管拔断或埋管的风险几率将大为增加。4.1刚性接头在地下连续墙内接枝墙内针对超深地下连续墙所遇到的上述问题,本工程经过分析研究和多方调研最终确定地下连续墙接头采用工字形刚性接头方式。该接头形式没有无筋区域,属于刚性接头。详见图2。采用该接头的地下连续墙整体性好,接头的止水性能良好。适用于受力和止水要求较高的超深地下连续墙的施工。工字形接头地下连续墙施工流程如图3所示,该槽段接头型式免除了施工阶段拔除锁口管或接头箱的过程,降低了施工难度,使施工质量得到保证。而且工字形接头为刚性接头,形成的地下连续墙较其他接头形式整体性更好,围护结构的整体受力和止水性能都更符合本工程围护结构的设计要求。4.2地下连续墙体结构及施工方法本工程地墙1.2m厚、成槽深度达57.5m,为超深大厚度地下连续墙。工程主要特点为地墙穿越硬土层的成槽掘进困难且工效低。从场地土层分布及工程剖面上看,工程自上而下地墙穿越(1)~(8)2层共计约11个土层,在地面以下30m近15.0m厚土层处也即是坑底附近上下土层为较坚硬土层(7)层砂质粘土和粉砂层,尤其是(7)2层粉砂层(厚约8.3m),其标贯击数达50.1击,比贯入阻力达23.23MPa(强度等级近似于C25),据以往类似土层的工程实践经验,该层土的成槽功效极低,速度约为0.3~0.5m/h(漕宝路某车站的地下连续墙伸入到第(7)层,采用“两抓一钻”方法施工,一幅槽段施工约需要3~5d的时间)。地下连续墙入土越深,槽壁稳定与垂直度控制难度越大。由于单幅槽段深度大,槽段成槽时间将较长,对泥浆护壁的槽壁稳定要求将更高,另外随着深度越深,同样垂直度的倾斜量值将越大,因此对成槽机垂直度的控制难度也更大,相应地也要求操作精度更高。针对工程中的难点和特点,成槽方法采取了如下的针对性措施:根据工程与地质条件实际,配备合适的机械设备与设计适当的成槽工艺,并采用适应本工程土层地质特点的“抓铣结合”成槽方法,即成槽施工中考虑配备1台液压抓斗式成槽机、1台铣槽机,在上部约30m的土层中利用上海地区常用的适合于软土层的液压抓斗式成槽机进行成槽施工,穿越下部硬土层时(尤其是在第(7)层土中)以铣槽机成槽。“抓铣结合”成槽方法如图4所示(图中1、2、3表示成槽的顺序)。超深大厚度地下连续墙槽壁稳定性和垂直度控制十分关键,是地墙施工质量的重要保证。控制槽壁稳定的关键在泥浆工艺,配制合适的护壁泥浆,必要时采取重晶石加重或采取槽壁两侧加固(搅拌桩)的稳定措施。垂直度控制主要在设备选型与施工操作上,通常利用铣槽机能保证不大于1/500的垂直度,同时在成槽施工中操作人员根据槽壁轨迹随时纠偏。5地下连续墙防水设计本工程为全地下工程,地下结构受地下水的渗透作用。地下结构埋置深度很深,相应的地下水水头高度很高,而且地下结构底板又刚好处于上海第一承压含水层第(7)粉砂层,在侧向水压力渗透作用下以及承压水水头压力作用下保证地下结构不渗漏,满足地下变电站结构严格的防水要求,是本工程防水设计的重点,而地下连续墙及其与主体地下结构之间的连接防水设计更为重中之重。根据工程的实际情况,地下连续墙防水设计除了加强自身结构防水的设计之外,尚需对如下几个防水薄弱环节进行重点设计:(1)槽段接缝防水;(2)地下连续墙与基础底板接缝防水;(3)内衬墙防水。5.1刷壁器的应用地下连续墙接缝防水设计的原则为“以堵为主,以疏为备”,主要体现为四个方面:(1)槽段施工时严格控制其水平及垂直度偏差,并且二期槽段施工时采用根据工程特点定制的刷壁器对一期槽段接缝进行反复数次刷壁,以消除接缝间夹泥等不利于接缝防水的情况,从源头上确保槽段接缝的施工质量;(2)槽段接头采用工字钢接头,该接头既可满足地墙环向受力要求以及可实现免除锁口管的设置与拨出,同时工字钢接头又增长了地下水由地墙接缝深入室内的绕流路径,起到了良好的防渗效果;(3)为进一步增强地下连续墙槽段接缝处的防渗可靠性,槽段接缝外侧设置三根1000高压旋喷桩进行接缝封堵止水;(4)内衬墙内侧设置一圈环通的排水沟,以疏排地下连续墙接缝可能渗入的地下水。5.2基础底板防水施工由于本工程基础底板处于承压含水层,将承受巨大的水头渗透压力,因此地下连续墙与基础底板竖向接缝为防水设计的最薄弱环节,设计中针对该接缝设置了多道防线:(1)将基础底板周边局部加厚300mm,并将基础底板底部的防水系统延伸至地下连续墙边包裹局部加厚的结构,同时采用聚氨酯密封膏嵌缝封闭,形成最外侧的渗水防线;(2)地下室底板与地下连续墙连接部位考虑埋设环通两道遇水膨胀防水条;(3)接缝间设置了两道预埋注浆管。待基础底板施工完毕,地下连续墙与主体结构变形稳定之后,通过预留的注浆管对地下连续墙与基础底板接缝进行注浆,以充实接缝之间可能存在的间隙,提高接缝防水的可靠性。图5为地下连续墙与基础底板接缝防水构造。5.3地下连续墙内墙结构施工缝的施工设计为减轻逆作施工阶段及正常使用阶段地下连续墙槽段受力和防渗负担,在地下连续墙内侧增设一道800mm厚现浇钢筋混凝土内衬墙,为保证逆作阶段内衬墙与地下连续墙的整体协同工作以共同抵抗坑外水土侧压力,内衬墙与地下连续墙之间应紧密接触,在两者间设置有效的整体连接措施,从而排除了在地下连续墙与内衬墙之间设置防水卷材等柔性防水隔离层的可能。内衬墙随基坑开挖分段施工,由此产生的结构施工缝成为防水的薄弱点,为确保防水的可靠性,设计中在内衬墙防水主要采取了如下技术措施:(1)为减少超长、大体积混凝土浇筑时因收缩产生的裂缝,内衬墙采用纤维混凝土,纤维最佳掺入量预先通过试验对比确定;同时内衬墙施工时采取跳仓施工的方式,分仓缝按照沿圆周方向不大于20m及与地下连续墙接缝错缝的设置原则;(2)地下连续墙内衬墙在逆作阶段分段形成,竖向存在多条水平施工缝;内衬墙水平施工缝位于与地下各层水平结构和三道临时环撑接缝处,这些位置均设置三道止水