[建筑设计]深基坑支护设计与研究(NXPowerLite).doc

深基坑支护设计与研究前 言九十年代初，随着改革开放的进一步深入，城市建设大规模发展，伴随着高层、超高层建筑的日益增多，深基坑支护的设计、施工、监测逐步成为了一项技术综合性很强的专门学科，对于施工安全、工程造价及施工周期起着举足轻重的影响。正基于此，九五年天津市建委下发了文件，对深基坑（深度超过6m）支护的设计采取了方案论证的措施，并核发了深基坑支护设计资质。二四年建设部在全国范围内下发了危险性较大工程安全专项施工方案编制及专家论证审查办法，其中界定了开挖深度超过5m（含5m）的深基坑工程，应当组织专家组进行论证审查。二五年塘沽区针对本地区情况下发文件，界定基坑开挖深度大于3m小于6m的建设工程（含市政工程），基坑施工前应编制专项方案，并由专家进行论证。由此可见，基坑支护设计、施工的重要性正在日益得到重视。经过若干年的工程实践，在天津地区对较深基坑而言，围护结构的形式大多采用钢砼灌注桩+外排搅拌桩帷幕的形式。而对于超深基坑而言，大多采用地下连续墙的围护形式。九十年代后期发展的土钉墙及复合土钉墙技术由于天津地区地下水位较高，对其应用产生限制，在大型基坑中尚未采用。近期在上海地区广泛采用的SMW工法，适应天津地区的土质条件，但由于天津当地施工能力所限，尚未大范围推广应用。而天津本地研发的连体桩施工工艺，本着节约用地、节约造价的宗旨，在近期的地铁施工及土建施工中已有部分推广应用，如弘泽湖畔广场工程。对于超深、超大基坑而言，为了控制周边的变位，势必要增加支撑系统。早期大多采用外拉锚杆，这样可以最大限度地留出施工作业面，方便施工。但随着城市用地的紧张，锚杆影响范围超出用地界限，原则上是不可行的。更主要的是锚杆作为外拉措施会引起深层土体的位移，同样会引起周边环境的变化，不利于变形的控制。而且，天津作为软土地区，客观上锚杆的锚拉力也不大，经济上并无优势，于是锚拉方式逐步被内支撑方式取代。早期的支撑大多采用钢结构，拆装灵活，大大缩短了施工周期。但随着后期基坑规模不断扩大，形状也日趋不规整，钢结构支撑刚度小、易失稳、不止不灵活的缺点逐渐显现，钢砼结构支撑的采用日益增多。常规纵横交错布设的支撑对基坑中部的开挖空间会形成较大的制约。九五年天津今晚报大厦工程首次采用了钢砼环梁（直径超过60m）+钢管辐射撑（1540m）的支撑方式，在支撑系统的创新与发展上起到了引导作用。在该工程的监测中发现，钢管辐射撑长短相差大，温度应力影响明显，对稳定不利。后期金皇大厦基坑支护全部采用钢砼结构的环梁+辐射撑系统，支撑系统垂直受力采用了悬挂系统，方便了日后的拆除工作。再后期的云顶大厦基坑支护工程采用了全堽结构的环梁（直径108m）+辐射撑系统，跨中环梁尽可能与围护结构相切，尽量扩大中心开敞区域，刚度不足处加板带增强。支撑系统垂直受力采用了钢格构柱贯穿作法，减小了底板的防水隐患。深基坑降排水通常采用一道封闭止水帷幕，坑内降排水的方案。基坑内设大口井降水，降水井采用500mm无砂水泥管，外围棕皮或多层土工布及等粒径碎石，该井根据需要提前做成，并进行若干天以上的降水过程才可进行基坑开挖工作。基坑开挖至基底时沿基坑周边作等粒径碎石盲沟，盲沟要求随挖随填，与降水井相连组成降排水系统。天津地区地表以下2030m范围内通常有一层透水性较强的微承压水层，基坑开挖时，当上覆土重不足以抵挡下部的水压力时，基底就会隆起破坏，支护结构就会失稳。因此，当基底抗承压水的稳定性验算不满足要求时，通常的作法是在基坑内布设减压井。减压井由钢管和滤管组成。潜水层内为钢管部分，承压水层内为滤管部分，须保证衔接部分密封不漏水。在滤管外回填等粒径碎石滤料，在钢管外密实回填粘土球，以确保减压井只能排出承压水，而不与潜水层连通。如果基坑周边环境条件要求严格，则需将止水帷幕加深，使其进入承压水层下面的不透水层，从而将基坑内外的承压水层隔断。这样一来，在基坑内对承压水层进行减压，不会对基坑外环境产生不良影响，天津地铁大厦和天津人才科技大厦即是这样的成功范例。为保证基坑施工的顺利进行及相邻建筑物、道路、地下设施的安全，在基坑开挖的各步措施中必须进行现场监测。应对支护结构的倾斜、水平支撑系统（包括各层支撑系统中的腰梁、环梁、各支撑杆件）的位移、内力及挠度进行观测；自开始施工时起，就应对相邻建筑物的沉降、倾斜进行严密监测，亦应对场地周围道路、地下设施的沉降进行观测；应密切关注观测井的水位变化（必要时采取回灌措施）。观测应由具备资质单位进行，并将结果及时提供设计人，以便根据反馈信息指导施工。基坑支护设计与施工中存在的问题1基坑支护设计与施工主要依据就是岩土工程勘察报告，现有规范中规定基坑工程“勘察深度宜为开挖深度的23倍”，“勘察的平面范围宜超出开挖边界外开挖深度的23倍”，“在深厚软土区，勘察深度和范围尚应适当扩大”。但就目前情况来看，勘察单位无法实现这一要求。2设计中，计算模型的选取、土层参数的选取，各规范并不统一。作为临时性结构，计算原理若采用线弹性解则偏于保守。基坑开挖是三维空间问题，目前比较常见的二维平面有限元计算软件，难以真实地模拟基坑开挖各种工况的空间效果，其计算结果也与实测结果有较大的差异。3施工设备、机具的更新过慢，无法达到设计要求的水准。施工经验与能力，也成为影响基坑支护工程成败的因素。例如，深层搅拌桩作为止水帷幕安全、经济，但受其施工机具能力的制约，大多只能确保地表以下1516m的成桩质量。因此，10m以内的基坑通常采用搅拌桩作止水帷幕，超过10m的基坑通常采用连体桩或地下连续墙。也有采用高压旋喷（或定喷、摆喷）在连排灌注桩之间堵漏的作法，但其受土层性质影响较大，止水效果较差。一上海浦东金茂大厦超深基坑设计资料收集上海金茂大厦位于上海浦东陆家嘴隧道出口处的南面，是一幢88层超高层建筑。建筑面积约29000m2。基础工程为三层地下室，工程桩为钢管桩，基坑开挖面积约为20000m2，塔楼开挖深度为19.65m，裙房开挖深度为15.1m。金茂大厦是上海城市建筑施工中罕见的重大工程。1.围护方案的选择金茂大厦面积大，体型不规则（见图1），各土层的物理力学指标见表1：土层编号土层名称厚度（m）层顶绝对标高（m）含水量w（）重度(kN/m3)孔隙比e渗透系数（cm/s）固结快剪KhKhC (kPa)()1填土0.9+3.800-11172粉质粘土2.175+2.90035.318.51.005.1110-5-17.020.83淤泥质粉质粘土4.200+0.72539.618.11.111.7710-42.8110-611.522.04淤泥质粘土9.720-3.47549.017.31.371.6410-62.4710-714.013.505粉质粘土8.590-13.19534.418.50.981.3310-72.4910-513.020.06粉质粘土3.215-21.78523.020.10.67-51.021.07-1砂质粘土6.94-25.0031.218.60.91-4.2332.77-2粉细砂28.32-31.9426.918.90.803.57图1 基础平面图2.基坑围护设计总的考虑 2.1 基坑围护结构采用地连墙作为基坑外侧的挡土墙（兼地下室外墙），总长约560m，墙厚1m，墙深36m。2.2基坑内设置三道钻孔灌注桩挡土墙，将主楼和裙房分区，为主楼首先施工和裙房划区施工创造条件。2.3主楼区的钻孔灌注桩径为12001400mm，长24m；裙房区的钻孔灌注桩为10001200mm，长18m。2.4 基坑支撑形式采用的是钢筋混凝土桁架支撑，留有较大的空间，便于挖土。基坑平面布置和测点布置见图2，基坑围护结构剖面示意图见图3。图2基坑平面和测点布置图图3基坑围护结构剖面示意图a)裙房 b)主楼3.坑内外围的地下连续墙和灌注桩的计算坑内的钻孔灌注桩是为主楼前期开挖设置的，在主楼的区域东面是地连墙，其余三面是钻孔灌注桩，按开挖深度19.65m，直径1200mm，间距1400mm设计。桩顶标高-8.7m，桩底标高-32.7m。连续墙和灌注桩的计算采用SAP90程序计算，计算结果见表2表2 围护结构计算结果项目最大位移（mm）最大剪力（kN）最大正弯矩（kN.m）最大负弯矩（kN.m）坑外主楼地墙509772377（1800/1500）-1577坑外裙房地墙416201692（1400/1100）-1112坑内灌注桩墙559431800-1200注：（/）表示坑内/坑外弯矩设计取值4.钢筋混凝土桁架支撑计算根据SAP程序进行计算，各道支撑的最大变位值，最大轴力，竖向最大弯矩，以及水平最大弯矩列在表3中表3 支撑部分计算结果项目最大位移（mm）最大剪力（kN）最大弯矩（竖向）（kN.m）最大弯矩（水平）（kN.m）第一道支撑2.347435350-1691（2737）第二道支撑3.3614711440-3354（5881）第三道支撑3.8516856440-4072（6739）第四道支撑3.6016315350-3050（5529）立柱的设计，根据SAP程序对各道的支座反力进行叠加，可得主楼区域支座反力的最大值为2701kN，裙房区域立柱反力最大值为2059kN。立柱设计中综合考虑在施工中的附加荷载，用偏心受压构件计算进行设计。主楼区域的立柱混凝土部分的钻孔桩直径1000，桩长20m，钢格构外形截面尺寸为600600，肢件为L16014角钢。裙房区域的钻孔桩直径850，桩长22.5m，钢格构外形截面480480，肢件为L14014角钢。立柱钢格构部分钢材为A3钢。主楼和裙楼的立柱均落于7-2土层上以减少变形。5.现场监测结果与分析选主楼地下连墙测点D7的典型实测结果与计算值进行对比。见图4。 图4主楼D7测斜曲线5.1主楼地下连续墙变形结果分析5.1.1在主楼底板施工完毕以前地连墙的实测变形与计算变形非常接近。D7点实测变形最大值为49mm，计算值为45mm。实测最大变形部位较计算位置低，D7最大变形位置在地下15m，而计算最大变形位置在地下12m。5.1.2第三道支撑拆除时（曲线96-06-06），地连墙变形发展较快。D7最大变形位置在地下16m处。最大变形值为81mm，而计算值为50mm。究其原因：主楼基础浇捣后，在温度养护过程中基础底板有一定的收缩，对地连墙的约束很小。在第三道支撑拆除后，地连墙的变形对基础底板产生一定的压力，该压力导致基础底板的变形，并导致地连墙的进一步变形。5.1.3第三道支撑拆除后（曲线96-08-09），地连墙变形发展较慢，并趋于稳定。整个过程D7最大变形值为84mm，较计算变形值50mm大。究其原因：此时基础底板对地连墙的约束很小，而地连墙的刚度又很大，所以地连墙产生的变形增量很小。 5.2裙房地下连续墙变形结果分析 裙房地下连续墙变形特点与主楼有相似之处，不同处在于第四次挖土之后到第三道支撑拆除过程中曲线96-06-06变形较大。D1最大变形81mm，发生在地下15m处；D3最大变形值为99mm，发生在地下15m处。位置均比计算最大变形值位置地下12m低。其原因为裙房基础地板只有500mm厚，对地连墙约束较主楼小。裙房第三道支撑拆除后地连墙在整个过程产生最大变形值为102mm，比计算值大。主要原因是裙房最后一次挖土时间长，导致地连墙挖土根部暴露过久所致。通过以上分析知：裙房和主楼采用相同的地连墙和支撑系统，但裙房连续墙的最终变形较主楼更大，可见并不是挖土深变形一定较大，而与地下连续墙挖土根部暴露时间以及地板对地连墙的约束有直接的关系。二天津人才科技大厦基坑支护工程实录郑 虹 宋昭煌 王静(天津市建筑设计院岩土设计室 天津 300074)摘 要：本文介绍深度14.6m15.6m的天津人才科技大厦基坑的支护结构以地下连续墙作为挡土、止水结构，以三层环梁作为水平支撑系统。说明如何采用合理的围护结构、支撑形式，克服土质条件差、承压水埋藏较浅、基坑周边条件紧张等困难，在确保安全的前提下，尽可能做到节约投资、方便主体施工。关键词：地下连续墙；环梁支撑体系；基坑支护Case history on engineering of foundation pit retaining structure in the Tianjin Science and Technology EdificeZheng Hong Song Zhaohuang Wang Jing(Tianjin Architectural Design Institute, 300074)Abstract: In this paper, the engineering of foundation pit retaining structure in the Tianjin Science and Technology Edifice, which is 14.615.6m deep, is introduced. In this engineering, the concrete diaphragm wall is the foundation pit retaining structure, and three ring beam systems are the support systems. And it is present that how to use the reasonable style of retaining structure and support system to ensure safety, economization and convenience.Keywords: concrete diaphragm wall; ring beam support system; retaining structure1工程概况及地质条件1.1工程概况天津人才科技大厦坐落于天津市和平区黄家花园天隆里，北起南京路，南至西安道，东起河北路，西至山西路，是城市的中心城带。地上建筑五层裙房，裙房以上为塔楼，其中包括1栋39层的酒店公寓、1栋25层的人才科技大厦、2栋18层及1栋12层的写字楼等。主楼与裙房均有3层地下室，相互连通作为地下车库和人防工程。三层地下室层高分别为5.1m、3.7m、3.9m，基础筏板厚2.03.0m，素混凝土垫层厚0.1m，坑底设计标高为-14.8m-15.8m。室外设计标高-0.200m，因此本基坑深度为14.6m15.6m。基坑占地约为130m115m，属于超大、超深基坑。基坑总的特点是规模大、深度深。如此大范围的土体卸荷势必对周边几十米范围内的建筑、道路、设施产生影响。而该工程场地位于中心城区，周边地势紧张，建筑物及道路密集，市政设施密布。尤其是其北侧的南京路，不仅是天津市的主干道，而且其路面89m以下，距离拟建物地下室外墙22m以外有地铁线路通过。因此基坑周边的条件十分紧张，环境要求相当严格。基坑支护结构的合理选择、有效实施是十分重要的。1.2地质条件根据中国地质科学工程勘察院提供的岩土工程勘察报告揭示的资料，该场地第四系松散堆积层发育，厚度巨大。 涉及基坑支护的各土层主要物理力学指标见表1。表1 各土层主要物理力学指标土层层底标高(m)层厚(m)重度(kN/m3)j()c(kPa)渗透性指标Kv(cm/s)Kh(cm/s)渗透性1杂填土2.360.942素填土0.861.519.212.824.0粉质粘土-0.541.419.17.220.53.62x10-61.62x10-5弱透水1粘土-1.741.219.412.321.51.18x10-81.09x10-8微透水2粉土-3.641.919.827.424.42.96x10-52.32x10-5弱透水1粉质粘土-8.044.419.014.816.03.13x10-63.08x10-6弱透水2粉质粘土-11.343.319.321.118.71.06x10-51.21x10-5弱透水2粉质粘土-13.241.920.29.928.55.18x10-64.33x10-6微透水粉质粘土-15.342.120.212.325.43.29x10-61.8x10-5弱透水1粉土-18.142.820.230.222.83.10x10-42.53x10-4透水2粉砂-23.645.520.133.38.63粉质粘土-26.442.819.917.025.0粉质粘土-27.441.019.913.070.01粉土-28.841.420.330.614.5该场地浅层地下水属孔隙潜水及微承压水类型。平均水位埋深2.33m，高程为1.33m，年平均变幅为0.81.2m。层中微承压水头高程为-1.68m。2基坑支护设计与计算由于地下室范围几乎将规划用地占满地下室外墙距离红线仅剩1.1m空间，且施工环境要求严格，因此客观条件要求设计以占地最省的围护结构确保基坑和周边环境的安全。综合考虑基坑深度、形状，土质及水文条件、周边环境要求等，设计采用800mm厚的地下连续墙(锁口管接头形式)+3层钢筋混凝土水平支撑作为基坑支护体系。由于基坑深度已超过15m，普通的止水帷幕难以起到应有的作用，而地连墙既挡土，又挡水，是安全、经济、可行的选择。地下连续墙与地下室外墙间仅留0.3m间距以砌砖模，反做防水，支护体系与结构主体完全脱离，有利于主体结构的完整性。同时实现了支护结构占地最小，土方开挖量为有效开挖量，无需后期回填的目标。2.1地连墙长度的确定及内力计算基坑深度不同，对应地连墙自坑底以下有效嵌固深度也不同坑深14.6m，有效嵌固深度为12.9m；坑深15.1m，有效嵌固深度为13.4m；坑深15.6m，有效嵌固深度为13.9m。在基坑平面范围内，含承压水的粉砂和粉土层分布不均。根据不同区域的土质情况，在有效嵌固深度以下设置了2.58m深的素混凝土墙体，目的是使墙体穿过含微承压水的粉砂和粉土层。由于承压水层埋深较浅，水头压力较高，如果基坑开挖过程中不进行有效减压，则坑底土体会受承压水的作用而发生隆起破坏。如果仅在基坑范围内对承压水层进行减压，而不将基坑内外渗透性较强的承压水层截断，则会给其毗邻的建筑、道路带来严重的安全隐患。为此素混凝土墙体穿越承压水层，进入相对隔水层，将基坑内外的承压水层隔断，坑内进行降水减压能够有效地防止坑底土体发生隆起破坏，同时也确保了毗邻建筑物、道路的安全。图1为部分地连墙的支护结构剖面图。图1 支护结构剖面图采用弹性抗力法针对不同坑深、不同土质情况，分别对地连墙进行计算。计算时，要根据基坑开挖的顺序如开挖、加撑等，和地下室主体结构的施工顺序如换撑、拆撑等，不同工况分别进行计算，各种工况下地连墙内力的包络图，才是地连墙的设计依据。2.2水平支撑系统的特点根据基坑深度和周边环境的要求，为在控制墙体较小变形的基础上，使墙体弯矩最小，以实现墙体的最小含钢量，对于3层支撑的垂直位置的设计经过了多次计算。第1层支撑尽量下压，上皮设计标高-3.300m，第2层支撑上皮设计标高-7.000m，第3层支撑上皮设计标高-10.700m，如图1所示。根据基坑平面形状特点，3层水平支撑系统均由椭圆形环梁(长轴：短轴=1.07：1)、辐射撑和角撑组成，均采用钢筋混凝土结构。3层支撑系统在水平面上的投影重合，以使每根支承柱同时贯穿3层支撑，既方便土方开挖，又能节省造价。各层支撑均通过腰梁与地连墙联接，地连墙顶设置帽梁。对各层支撑系统分别采用二维支撑结构计算软件进行计算，以获得较为真实的变形和受力结果。这样的支撑系统较之纵横向分布的支撑系统，可以为土方开挖和主体结构的施工提供尽可能开阔的工作面，减少支承柱的布设。并能够充分发挥环梁混凝土结构抗压性能优异的材料特性，从而使支撑系统经济、合理、简洁。以钢筋混凝土环梁作为深基坑支护的主要支撑系统，在天津地区已取得了广泛的成功经验。该支撑体系的环梁直径超过110m，如此巨大的环梁须有较强的水平刚度，以往的作法是采用格构式的复合形环梁。这种作法不仅造价较高，而且浇筑、拆除、挖土都有一定难度。本着安全、经济、便于施工的原则，设计采用简单的矩形截面环梁，除满足其受力要求外，还要保证其平面的稳定性，因此采用环梁截面均为2500800mm，这是天津市目前直径最大的单截面环梁支撑体系。3施工与监测3.1基坑开挖及地下结构的施工顺序基坑开挖及地下结构的施工按以下顺序进行：(1)施工地连墙及支承柱；(2)坑内全面开挖至设计标高-1.700m，施工帽梁；(3)待地连墙强度达到设计要求，并且降水10天后，开挖至设计标高-4.100m，施工第1层水平支撑系统；(4)在第1层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至设计标高-7.800m，施工第2层水平支撑系统；(5)在第2层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至设计标高-11.500m，施工第3层水平支撑系统；(6)在第3层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至坑底设计标高，立即施工地下室基础至设计标高-12.700m；(7)待地下室基础强度达到设计要求后，拆除第3层水平支撑系统；(8)继续施工地下三层至设计标高-8.800m；(9)待地下三层结构强度达到设计要求后，拆除第2层水平支撑系统；(10)继续施工地下二层至设计标高-5.100m；(11)待地下二层结构强度达到设计要求后，拆除第1层水平支撑系统；(12)继续施工主体结构。设计要求严格按照施工顺序进行，在每一层水平支撑系统未达到设计要求之前，严禁进行下一步的土体开挖；每一步主体结构强度未达到设计要求前，严禁下一步水平支撑系统的拆除。地连墙与地下室外墙之间的空隙须采用砖模或素混凝土填实。3.2基坑降排水基坑内设降水井，采用500mm无砂水泥管，外围棕皮及等粒径碎石，其透水直径不小于700mm，井深22.0m，控制降深不小于21.0m。基坑开挖至坑底标高时，沿基坑周边作等粒径碎石盲沟，盲沟要求随挖随填，形成宽300mm深400mm与降水井相连组成降排水系统。基坑周围设观测井(兼作回灌井)，井深18.0m，成井要求同降水井，井口高出地面0.5m，并加活盖以防堵塞(井口一节为水泥管)。3.3监测结果设计要求对对地连墙的倾斜、内力进行监测；对各层支撑系统的水平位移、挠度、内力进行监测；对周围建筑物及地下设施、道路、管线的沉降进行监测；密切关注观测井的水位变化以及钢筋混凝土腰梁、支撑系统是否出现裂缝。监测单位为此制定了详细的监测计划，包括在地连墙内布设了8个测斜管，以监测地连墙的倾斜，但由于施工不慎致使测斜管遭受到不同程度的破坏，最终仅剩3个可以取得数据；在各层水平支撑上布设了20个位移监测点和10个应力监测点，以监测各层水平支撑系统的水平位移、挠度、轴力、弯矩等；在毗邻的各住宅楼上共布设了31个监测点，以监测沉降和倾斜；在南京路上布设了12个监测点，在河北路上布设了9个监测点，以监测其路面沉降。监测结果表明，地连墙的倾斜量、各层支撑系统的水平位移、挠度、内力均小于监控指标，住宅楼最大沉降量不超过17mm；南京路和万德庄南北街路面沉降不超过10mm。由此可以判定基坑变形对周围建筑、道路的影响较小，说明支护体系的设计是成功的，施工是顺利的。4结语1.本工程采用800mm厚地下连续墙+3层水平支撑作为基坑支护体系，该方案克服了土质条件差、基坑深度大、周边环境要求严格等难点。根据现场监测结果表明，基坑开挖和地下室主体结构施工过程中，地连墙和水平支撑系统的变形和内力均在可控范围内，场地周围建筑、道路、地下设施等沉降量很小，均未受到不良影响。工程是成功的。图2为基坑全景图。2.根据弹性抗力法的计算结果，第二、三层支撑系统的受力接近，第一层支撑系统的受力明显小于二、三层的受力。吸取以往工程的经验教训，第一层支撑系统的实际受力往往比计算结果偏大，且考虑第一层环梁最早施工、最晚拆除，保留时间最长，受外界环境影响(如车辆动载等)也大，因此第一层环梁的截面不宜过小。所以三层环梁均采用相同的截面2500800mm。从实际效果来看，各层支撑系统的腰梁、环梁、支撑等均未发现明显的结构裂缝，说明支系统是安全可靠的。图2 天津人才科技大厦基坑全景图3.工程实施过程中，施工单位严格按照设计文件施工，监理单位认真监督，施工质量得到了保证。各方面协调配合，贯彻了设计意图，确保了工程的顺利实施。参考文献1 刘建航，侯学渊. 基坑工程手册. 北京：中国建筑工业出版社，1997年. P438496及7037302 中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程 JGJ120-99. 北京：中国建筑工业出版社，1999年. p2325三天津地铁大厦基坑支护工程实录郑 虹 宋昭煌 王思源 (天津市建筑设计院岩土工程设计室 天津 300074)摘 要：本文介绍天津地铁大厦基坑的支护结构地下连续墙既作为基坑开挖过程中挡土、止水结构，又作为永久结构的地下室外墙的一部分(即正常使用期间起到承担土体侧向压力和防渗的作用)。说明如何采用合理的围护结构、支撑形式，克服土质条件差、承压水埋藏较浅、基坑周边条件紧张等困难，在确保安全的前提下，尽可能做到节约投资、方便主体施工。关键词：地下连续墙；环梁支撑体系；基坑支护Case history on engineering of foundation pit retaining structure in the Tianjin Underpass EdificeZheng Hong Song Zhaohuang Wang Siyuan (Tianjin Architectural Design Institute, 300074)Abstract: In this paper, the engineering of concrete diaphragm wall, which is not only the foundation pit retaining structure, but also a part of basement retaining wall, in Tianjin Underpass Edifice is introduced. And it is present that how to use the reasonable style of retaining structure and support system to ensure safety, economization and convenience.Keywords: concrete diaphragm wall; ring beam support system; retaining structure1前言近年来，根据经济建设或城市发展规划的要求，常需在软土地基上进行高层、超高层建筑。特别是在一些沿海地区的大中型城市中，拟建建筑往往毗邻既有建筑、交通要道、重要的市政设施，这使得深基坑支护技术成为一个必须慎重对待和深入研究的课题。由于设计或施工中出现的种种问题而造成的基坑支护失效，既有建筑道路、设施受损已屡见不鲜。因此，在基坑支护设计方面，应根据现场实际情况，综合考虑各种影响因素，在确保安全的前提下，尽可能地做到节约投资和方便主体施工。天津地铁大厦基坑支护工程即是这样一个较为成功的实例。2工程概况及地质条件2.1工程概况天津地铁大厦暨地铁海光寺站工程由40层、36层主楼和6层裙房组成，主楼与裙房均有3层地下室，且相互连通。其地下一层作为地铁海光寺站的疏散厅，层高6.0m，与南京路段地铁相通。地下二、三层均为停车场，层高分别为3.5m、 3.7m(含0.2m管线夹层)。基础底板主楼部分厚2.5m，东、南面裙房部分厚1.5m，素混凝土垫层厚0.1m。室外设计标高-0.600m，本基坑坑深为15.2m和14.2m，属于超深基坑。拟建物位于中心城区，周边建筑物及道路密集。北临南京路与地铁的两个出入口相接，南侧为万德庄花园小区地下室外墙距离既有住宅楼约10m，西临万德庄南北大街，东侧距离地铁风机房约5.8m。周围的建筑、道路、市政设施均须保护，因此基坑周边的条件十分紧张，环境要求相当严格。2.2地质条件据勘察报告提供情况，本场地地貌单元为第四纪冲积海积平原，经过漫长的水动力作用，沉积了巨厚的第四系沉积物。各土层主要物理力学指标见表1。场区稳定水位埋深为0.91.2m。浅层地下水分为潜水(埋深15m以上)和承压水(埋深2032m)两个含水层组。其中人工填土层内赋存有少量地下水，由于场地埋深35m段的淤泥质粘土和1粉质粘土层是相对隔水层，而成为上层滞水。埋深在515m的2粉土、1粉土和2粉质粘土层组成了潜水含水层，其下埋深在1520m的1粉质粘土和2粉质粘土层成为相对隔水层。对本工程基坑支护设计影响较大的是埋深在2032m左右的承压含水层2粉土层，其下粘土层为相对隔水层。承压水静水位埋深7.62m左右。3基坑支护设计与计算由于地下室范围几乎将规划用地占满，且施工环境要求严格，因此客观条件要求设计以占地最省的围护结构确保基坑和周边环境的安全。综合考虑基坑深度、形状，土质表1 各土层主要物理力学指标土层层厚(m)重度(kN/m3)直剪快剪固快快剪渗透性2#孔8#孔jq()Cq(kPa)jcq()Ccq(kPa)11杂填土3.80.72素填土06.118.94.010.06.012.01粉质粘土2.2019.611.526.816.020.0不透水2粉土1.2019.525.015.026.515.5弱透水2粉质粘土7.77.819.115.021.516.022.5微透水1粉质粘土1.21.420.112.021.013.020.0不透水2粉质粘土3.93.620.213.021.516.024.0不透水2粉土1211.720.026.510.028.014.0弱透水粘土3.94.319.38.029.013.040.0不透水1粉质粘土3.74.420.210.027.016.032.0不透水及水文条件、周边环境要求等，设计以800mm厚地下连续墙+3层水平支撑系统作为基坑支护体系。同时地下连续墙也作为地下室外墙的一部分即正常使用期间起到承担土体侧向土压力和防渗的作用。由于基坑深度已超过15m，普通的止水帷幕难以起到应有的作用。而地连墙既挡土，又挡水，还能作为地下室主体结构的一部分，是经济、可行的选择。主楼地下室位于整体地下室的中部，地连墙作为裙房地下室外墙的一部分与主楼脱开，既有利于主楼结构的完整性，又实现了地连墙将主楼边柱承台与工程桩全部包入基坑的作用。3.1 地连墙长度的确定及内力计算地连墙钢筋混凝土部分有效长度为26m，自坑底以下有效嵌固深度为13.1m，满足基坑整体稳定、抗倾覆稳定等要求，其下部附加6m素混凝土墙(如图1所示)。如前所述，本工程埋深在2032m左右的2粉土层为承压水层，埋深较浅，水头压力较高，如果基坑开挖过程中不进行有效减压，则坑底土体会受承压水的作用发生隆起破坏。据调查，场地南侧的住宅楼桩基持力层为2粉土层，如按常规方案仅在基坑范围内对承压水层减压，而不将基坑内外渗透性较强的该2粉土层截断，则会造成住宅楼桩基持力层的附加沉降，给其带来严重的安全隐患。为此，26m地连墙下附加6m素混凝土墙的目的是使墙体穿越含承压水的2粉土层，进入相对隔水的粘土层，将基坑内外的承压水层隔断，坑内进行降水减压能够有效地防止坑底土体发生隆起破坏，同时也确保了毗邻既有建筑物的安全。图1 支护结构剖面图为了提高经济效益，地连墙还要作为永久结构的地下室外墙的一部分即正常使用期间起到承担土体侧向压力和防渗的作用。地连墙与主体结构的这种结合1，是将地下室主体结构的基础底板、各层楼板的框架梁作为正常使用期间地连墙的支点，起着水平支撑作用。内衬墙与地连墙之间留有50mm空隙，彼此之间既不传递剪力，也无变形协调。这种结合形式的特点是地连墙与主体结构各自受力明确：地连墙的功用在施工和使用时期都起着挡土和防渗作用，而内衬墙只承受垂直荷载。因此地连墙的内力计算，不仅要考虑基坑开挖过程中的各种工况，还应考虑正常使用期间的工况。各种工况下地连墙内力的包络图，才是地连墙的设计依据。3.2水平支撑系统的特点根据基坑深度和周边环境的要求，本着尽量减小地连墙变形和配筋的原则，经反复计算，确定该基坑支护需设3层水平支撑系统。第1层支撑轴线设计标高-2.500m，第2层支撑轴线设计标高-7.600m，第3层支撑轴线设计标高-11.800m，如图1所示。根据基坑平面形状特点，3层水平支撑系统均由椭圆形环梁(长轴：短轴=1.2：1)、辐射撑和角撑组成，均采用钢筋混凝土结构。3层支撑系统在水平面上的投影重合，以使每根支承柱同时贯穿3层支撑，既方便土方开挖，又能节省造价。图2为支撑系统平面图。对各层支撑系统分别采用二维支撑结构计算软件进行计算，以获得较为真实的变形和受力结果。这样的支撑系统较之纵横向分布的支撑系统，可以为土方开挖和主体结构的施工提供尽可能开阔的工作面，减少支承柱的布设。并能够充分发挥混凝土结构环梁抗压性能优异的材料特性，从而使支撑系统经济、合理、简洁。图3 地连墙墙段间的接头形式图2 支撑系统平面图3.3主要节点构造3.3.1地连墙墙段间的接头形式由于基坑支护用的地连墙作为主体结构的一部分，在正常使用期间仍要承担土体的侧向压力并同时起到防渗作用，因此对地连墙各墙段之间的整体刚度和防渗要求较高。为此，地连墙墙段间的接头形式应采用刚性接头2。总结多年来的工程经验，设计采用一种相对简化的“十”字钢板的接头形式，如图3所示。这种采用接头箱形成刚性接头的“十”字钢板形式，较之采用锁口管形成的素混凝土接头形式刚度好、抗剪性能优异、抗渗路径也有所增长；和以往曾经采用过的“工”字钢接头形式、“王”字钢板接头形式等相比更为简化，加工简便，施工快捷。基坑开挖后经实际检验，抗渗性能较好，施工质量容易保证。3.3.2 地连墙与主体结构的结合图5 地连墙上一框架梁部位的预埋钢筋接驳器图4 地连墙预埋钢筋接驳器与基础底板钢筋连接在主体结构正常使用期间，基础底板和地下室各层楼板框架梁成为地连墙的新的水平支撑系统。因此必须确保地连墙与基础底板和地下室各层楼板框架梁实现有效连接，这一连接是通过预埋钢筋接驳器实现的。在施工地连墙钢筋笼时，于基础底板和地下室各层楼板框架梁相应标高处预埋钢筋接驳器，钢筋接驳器的直径、数量、位置等对应需连接的主体结构的钢筋直径、数量、位置等。钢筋接驳器在地连墙内的一头与足够长度的锚固筋有效连接。基坑开挖完成，施工基础底板时，将底板上、下皮钢筋与预埋钢筋接驳器有效连接；施工楼板时，将框架梁主筋与预埋钢筋接驳器有效连接。以往地连墙与主体结构连接的方式有在地连墙内预埋钢板，主体结构的钢筋与预埋钢板焊接；或是在地连墙内预埋钢筋，施工主体结构时将预埋钢筋剔出，与主体结构的钢筋焊接或绑扎。预埋钢筋接驳器的方法较之以往的这些方法更为先进、可靠，但对施工单位的要求也更为严格。天津地铁大厦地连墙的施工质量较好，其众多的预埋件基本没有脱落，位置比较准确。图4所示为地连墙上预埋钢筋接驳器与局部基础底板钢筋连接的实景照片，图5所示为地连墙上一框架梁部位的预埋钢筋接驳器的实景照片。4施工与监测4.1基坑开挖及地下结构的施工顺序基坑开挖及地下结构的施工按以下顺序进行：(1)施工地连墙及支承柱；(2)待地连墙强度达到设计要求，并且降水10天后，坑内全面开挖至设计标高-2.900m；(3)施工第1层水平支撑系统；(4)待第1层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至设计标高-8.000m，施工第2层水平支撑系统；(5)待第2层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至设计标高-12.200m，施工第3层水平支撑系统；(6)待第3层水平支撑系统强度达到设计要求后，开挖至坑底设计标高-15.800m(东、南两侧裙房处开挖至-14.800m)，立即施工基础底板至设计标高-13.200m；(7)待基础底板强度达到设计要求后，拆除第3层水平支撑系统；(8)继续施工地下三层至设计标高-9.650m；(9)待地下三层结构强度达到设计要求后，拆除第2层水平支撑系统；(10)继续施工地下二层至设计标高-6.050m；(11)待地下二层结构强度达到设计要求后，拆除第1层水平支撑系统；(12)继续施工主体结构。设计要求严格按照施工顺序进行，在每一层水平支撑系统未达到设计要求之前，严禁进行下一步的土体开挖；每一步主体结构强度未达到设计要求前，严禁下一步水平支撑系统的拆除。4.2基坑降排水基坑内设降水井13口降水井，采用500mm无砂水泥管，外围棕皮及等粒径碎石，其透水直径不小于700mm，井深26.0m，控制降深不小于25.0m。基坑开挖至坑底标高时，沿基坑周边作等粒径碎石盲沟，盲沟要求随挖随填，形成宽300mm深400mm与降水井相连组成降排水系统。基坑周围设观测井(兼作回灌井)4口，井深18.0m，成井要求同降水井，井口高出地面0.5m，并加活盖以防堵塞(井口一节为水泥管)。4.3 监测结果设计要求对对地连墙的倾斜、内力进行监测；对各层支撑系统的水平位移、挠度、内力进行监测；对周围建筑物及地下设施、道路、管线的沉降进行监测；密切关注观测井的水位变化以及钢筋混凝土帽梁、腰梁、支撑系统是否出现裂缝。监测单位为此制定了详细的监测计划，包括在地连墙内布设了5个测斜管，以监测地连墙的倾斜；在各层水平支撑上布设了17个位移监测点和10个应力监测点，以监测各层水平支撑系统的水平位移、挠度、轴力、弯矩等；在毗邻的万德庄花园小区住宅楼上布设了7个监测点，以监测其沉降和倾斜；在南京路和万德庄南北街上各上布设了2个监测点，以监测其路面沉降。监测结果表明，地连墙的倾斜量最大值为18mm，小于监控指标；各层支撑系统的水平位移、挠度、内力均在设计允许范围之内，万德庄花园小区住宅楼最大沉降量未超过2mm；南京路和万德庄南北街路面沉降不超过10mm。由此可以判定基坑变形对周围建筑、道路的影响较小，说明支护体系的设计是成功的，施工是顺利的。5结语5.1.本工程采用800mm厚地下连续墙(“十”字钢板接头形式)+3层水平支撑作为基坑支护体系，同时地下连续墙也作为地下室外墙的一部分即正常使用期间起到承担土体侧向压力和防渗的作用。该方案克服了土质条件差、基坑深度大、周边环境要求严格等难点。根据现场监测结果表明，基坑开挖和地下室主体结构施工过程中，地连墙和水平支撑系统的变形和内力均在可控范围内，场地周围建筑、道路、地下设施等沉降量很小，均未受到不良影响。设计与施工都是成功的。图6为基坑全景图。5.2.本工程由于承压水层埋深较浅，水头压力较高，采用了在地连墙有效嵌固深度下附加6m素混凝土墙体的作法，以使墙体穿越承压水层，进入相对隔水层，将基坑内外的承压水层隔断。从实际效果来看，坑内降水效果良好，防止了坑底土体发生隆起破坏，同时也确保了毗邻既有建筑物的安全。素混凝土墙体造价经济，可为以后工程借鉴。5.3.地连墙与地下室内衬墙采用“分离式”结合方法，即地连墙与地下室主体结构仅在基础底板和各层楼板框架梁处进行有效连接，其余部分地连墙与内衬墙之间留有空隙以隔断剪力传递，使得地连墙与内衬墙各自受力明确：地连墙的功用在施工和使用时期都起着挡土和防渗作用，而内衬墙只承受垂直荷载。这种结合方式有利于主体结构自身的整体性与变形协调，同时较之地连墙仅作临时性的基坑支护结构的方案更为经济。图6 天津地铁大厦基坑全景图5.4.根据基坑平面形状特点，水平支撑系统采用长轴：短轴=1.2：1的椭圆形环梁，为土方开挖和地下结构施工提供尽量开敞的空间。根据弹性抗力法的计算结果，第一层支撑系统的受力明显小于第二、三层支撑系统