新世界商务中心深基坑支护的设计与监测实践.doc

新世界商务中心深基坑支护的设计与监测实践 舒良成 （ 广东省深圳市新世界集团）【摘要】本文介绍了深圳新世界商务中心深基坑支护的设计和监测情况，分析了桩锚支护结构的变形规律，特别是桩底嵌入岩体中的悬臂桩弯矩分布规律，对类似工程的设计有借鉴意义。【关键词】深基坑 桩锚支护结构 设计 监测目前，深圳地区深基坑支护结构主要采用排桩预应力锚索支护法（或排桩内支撑）和喷锚法，而重力式挡土墙法、地下连续墙法、坡率法、钢板桩法等则应用得相对较少。喷锚支护结构，也称土钉墙或复合型土钉墙，是一种柔性支护结构，在深圳地区深基坑支护工程中广泛应用。规范1规定该法适用于小于12.0m的深基坑，但结合放坡、设置预应力锚索或超前支护桩联合支护时，基坑深度可适当加深。但对于深度大于12.0m的深基坑，采用喷锚支护结构时，其变形往往较大。如福田中心区某基坑，坑深约16.0m，采用水泥搅拌桩内置型钢作为超前支护桩，最大水平位移已超过200mm，地面人行道、绿化带出现多条大裂缝；南山区某基坑，坑深约12.0m，因地层软弱，地下水流失，造成邻近大楼（筏板基础）倾斜率达4，后采用预应力管桩5001000与两排预应力锚索等加固措施才成功制止住了支护结构和附楼的继续变形；福田区石厦北某基坑，坑深13.65m，南侧最大水平位移163.5mm，西侧最大水平位移84.5mm，北侧最大水平位移98.0mm。排桩支护结构是一种刚性支护结构，深圳经济特区在改革开放初期至90年代初，基坑支护方法主要采用排桩支护结构，90年代初，喷锚支护结构因造价低廉、施工便捷等特点广泛推广使用，而排桩支护结构的应用则逐渐减少。目前，在各种超深基坑或特殊条件下的深基坑，因排桩支护结构具有刚度大变形小的特点，该支护技术依然是优先考虑的支护方式。如深圳世界之窗舞台改建深基坑（坑深21.9m）、假日酒店深基坑（坑深19.2m）、华润中心北区深基坑（19.0m）、罗湖司法大厦深基坑（18.6m）等都采用了排桩支护结构。排桩支护结构常用桩型有人工挖孔灌注桩、钻（冲）孔灌注桩，部分工程也采用长螺旋钻孔灌注桩或预应力管桩。本文主要介绍深圳新世界商务中心深基坑支护工程的设计及监测，以期对同类工程有借鉴意义。1 场地地质条件及周边环境新世界商务中心位于深圳市福田中心区内，建筑高度220m，56层，设三四层地下室，占地面积5578.19 m2，建成后将成为深圳市继地王大厦、赛格广场之后的第三大地标性建筑。建筑物0.00=10.4 m，地下室北部坑底相对标高-14.25m，南部坑底相对标高-15.85 m，中部核心筒底标高21.0m，基坑周长约300m。1.1周边环境建设场地北侧为江苏大厦，2层地下室，距场地约35m；西侧为黄埔雅苑住宅小区的地下停车场，距离约22m，有小区道路相隔；东侧为益田路，南侧为福中路，见图1所示。场地东侧、西侧紧邻用地红线分别有液化气管道、电缆沟；在东侧、南侧、西侧道路及人行道下有各种市政管线。北侧用地红线与江苏大厦之间原为空地，在基坑施工前期，该空地上兴建了地铁变电站和供电局变电站，基础类型分别为预应力管桩和人工挖孔桩。1.2 地貌及地层岩性场地位于新洲河二级阶地、莲花山残丘的凹部，地势平坦，地面绝对高程为9.610.85m。基坑开挖深度范围内主要分布以下地层：人工填土，主要由褐红色粉质粘土回填而成，结构稍密，厚度3.58.8m。在东侧及南侧填土层底部回填有碎块石及砂，局部厚达1.02.6m。第四系冲洪积地层，可细分为三种地层：含有机质粉砂、泥炭质粉质粘土和中砂。含有机质粉砂：灰黑、深黄色，局部为粉土或细砂，含粘性土15%-50%，含少量有机质，松散状态，层厚0.4-5.0m；东侧局部地段有分布。泥炭质粉质粘土：黑色，含有机质及腐木碎片，部分为大块的腐木，局部为有机质粉质土，软塑-可塑状，主要分布在场地东北部，层厚1.7-2.9m。中砂：土黄、土灰色，中砂为主，局部为粉细砂或粗砂，含少量粘性土，稍密-中密状，层厚0.3-5.3m。该层由东向西逐渐增厚，东部局部地段有分布。场地西部含有机质粉砂及中砂层分布稳定，总层厚一般为4.05.5m。第四系残积层砾质粉质粘土，由粗砾花岗岩风化残积而成，原岩结构已经破坏，含石英砾约25%，可硬塑状态，稍湿湿，厚度0.4-8.6m。基岩为粗粒花岗岩各风化带，全风化岩原岩结构尚可分辨，遇水极易软化，风化不均，局部夹强风化硬块，厚度0.54.7m；强风化岩结构部分破坏，裂隙发育，裂面铁染，岩芯多呈碎块状，厚度0.26.3m；中风化岩裂隙发育，揭露厚度0.13.97m；微风化岩裂隙稍发育，岩石遭受轻微绿泥石化。在场地西南角发育有煌斑岩脉。1.3 水文地质条件场地地下水主要赋存在第四系冲洪积砂层孔隙中和强风化中风化岩的基岩裂隙中。受周边建筑物施工降水的影响，勘察期间测得的稳定地下水埋深为7.28.8m。地下水主要受大气降水补给。图1：基坑总平面示意图及观测点位置图2 基坑支护结构设计基坑坑壁地层比较复杂：表部填土层局部含少量块石，部分建筑垃圾、碎石等；场地北部分布有软塑可塑状泥炭质粉质粘土；坑底大部分地段出露中微风化岩体。建筑物外墙距离用地红线仅360mm，基坑支护用地狭小，且因基坑开挖深度15.0m左右，若基坑支护变形过大将对周边市政道路、地下管线、变电站等造成严重破坏后果。因此，基坑支护结构选取刚度大变形相对较小的桩锚支护结构。支护桩型为人工挖孔桩。人工挖孔桩直径1200mm2500mm，考虑到各侧坑壁中部变形大的缘由，中部桩间距加密为2000mm；东侧、南侧、西侧设三道预应力锚索，第一道位于-4.5m，一桩一锚，锚筋为5束75钢绞线，自由段7.0m，锚固段20.0m，锚固力设计值650kN；第二道位于-8.0m，三桩两锚，锚筋为4束75钢绞线，自由段7.0m，锚固段15.0m，锚固力设计值550kN；第三道位于-11.0m（基坑南区为-12.0m），三桩两锚，锚筋为4束75钢绞线，自由段5.0m，锚固段13.0m，锚固力设计值450kN。锚索倾角均为15，第一道、第二道预应力锚索均用232b槽钢锁定，第三道锚索用225b槽钢锁定。桩身配主筋2425，桩顶统一设冠梁，尺寸为1500800，冠梁顶标高-1.0m。基坑北侧因变电站的兴建，支护结构做了局部修改。北侧支护桩开始施工后，邻近地块内的供电局变电站、地铁变电站的桩基工程随即动工。北侧东段地铁变电站采用直径400mm预应力管桩基础，桩端持力层为强风化花岗岩，桩长9.513.2m，桩底高程均高于新世界商务中心地下室底板高程；北侧西段供电局变电站采用直径1000mm或1200mm人工挖孔桩基础，桩端持力层为中风化花岗岩，实际桩长均已超过新世界商务中心地下室底板高程。为避免预应力锚索的施工对邻建筑物预应力管桩基础或人工挖孔桩基础造成不利影响，进行了局部变更设计：地铁变电站段，预应力锚索由三道改为四道，锚索倾角由15改为45，使预应力锚索从邻近预应力管桩基础下穿过，各锚索必须进入硬岩（中风化或微风化岩）内不少于5.0m。供电局变电站段，因邻近人工挖孔桩基础埋深大，锚索与桩基础位置有冲突，只能取消相冲突的锚索，致使多数支护桩处于悬臂状态。紧邻坑壁顶部，变电站设有地下事故油池和化粪池，局部冠梁顶标高下调到-3.3m。支护桩入坑底深度要求不少于3.0m且同时满足入中风化岩体不少于3.0m或入微风化岩体不少于1.5m、入强风化岩体不少于6.0m。3 地下水处理措施场地处于新洲河二级阶地末端，第四系冲洪积砂层由东向西逐渐增厚，东部砂层很薄甚至缺失，且多为含有机质粉砂，西部砂层中混有粘性土。地下水主要由东向西渗流。勘察期间，在场地中部ZK19钻孔中做了抽水试验，测试砂层、强中风化岩体中的地下水。当地下水位降到地面以下15.1m时（抽水前，水位埋深8.3m），实测抽水量为48.4m3/d，含水层平均渗透系数为2.24m/d，最大影响半径为31.6m。因场地周边高层建筑物地下室施工已改变了地下水的补、径、排系统，且地下水的补给有限，综合考虑其它因素，基坑开挖无需采用搅拌桩止水帷幕截水，可采用井点降水措施。在福田中心区北区（深南大道以北）的基坑支护工程几乎都成功采用了降水措施，如文化中心、市民中心、少年宫等。根据计算，基坑总涌水量约为538.5m3/d，按实际单井抽水量48.4m3/d，则需布11口降水井，降水井主要布设在场地北侧和西侧，井间距20m。4 基坑支护施工支护桩开挖前先进行井点降水，先期在基坑西部施工的6口降水井中仅有位于西北角地1口降水井有地下水持续抽排；鉴于地下水量小，未施工的5口降水井取消。基坑开挖到底时，只有西北角坑壁上有地下水渗出，特别是在场地西北角曾因地下水渗流带走大量泥砂造成桩后土体塌陷，塌陷范围直径约2.0m深度约1.5m，回填粘土。人工挖孔桩施工较顺利。因多数桩孔底遇硬岩，若按设计要求对不同风化程度的岩性入坑底深度有不同控制标准，实际操作很困难，后统一调整为入坑底深度为3.0m（除西北角外）。预应力锚索施工采用专用锚杆机成孔，成孔直径不小于130mm，灌注纯水泥浆。因本工程预应力锚索锚固力设计值较大，最大值达650kN，正式施工前在场地东北角进行了锚索张拉基本试验，以验证设计参数和施工工艺参数。锚索由5束75钢绞线组成，自由段7.0m，锚固段20.0m，实测最大极限抗拔力达1271kN，相应锚头位移为53mm，满足设计要求。5 基坑支护监测基坑支护施工过程中，主要对支护结构的水平位移、周边道路沉降、桩身钢筋应力、北侧变电站的变形进行了观测，观测点布设见图1所示。5.1 桩顶水平位移观测结果分析基坑支护施工过程中，对桩顶水平位移进行了为期1年的观测，观测结果见表1所示。从表中可以看出，北侧桩顶水平位移大于其它各侧，而北侧西段（即供电局变电站侧）位移大于东段（即地铁变电站侧）位移，因东段的各排预应力锚索以45倾角锚入中微风化岩体中，而西段因受供电局变电站人工挖孔桩基础限制，局部位置无法施工预应力锚索，部分支护桩呈悬臂状态，变形相对较大，如位于32悬臂桩桩顶的S2点，其位移达59.7mm。基坑同一侧边，位于中部的观测点的位移最大，如东侧中部S6点的位移达56mm，大于S5、S7、S8等点的变形，其余各侧均有此规律。表1 支护桩桩顶水平位移观测结果（单位mm）测点号S1S2S2S3S3S4S5S6S7S8S9S10S11S12S13S14水平位移35.759.751.543.034.627.526.056.030.042.436.057.046.021.030.030.05.2 基坑周围道路、建筑物的沉降观测结果分析基坑施工过程中，对周边道路的沉降进行了观测，结果见表2所示；此外，对基坑北侧外的变电站的变形也进行了观测。表2 基坑周边道路沉降观测结果测点号C1C2C3C4C5C6C7C8C9沉降(mm)5.16.07.25.09.56.47.311.013.8基坑周边道路、地下管线或建筑物的沉降主要是因支护结构的位移、或地下水流失等原因造成的，如位于西北角的S9点沉降最大，达13.8mm，是因为该处地下水长期渗流导致的。总的看来，基坑周边地表的沉降值较小。基坑未回填之前，北侧地铁变电站、供电局变电站的变形观测是本基坑支护的重点。从观测结果来看，地铁变电站平均沉降2.64mm，沉降差仅为0.11.2mm；供电局变电站平均沉降1.68mm，沉降差为0.30.6mm。这说明，虽然北侧桩顶水平位移27.559.7mm，但因变电站采用了桩基础，支护结构的变形对邻近变电站影响不大。5.3 桩身钢筋应力观测结果分析选取了北侧供电局变电站侧的23和32支护桩的桩身钢筋笼上各安装了6对钢筋应力计，埋置深度见图2(a)所示。23桩桩孔深20.8m，入坑底深度6.55m，其中入块状强风化岩1.5m、入中风化岩2.0m；32桩桩孔深21.5m，入坑底深度7.25m，其中入块状强风化岩1.2m、入中风化岩2.8m。此两桩均为悬臂桩，冠梁顶标高-1.0m。根据观测结果，在基坑开挖过程中桩身钢筋应力不断变化，最大应力在地面以下15.017.0m处,即坑底以下0.752.75m。23桩内侧最大应力为-45.23Mpa（压应力），外侧最大应力为39.73Mpa（拉应力）；32桩内侧最大应力为-32.19Mpa（压应力），外侧最大应力为73.13Mpa（拉应力）。根据钢筋应力，可绘制出相应的弯矩图，由下列公式计算2： （1）图2：桩身实测弯矩图式中，M为弯矩；Ec、Es分别为混凝土的弹性模量和钢筋的弹性模量；Ic为结构截面惯性矩；d为桩内侧外侧钢筋计之间的中心距离；1、2为桩内侧外侧的钢筋计应力。图2为23桩、32桩的桩身弯矩图。两桩桩底均嵌入中风化岩体中，可视桩底端为固定端，而桩顶统一设置的冠梁可视为水平支撑。图2实测出的弯矩图也反映了这种受力状态。6 结语深圳市新世界商务中心深基坑支护工程，坑深平均约15.0m，地质条件特殊、周边环境复杂，特别是对北侧两个变电站的保护至关重要，文中介绍了该工程的设计和监测情况，有如下认识：（1）场地虽然分布有砂层，但通过分析水文