超大型深基坑塔吊基础逆作法设计与施工

超大型深基坑塔吊基础逆作法设计与施工[摘要]：深基坑施工中经常遇到场地狭小，基坑面积大，塔吊设置在基坑边无法满足施工需要的情况。基坑中央布置塔吊可以采用灌注桩作基础，插入钢格构柱或型钢作支撑立柱的方法，在基坑施工前安装完成。本文从实际工程应用出发，详细介绍此类塔吊基础的设计方法与施工的关键。[关键词]：塔吊基础；格构；逆作法1.工程概况大厦建设基地位于上海。地下2层，地上高层组成。基础类型为PHC静压桩加承台，整板基础，地下车库为框架结构，主楼结构形式为剪力墙结构。基坑开挖深度至-9.55m，局部至-9.95m，主楼最深基坑为-13.25m。基坑边距离四周市区道路5~30m，施工场地极为狭小。地下结构施工阶段，现场共布置六台塔吊，由于基坑面积超大，塔吊在基坑边设置无法满足施工要求。为保证施工进度，满足材料运输的需要，避免为安装塔吊而先期开挖塔吊基坑，决定在基坑中央布置塔吊，运用逆作法原理，采用灌注桩作基础，插入钢格构柱作支撑立柱的方法，在基坑开挖前安装完成。2.塔吊基础逆作法设计方法根据塔吊的型号和基坑的土质情况进行逆作法塔吊基础设计。塔吊基础的设计包括：桩基础设计、钢格构柱和承台的设计三部分。本文仅以一台QTZ80塔吊为例。塔吊自重(包括配重)F1=611.00kN，最大起重荷载F2=80.00kN，塔吊倾覆力距M=800.00kN.m，塔吊附着使用高度180.00m，独立高度45m。2.1塔吊基础承台设计通过抗剪切和抗冲切计算确定承台厚度，考虑塔吊地脚螺栓或者基础节和钢格构柱的锚固深度，塔吊基础承台厚度部应不小于900mm。承台平面尺寸应根据桩间距和桩基承台的构造要求确定，上海软土地区不考虑群桩效应的最小桩间距为3d，桩中心距离承台边缘不小于1d（500mm），所以承台一般为5d×5d。承台底部标高宜为+0.5，保证基础顶板的施工方便。通常这样的承台只需要构造配筋就能够满足受力要求，二级钢双层双向Φ25@170，箍筋Φ16@200，混凝土采用C30，保护层厚度50mm。QTZ80塔吊基础承台截面采用4100×4100×1400mm，C30钢筋混凝土，构造配筋，基础顶面标高+1.6，底标高为+0.2。2.2钢格构柱设计钢格构柱锚入承台不小于500mm，下端插入钻孔灌注桩中不小于2000mm。截面设计依据《钢结构设计规范》(GB50017-2003)。图1格构柱截面示意图2.2.1格构柱截面的力学特性格构柱的截面尺寸为a1×b1；主肢角钢b×d×r；主肢的截面力学参数为：A0、Z0、Ix0、Iy0。格构柱截面总惯性矩：I=Ix=Iy=4[Ix0+A0(a/2-Z0)2]格构柱的长细比计算格构柱主肢的长细比计算公式：格构柱分肢对最小刚度轴1-1的长细比计算公式:换算长细比计算公式：2.2.4格构柱的整体稳定性计算格构柱在弯矩作用平面内的整体稳定性计算公式：格构柱及缀条长细比均不得大于150。2.2.5格构柱柱顶水平位移格构柱在水平风荷载作用下的柱顶水平位移不宜超过H/500，其水平位移可按V/D计算，V为柱顶水平力，其抗侧刚度D可按D=12EI/H3计算,其中E为钢材弹性模量。2.2.6缀材所受剪力及焊缝验算缀材应按所受剪力值计算其稳定性及焊缝,剪力值V计算公式：其中fy——钢材的屈服强度。缀板所受剪力T=Vl1/(2a)，弯矩M=Vl1/4,斜缀条按N=V/2cosα计算稳定性及焊缝，其中α为缀条与水平面的夹角，l1为1个节间长度。2.2.7QTZ80塔吊基础钢格构柱设计钢格构柱长度为13.9m，锚入承台700mm,伸入灌注桩3000mm，标高为-13.00m~+0.9m。格构柱的截面尺寸为0.48×0.48m；主肢选用角钢140×140×14mm；水平缀条选用扁钢200×400×10mm@500、斜向缀条选用扁钢100×500×10mm@500。2.3桩基础的设计考虑格构柱插入，钻孔灌注桩桩径宜为Ø700~800mm。桩承载力计算依据《建筑桩基础技术规范》(JGJ94-94)。2.3.1桩承载力验算根据塔吊、承台和格构柱的荷载参数确定桩的轴向压力设计值，取其中最大值。图2塔吊基础简图桩顶轴向压力设计值应满足下面的公式：其中0──建筑桩基重要性系数，取1.0；fc──混凝土轴心抗压强度设计值；A──桩的截面面积。2.3.2桩竖向极限承载力验算及桩长计算桩竖向极限承载力验算应满足下面的公式：最大压力:其中R──最大极限承载力；Qsk──单桩总极限侧阻力标准值:Qpk──单桩总极限端阻力标准值:s,p──分别为桩侧阻群桩效应系数，桩端阻群桩效应系数；s,p──分别为桩侧阻力分项系数，桩端阻抗力分项系数，承台底土阻抗力分项系数；qisk──桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；qpk──极限端阻力标准值；u──桩身的周长；Ap──桩端面积；li──第i层土层的厚度。2.3.3桩抗拔承载力验算桩抗拔承载力应满足下列要求:其中:式中Uk──基桩抗拔极限承载力标准值；i──抗拔系数；2.3.4QTZ80塔吊基础桩基设计桩的轴向压力设计值，取其中最大值N=572.34kN+50kN(格构桩)=622.34kN。塔吊桩基为4根Ø800C30钢筋混凝土灌注桩，有效桩长23米，标高为-10.00m~-33.00m，桩端是在第5层土层，即第⑦1层土层上1m处。工程土质情况见表1。桩身配筋情况：主筋8Φ20，钢筋笼长L=15m，螺旋箍Ø10@150，桩顶格构柱3米范围加密Ø10@100，加强箍为2Φ12＠1500，主筋的钢筋保护层厚度为70mm。工程土质分布情况表1序号土层名称相对标高(m)土侧阻力标准值qqisk(kPa)土端阻力标准值qqpk(kPa)1淤泥质粘土-9.6~-116222粘性土-16~-226303粉质粘土-26~-229354粘性土-29~-332555砂质粉土-32~-3361060003塔吊基础逆作法施工3.1塔吊施工流程：测量定位、放线→钢砼灌注桩、钢构柱施工→承台施工（预埋基座）→安装塔吊→土方开挖→安装系杆→焊钢止水片→浇筑底板或楼层板3.2塔吊施工要点：（1）现场平面布置阶段，根据上部建筑施工和附墙的需要，并注意避开地下主体结构、PHC桩、基坑内支撑，确定塔吊在基坑中的具体位置。（2）对基坑四周内侧和坑中坑四周进行水泥搅拌桩加固土体，防止边坡稳定性受到影响。（3）在基坑围护钻孔灌注桩施工完成后即施工塔吊桩基。每台塔吊基础采用4根Ø700~850灌注桩，桩顶设计标高在基础底板下，桩长应满足塔吊基础设计要求，配筋可采用半桩长配置方法。钢格构柱插入钻孔灌注桩中不小于2000mm，施工时先将钢格构柱的四根角钢分别于与下部钻孔桩钢筋笼焊接牢固，再整体吊入孔内，严格控制插入的垂直度。（4）土方开挖时应分层对称开挖，减少土体侧移对桩的影响。施工机械应避免碰撞钢格构柱，禁止将支承塔吊基础的钢格构柱作为斜抛撑的中间支承柱。（5）基坑开挖与系杆安装，塔吊经验收后投入使用，在基坑开挖过程中，随基坑开挖自上个而下逐层安装系杆，将4个支承立柱连成整体以保护支承立柱的稳定性。塔吊立柱独立自成体系，不能与支护结构的支撑体系连接，以免支撑体系受力复杂化。（6）钢格构柱内的钢止水片在土方挖至基底标高后，地下室底板和顶板浇捣前焊上，钢板止水片置于混凝土结构中部。止水钢板的焊接采用对角交错的方法，减少焊接对钢格构柱引起的焊接变形，焊接前应清理钢格构柱，局部打磨平直。（7）塔吊安装在基坑开挖前进行，同常规塔吊安装。（8）地下结构施工期间，适当减小塔吊的最大自由高度。（9）经常观测塔机的垂直度,发现超差及时纠正。4总结在大型深基坑工程施工中，采用逆作法施工原理，在基坑开挖前设置塔吊支撑桩及承台基础，不仅能使塔吊提前投入使用，而且不需要单独开挖塔吊基础，减少了围护费用，利用围护桩的施工设备设置钻孔灌注桩，使用内支撑立柱的钢格构柱也不会增加额外成本。通过本工程六台不同型号塔吊的使用，认为这种逆作法施工的塔吊基础能够达到安全可靠