深基坑椭圆环梁内外支撑体系的设计与信息化施工报告

研究报告（深基坑椭圆环梁内、外支撑体系的设计与信息化施工）完成单位：深基坑椭圆环梁内、外支撑体系的设计与信息化施工太原市电信局生产调度中心的地下车库工程，开挖面积62.5×72.8m2，开挖深度为10.74m，是当时太原市最大、最深基坑之一。该工程位于太原市建筑密集的繁华闹市区，施工环境十分严竣，距最近的建筑物仅3m.。基坑的隔水、降水、开挖、监测和保护周边建筑物及设施的安全等项目都十分重要，稍有不慎就会造成严重的工程事故。深基坑工程涉及结构工程、岩土工程、环境工程等，又是一项范围广泛且具有时空效应的综合性工程。目前在基坑施工中，还是边摸索边实践，还没有成熟的技术规范指导设计与施工，深基坑工程施工事故频频发生，造成重大的损失和严重的后果，一般事故发生率占基坑工程总量的30%左右。本课题组从建设施工的需要，从调查积累研究和分析的需要出发，对该工程做了大量的工作，从创新的设计到信息化施工贯穿整个施工过程，成功地完成了该工程施工，并顺利通过了验收，为今后从事该类工程的建设探索出了一条成功的经验。深基坑椭圆环梁内、外支护体系选型新颖，施工工艺简单，受力合理，造价低、工期短、安全性好，突出了外支撑的作用，改变了以往环梁支护体系以内支撑为主的格局，外支撑部分采用了钢杆锚拉，环梁与联系梁交叉点为刚性联接。采用钢杆锚拉易于施工和材料回收，并大大减少了基坑工程结束后拆除支撑的困难。该支护体系突出外支撑作用的最大优点是便于施工作业，尤其是土方开挖操作空间大，挖土工效高，可大大缩短基坑暴露时间和施工工期。但该支护体系计算复杂，课题组对该支护体系提出了合理选取计算模型、运用有限元方法，采用两套计算程序进行双重优化分析的设计方法，先进、合理。特别是采用了目前世界上最新的成果ANSYS5.5有限元计算软件进行了整体计算，采用了空间有限元法更加突出了设计的先进性。目前常用的设计方法通常采用等值梁算法和有限元法。由于有限元法能模拟施工过程，可预测内力和变形，同时易于根据施工现场实测参数对设计进行调整，而日益为工程界所重视，在有限元法中通常采用的是杆系有限元法，而该工程采用了平面杆系和空间有限元两种方法互为校核，后种方法对计算者和软件要求高难度大，故在基坑工程中有和较少。本工程采用了信息化施工的科学方法，并贯穿于基坑施工的整个过程直至拆除支撑。信息化施工的本质是动态监测，并根据反馈数据控制和指导施工。实践证明信息化施工为工程施工的顺利进展起到了关键的作用。该工程监测的主要内容有二部分，一是基坑支护体系的监测，包括：1）、支护桩桩顶水平位移观测；2）、支护应力测试；二是周围环境监测，包括：1）、邻近建筑物沉降观测；2）、基坑内外地下水位变化观测；3）、邻近建筑物墙体裂缝观测。根据该工程大量的观测数据和事先埋设的大量传感器采集的反馈数据成功地指导了施工，不但避免了几起可能发生的事故，而且很好地保证了设计意图。深基坑椭圆环梁内外支护体系比其它支护体系具有明显的经济效益，如比双排钢筋砼灌注桩支护体系可节约工程总造价40%以上。本课题组总结出了一些很好的施工工法，如“分层、对称、限时”的时空效应施工工法，反循环施工工法。本研究成果可广泛应用于１０～１５m深的基坑支护工程，特别适用于施工环境复杂的场地，对今后类似工程的施工具有重要的理论与实用价值。一、工程概况与周围环境太原市电信局生产调度中心大楼位于太原市市中心迎泽大街213号，是集智能办公、电视、电话会议中心、地下通信车库等多功能的大型建筑，为现浇框架——剪力墙结构，建筑面积31076m2，地下两层，地上主楼１７层、裙楼６层，建筑总高度为６８.１m。该工程地质条件复杂，场地狭小，施工难度大。基坑开挖平面尺寸为72.8×62.5m2，开挖深度为10.74m，是当时太原市最大、最深基坑之一。基坑支护采用的钢筋砼灌注桩加环梁内外支撑的结构体系尚属太原地区首例。该工程北邻车辆、人员流动较多的后铁匠巷，距后铁匠巷小学及居民住宅楼约２０m，东毗迎泽宾馆西裙房、水泵房300m3的地下蓄水池及汽车库等不足十米远；南面与电信局四层生产楼相距仅３m，基坑平面位置如图一所示。因受地理位置的限制，人员流动、土方运输、材料进场等只能从北面的铁匠巷行走，给施工增加了难度，也对基坑支护结构提出了更高的要求。二、基坑支护方案的选择该工程支护体系的选择，必须同时考虑安全、实用、经济、方便等多方面的因素。显然，悬臂式双排钢筋混凝土灌注桩体系既不经济也无法保证安全，框架式内支撑钢筋混凝土灌注桩体系，一方面缩小了施工空间，不利于基坑开挖及基础施工，另一方面也给基住宅楼住宅楼后铁匠巷小学住宅楼住宅楼后铁匠巷小学后铁匠巷食堂水池食堂水池A1112109A1111泵房8泵房147715办公室A15办公室1663汽车库枢3汽车库纽1222楼245办公楼办公楼办公楼办公楼一19.75钢筋混凝土灌注桩D=800@1200mmA一A图二支护桩三围有限元模型-11.23拉杆Ф301000×600帽梁环梁600×1000一1.25图一基坑平面位置及桩顶帽梁水平位移观测点布置图一19.75钢筋混凝土灌注桩D=800@1200mmA一A图二支护桩三围有限元模型-11.23拉杆Ф301000×600帽梁环梁600×1000一1.25图一基坑平面位置及桩顶帽梁水平位移观测点布置图础施工完毕后的内支撑拆除增加了难度及增大了经济投入。而技术较成熟的锚杆支撑一方面造价较高，另一方面要伸入相邻单位的地下空间，必须争得相邻单位的同意，且东面有迎泽宾馆300m3的消防用水水池及设备用房，南面的生产楼是木桩基础，不允许采用锚杆施工。与以上支护体系相比，椭圆环梁内、外支撑支护体系则表现出了更大的优越性。三、深基坑椭圆环梁内、外支撑支护体系的优点１、选型新颖该支护体系以一个简单的椭圆型式实现了对钢筋混凝土灌注桩的顶部支撑，结构简单，明了独特；２、施工工艺简单该体系没有独特或高难度的施工工艺，只有一般的钢筋混凝土灌注桩施工技术、普通的钢筋混凝土施工技术以及锚杆在钢筋混凝土中锚拉施工技术就可实现；３、受力合理该体系充分利用了椭圆环梁可把向心拉力分解成环梁轴向压力的功能，正好符合钢筋混凝土的承载应力特点，并且大部分支撑位于基坑外的地面上，增加了支撑体系的稳定性，受力更加合理。４、造价低与框架式内支撑体系相比，椭圆环梁的钢筋混凝土工程量要明显减少，同时它减少了框架式内支撑的拆除及竖向支撑桩的施工及拆除，单这一项就可节约上百万元的资金。并且，内、外环梁的连接采用了钢杆锚拉方式，易于施工及材料回收。５、工期短由于相对工程量的减少，支撑本身的施工工期相对就短的多，再加上椭圆环梁实现了支护外支撑，为基坑土方的开挖及基础施工提供了较大的施工空间，挖土工效高，施工速度快，可大大缩短基坑暴露时间和施工工期。６、安全性好正由于椭圆环梁有以上多方面优点，消除了内支撑拆除时的不安全因素，同时也消除了基坑暴露时间过长给支护体系带来的不安全因素；７、占用空间较少椭圆环梁大部分设置在基坑外，且仅伸出坑外最大５m的距离，与相邻单位无任何冲突，大大的方便了施工。四、深基坑椭圆环梁内、外支撑支护体系的设计计算深基坑椭圆环梁内、外支撑支护体系的结构计算比较复杂，采取的主要措施有：１、选取合理的计算模型由于本工程采用了椭圆环梁支撑，因此分析时必须把环梁、压顶梁、支护桩、钢拉杆以及连梁作为一个空间体系来分析，模型建立如图二所示。２、选取先进的计算及校核方法１）、运用有限元方法进行结构计算；２）、采用两套计算程序进行双重优化分析的设计方法，先进、合理；３）、采用目前世界上最新的ANSYS5.5有限元计算软件进行整体计算，把支护桩、压顶梁、环梁、钢拉杆、内部支撑杆，建立一个整体的模型，考虑椭圆环梁与支护桩的变形协调，一次计算就可以得出支护桩内力、环梁内力、拉杆内力、内部支撑杆内力和整体变形。３、选取合理的计算单元及计算参数将环梁、压顶梁、支护桩及连梁用空间梁单元进行划分，拉杆用空间杆单元划分。基坑开挖面以上的主动土压力用朗肯理论计算，坑底以下的被动土压力用弹簧模拟，m值取400kN／m4，环梁、压顶梁、支护桩的抗弯刚度均按0.85计取。五、计算结果分析１、环梁位移经计算可知环梁的位移与主动土压力的分布关系很大。１）、如果四周的土压力均相等，则这时环梁的最大位移为53.8mm，位置在长边中间指向坑内，而在短边位移却很小；２）、如果改变主动土压力分布，使基坑长边上的土压力减小６％，短边上的土压力增大６％，则位移减小到38.2mm；３）、如果使长边的土压力减小13％，短边的土压力增大13％（（a-b）／a＝13％），则环梁位移减小到25mm，环梁四周的位移也比较均匀，可见这是一个比较理想的状态。由于土压力的不确定性及众多影响因素，所以希望得到一个准确的位移值是不现实的，但我们可以得到位移的大致范围在25～54mm之间。由计算可见，椭圆环梁在长轴方向的刚度大，位移小，短轴方向的刚度小,位移大。利用这一特点可在挖土时采取先挖长轴方向，然后挖短轴方向的方法控制环梁的位移。另外，根据计算，环梁位移对地基水平抗力系数的比例系数m的变化并不敏感，m值增大一倍，位移减小１６％左右，因此按规范查取m值就可满足要求。例如，当m值分别为2500、5000、7500、10000KN／m4时，环梁的位移分别为6.07cm、5.02cm、4.54cm、4.23cm。２、拉杆拉力经计算环梁四周的拉杆拉力，长边上拉杆的拉力小，短边上拉杆的拉力大，长边拉杆拉力平均值在240KN左右，短边拉杆拉力平均值在310KN左右，在同一边上拉杆拉力比较均匀，变化辐度很小。３、环梁内力环梁内的弯矩大小与支撑布置有关，在外拉杆支撑范围内，采用放射状设置，弯矩很小，一般不超过200KN·M；在基坑内支撑范围内，弯矩的大小与支撑间距有关，当只设１个支撑点时，支撑点处弯矩可达1200～1500KN·M，当按放射状设置，间距在２m左右时，环梁内力最大弯距只有235KN·M，环梁基本处于受压状态，对环梁的受力十分有利。环梁内的轴力在长边顶点为4200KN，短边顶点为3700KN，所以放射状支撑对环梁的受力更有利。六、深基坑椭圆环梁内、外支撑体系的施工据支护结构设计及止水维幕的要求，该体系的施工工艺流程为：钢筋混凝土灌注桩－－>高压旋喷桩－－>桩顶帽梁－－>钢筋混凝土环梁及连系梁、钢拉杆。为了保证施工质量采取的施工措施有：１、加强进场材料的质量验收及抽样试验；２、加强测量放线及隐蔽工程的检查、验收工作；３、在灌注水下砼时，坚持旁站监督，对钻孔深度、孔径、垂直度、沉渣厚度及泥浆比重等各项指标进行测试，测试结果必须达到规范要求标准；４、加强工艺研究，提高灌注桩成孔质量。经过分析，采用常用的正循环成孔工艺，成孔泵量小，携带泥渣能力差，使孔底大颗粒钻渣不能及时排到地面，形成重复破碎，同时钻杆直径小，刚度差，容易发生孔斜。不仅成孔速度慢，而且清渣不彻底，泥浆粘度大，孔壁泥皮厚，不利于桩的承载力及桩身质量。采用反循环成孔，孔底泥浆从钻杆内孔返出地面，加上其泵量大、钻杆内孔断面小，泥浆上返速度快，孔底钻渣清理的彻底，因而成孔快，成孔质量也能得以保证。另外，我们把直径为６英寸的国产反循环钻机钻杆改为进口的８英寸钻杆，增加了抽吸能力，可将直径200mm以内的钻渣或卵石带出来，更适合本工程场地回填土厚的地质条件。经对支护结构的２１６根砼灌注桩和２１６根高压旋喷桩的检测表明，其质量完全达到优良标准，符合设计要求。５、钢筋混凝土环梁、桩顶帽梁和连系梁的施工中，严格按钢筋混凝土施工及验收规范进行，达到了设计标准。６、采用信息化施工管理，对整个施工过程进行动态监测，并据反馈数据控制和指导施工。该工程的监测内容分为两部分：１）、基坑支护体系的监测包括：①、支护桩桩顶帽梁水平位移观测；②、支护桩应力测试；２）、周围环境监测包括：①、邻近建筑物沉降观测；②、基坑内、外地下水位变化观测；③、邻近建筑物墙体裂缝观测。七、信息化监测及分析１、支护桩桩顶帽梁水平位移的观测一般情况下随着开挖的进展，每挖一层土后观测一次，直至观测到地下二层施工完为止，当发现有异常情况时，适当增加观测次数，观测点布设见图一，表一是各观测点有代表性的几次观测值。桩顶帽梁水平位移观测值（mm）日期测点98.09.22898.10.00798.10.11998.10.22898.11.22298.12.00699.01.11310000100205515385455306243467818140015204050405000047560001152232700022545608000010223190000000100000000110000000120000000130000000140000000150000000160000000因在测点３和１１处桩顶最大位移设计值为５６mm，所以我们把位移报警临界值确定为６０mm。从表中可以看出，挖完第二步土的１０月１９日前，基坑支护基本处于稳定状态，当１１月２２日土方工程全部完成后，３＃测点已达到６８mm，当即发布警报，并组织有关专家进行了论证分析，认为主要是由于在北部１１点处留着１０m宽的出土坡道，造成不均衡挖土的缘故。随后，我们每天观测支护桩位移及周围建筑物的沉降，密切注视基坑支护的变化情况。在１２月６日观测时，３＃测点位移即增至８１mm，且有继续扩大之趋势。在这种情况下，我们立即采取补强措施，在基坑内对正南部的支护桩增设４道Φ219钢管斜撑。从此到地下二层结构施工完的几次观测表明，支护体系基本趋于稳定状态，未影响基础施工。２、支护应力测试支护应力的测试包括支护桩设计弯矩值和环梁设计内力值最大处的钢筋应力变化及环梁与帽梁Φ30的连系杆应力变化。支护应力测点共设置了２０个，其中支护桩上布点８个，环梁上布点４个，帽梁上布点４个，连梁和拉杆上各布点２个。在支护结构施工时，把２０个ＸＧＪ－２型钢弦式应力计分别埋在设计位置上，引出线头并保护好，待测试时用。测试采用ＺＸＹ－２型振弦仪，根据土方开挖及基坑施工的不同阶段进行观测。共观测１１次，其应力变化情况基本符合设计计算，且均比设计值小，未发现任何异变现象，说明支护结构受力稳定。３、对周围建筑物、构筑物的沉降和开裂情况观测因基坑周围建筑物、构筑物较多，共设置沉降观测点３５个。在基坑降水和开挖前各观测一次，从降水开始到基坑挖完第二步土以前是每１０天观测一次，从挖第三步土开始到地下二层施工完毕，每周观测一次。从观测情况看，挖完土方的１１月２６日观测的最大下降值在东边迎泽宾馆汽车队办公室的１６＃测点，其累计下沉量为２３.５mm，主要原因是此处下部出现渗漏水引起。原来最担心的南侧电信局生产楼的最大下沉量仅为３０mm，且整幢楼基本是均匀下沉，安然无恙。在沉降观测的同时，对建筑物墙体裂缝情况也给予了关注。首先在施工前对各建筑物、构筑物作了详细的调查，把墙体原有裂缝位置和大小记录在案，并在缝隙处贴上石膏饼。施工中定期进行观测，分析其变化情况。观测结果表明，除基坑帷幕两次漏水影响东部建筑物墙体裂缝出现增大外，其余均未出现任何问题。据沉降观测结果和建筑物裂缝的发展情况，我们在基坑东侧和南侧用高压水泥注浆的方法加固土体，每侧按梅花形布置三排注浆孔，孔距１m，用水泥浆和水玻璃混合液在０.3～０.５MPa的高压下注入支护桩后的土体内。这样提高了支护结构土体被动区强度，减小了支护结构的水平位移和周围土体结构的下沉，保护了相邻建筑物、构筑物的安全。４、地下水位变化情况的观测深基坑施工中，对地下水控制的如何，直接关系到基坑工程施工的成败。基坑降水应满足下列基本要求：１）、基坑开挖及地下结构施工期间，地下水保持在基底以下；２）、深部承压水不引起坑底隆起；３）、降水期间保证邻近建筑物及地下管线正常使用；４）、保证基坑边坡的稳定。对水位变化情况的观测，就是检查降水满足要求的程度，从而更好地指导施工。本工程对水位变化的观测，主要是利用设置的１２个观测井，每２小时观测一次。一是测量基坑内的降水情况，来指导土方开挖的时间和深度；二是测量基坑外水位的变化，来决定所要采取的应急措施。降水的前期，基坑内水位降低速度比较理想，基本上能满足土方开挖计划的要求。但是１０月中旬到下旬期间水位观测结果显示下降速度变慢，眼看就要影响工期。在这种情况下，从１０月下旬开始，我们增加了三套轻型井点降水设备，分别布设在基坑的南部及坡道的两侧，与管井同时降水。截止１１月中旬，水位降到了设计标高，保证了最后一步土方的开挖时间。从开始降水到挖完第三步土方这段时间内，基坑外的水位时降时升，但变化幅度不大。当挖到第四步土方后，发现基坑的东侧及东南角处水位下降较快，且伴随地面下沉，相关建筑物及