深基坑工程应当系统化考虑的问题的工程应用

摘要:结合深基坑工程实例,介绍了在维护设计与施工的过程中应当系统性地考虑的问题,把基坑围护设计、围护施工、土方开挖、降水以及监测等环节有机的结合。

关键词:深基坑系统 深基坑围护设计 工况 施工 开挖 降水 监测

1. 引言

近几年,随着城市开发建设的规模不断扩大,土地资源的稀缺与开发用地的矛盾也日益突出,地下空间的开发利用就显得特别重要。然而,地下空间的开发在工程建设方面所涉及的岩土工程问题是极其广泛的。对深基坑来说,其围护设计和施工、土方开挖、降水方案、环境监测等内容应当分别给予充分靠虑的,尤其是把这些因素作综合性考虑和整合,并使之系统化是至关重要的,这里姑且称之为深基坑工程系统。只有在全面、综合考虑了每个阶段的工况特点的前提下,并采取相应的技术手段,才能使基坑施工安全处于控制状态,使得地下空间的开发建设是安全、经济和适用的。

深基坑系统包括:基坑围护设计、围护结构施工、土方开挖、降水方案、环境及管线监测、处理预案等内容。下面就工程实例的应用作说明。

2. 工程概况

本工程位于浦东成山路和云台路交叉口东南角,建筑场地位于市区,主体结构主要由两幢18―20层的住宅和3层的商业裙楼组成,设置两层地下车库。

2.1地理环境概况

该项目基地南侧为多层住宅区,西侧、北侧均为市政道路。东侧相邻场地为多层住宅区,基坑开挖边线距用地界线13.0m,距多层住宅25.0m左右;南侧为相邻场地为多层住宅区,基坑开挖边线距用地界线约10.0～12.0m,距多层住宅16.0～20.0m左右;北侧为成山路,基坑开挖边线距用地界线10.0m;西侧为云台路,云台路西侧为多层住宅区,基坑开挖边线距云台路约为10.0m。基地地理位置如图1所示。

2.2周边管线情况

(1)成山路地下管线:

由近至远分别为配水(13.2m)、煤气1000(14.8m)、污水1800×2400(18.9m)、雨水(21.3m)、信息(42.6m)、污水(45.0m)、电力(51.5m)。

(2)云台路地下管线:

由近至远分别为:污水1000(16.7m)、雨水900(23.1m),配水300(31.4m)。

2.3工程地质概要

(1) 中国兵器工业北方勘察设计研究院提供的《恒大小区-成山路地块商品住宅岩土工程勘查报告》。

(2) 本场地地貌类型属滨海平原,场地地势较平坦,地面标高一般在4.20m～4.90m之间。

(3) 本基地地下水属潜水类型,其主要补给来源为大气降水和地表径流。地下水静止水位深度约为0.50～0.70m,设计计算时采用0.5m。场地地下水对混凝土一般无腐蚀性。

(4) 拟建场地第①层杂填土,成份复杂,主要由混凝土、碎砖、石子与粘性土混杂,由于场地浅层土层成份复杂,基坑工程正式施工前,应对场地内的障碍物作进一步查明并给予清除以确保围护体和坑内加固等正常施工。

(5) 拟建场地东部分布有暗浜,基坑开挖时应引起重视且采取有效的措施确保工程施工的安全以及围护桩的施工质量。

(6) 第③2层灰色粘质粉土夹淤泥质粉质粘土,砂性重、渗透性强,基坑开挖时极易产生管涌、流砂等不良地质现象,并影响围护体施工质量,施工中应采取相应的防范措施,尤其要做好隔水、止水措施保证基坑的安全施工与使用。

(7) 场地下第⑦粉细砂层为上海第一承压含水层,埋深约为47米左右,根据勘察报告,其水位标高约为-5.0m,透水层顶面距基坑底部深度约达到37米,根据上海市相关规范进行初步估算,本基坑开挖至基底标高位置,不存在由于承压水层上覆土层厚度不足而导致管涌的产生。

(8) 场地的工程地质条件及基坑围护设计参数如下表所示。

2.4结构概况

(1) 主体结构主要由两幢18～20层的住宅和3层的商业楼组成。

(2) 主体结构设置二层地下车库,采用桩筏基础,主楼桩基采用预制管桩,裙楼采用预制方桩。

(3) 基坑面积: 基坑形状呈狭长的手枪状,基坑可划分为A、B(A区和B区合称地下车库基坑)及C(C区为车道基坑)三个区域,基坑分区见图1,其中A区基坑面积约为5000m2,B区基坑面积约10300m2,C区基坑面积约为570m2,基坑总面积约16000m2。

(4) 基坑开挖深度:本工程±0.000=+5.100,自然地面绝对标高约+4.800(相对标高-0.300),基础底板面相对标高为-10.100(A区西侧主楼基础底板面标高为-11.100),主楼基础底板厚度为1200mm,裙楼基础底板厚度为900mm,考虑基底设置100毫米厚度垫层,A区主楼区开挖深度为12.1m和11.1m,裙楼区开挖深度为10.8m,B区主楼区开挖深度为11.1m,裙楼区开挖深度为10.8m,C区基坑开挖深度为6.45m。基坑分区平面布置如图2所示。

3. 围护设计方案

3.1总体方案

本工程周边建筑物、地下管线众多,保护要求较高;地下车库基坑工程面积大,约为15300m2,基坑开挖深度较深,主楼区域约为12.1m,裙楼区域约为10.8m,属于深大基坑工程,施工难度较高,因此必须选择一种确保安全、有成熟设计与施工经验的基坑围护方案。本着基坑工程“安全、合理、经济、可行”的原则,经探讨和比较,确定如下基坑围护设计方案:

综合考虑本工程周边环境、道路管线分布、基坑面积及形状、基坑开挖深度等因素,基坑围护体采用钻孔灌注桩结合外侧设置双排双轴水泥土搅拌桩止水帷幕,基坑竖向设置两道水平支撑系统,基坑采用顺作法施工。

3.1.1支撑分区

根据基坑的平面形状,并考虑到工期要求较高的因素,将地下车库基坑划分为A区、B区和C区三个区域。C区为车道,在A区、B区地下结构完成后施工,可以和A区、B区分开考虑,如图3所示。而A区和B区支撑系统相互独立,均能自成系统,A区采用钢支撑系统,B区采用混凝土支撑系统,分区支撑的不同选型原因见下文分析。基坑开挖时A区和B区可同时设置支撑以及开挖施工,也可根据施工工期要求,在围护体封闭的前提下,可提前施工A区第一道支撑,在B区砼支撑施工以及养护期间,可交叉进行A区基坑第一批土方的开挖,A区架设第二道钢支撑期间可进行B区基坑第一批土方的开挖,其后在B区砼支撑施工以及养护过程中可进行A区第二批土方的开挖,如此循环反复,通过基坑的分区施工以及合理的施工流程安排,可大大加快基坑施工进度。

A区和B区基坑分先后进行支撑和挖土,固然可较大幅度的加快基坑工程的施工工期,但由于基坑形状的因素,支撑系统受力方面存在不利的因素,如在A区支撑系统形成、B区支撑系统尚未形成之前,由于A区采用角撑+对撑的支撑型式,A区基坑开挖时将存在开口基坑面临的普遍问题,即如何采取措施去平衡西面角撑通过第一道压顶圈梁,或第二道钢围檩向东面传递的水平力?本方案考虑采取如下设计对策给予解决:

1)第一道支撑系统:北侧的压顶圈梁A和B区东西方向贯通,可平衡西侧角撑传递过来的水平力,南侧由于A区和B区分界位置存在阳角,为解决该位置水平力传递,方案中针对阳角位置坑内设置了角撑,坑外设置了拉杆。

2)第二道支撑系统:在A区型钢围檩与围护桩之间设置有效的抗剪件,通过抗剪件提供的抗力去平衡西面角撑传递的水平力。

3.1.2围护体的选型

通过多种围护体型式的经济、技术比较,最终确定基坑围护体采用钻孔灌注桩,钢筋混凝土钻孔灌注桩施工工艺成熟,施工时对周围环境影响小。钻孔灌注桩桩径根据相应区域基坑的开挖深度,以及基坑开挖阶段水平位移的控制要求等因素进行计算确定,本工程裙楼普遍区域采用Ф850@1050钻孔灌注桩,主楼区域采用Ф950@1150的钻孔灌注桩,钻孔灌注桩围护体外侧设置Ф700@500双头水泥土搅拌桩止水帷幕。C区深度较浅,且在车库地下主体结构完工后施工,可以采用小企口钢板桩围护,具有打拔快、代价小、自止水的优点,考虑到对周围环境的保护,在钢板桩加设单排水泥土搅拌桩作为止水帷幕,如图4所示。

3.1.3水平支撑的选型

本基坑形状呈狭长的手枪状,基坑东西方向长度较长约为240m,A区南北方向长度约为43m,B区南北方向长度约为83m。此类基坑可供选择的支撑型式有三种:钢支撑系统、混凝土支撑系统以及钢和混凝土混合支撑系统。经比较,本基坑工程支撑系统采用钢和混凝土混合支撑系统,即A区采用钢支撑系统,B区采用钢筋混凝土支撑系统。如图1所示。

4. 围护施工

4.1施工顺序

第一步:水泥土搅拌桩止水帷幕

第二步:钻孔灌注桩

第三步:监测布置

第四步:降水

第五步:开挖至-1.600标高,其后开槽浇筑第一道压顶梁和砼支撑;

第六步:分区、分层开挖至-8.300标高位置,其后浇筑第二道砼围檩及支撑;

第七步:分区、分层开挖至基底,及时浇筑垫层和底板;

第八步:待底板达到设计强度的80%后,拆除第二道支撑;

第九步:浇筑地下一层结构梁板,并在在结构缺失区域设置临时换撑;

第十步:待地下一层结构梁板达到设计强度的80%后,拆除第一道支撑;

第十一步:浇筑顶板结构,拆除内部临时换撑。

第十二步:回填

4.2 施工时需系统性考虑解决的主要技术问题

(1)水泥搅拌桩止水帷幕;(2)钻孔灌注桩;(3)基坑围护体及环境管线监测;(4)井点降水方案,场地基坑底排水;(5)土方开挖;(6)水平支撑(钢支撑施加预应力);(7)基坑堵漏、坑底土方上涌等预案;(8)换撑施工;(9)支撑拆除方案;(10)回填方案等。

5. 降水方案

基坑问题说到底还是水和土的工程问题,根据场地水文地质条件作降水分析,基底位于第4层淤泥质粘土中,且不存在由于承压水层上覆土层厚度不足而导致管涌的产生,因此本工程基坑降水重点为潜水。工程结合上海地区潜水经验,采用多滤头真空深井(53口,井深17M)进行4层以上潜水的疏干降水和深层降水,多滤头真空深井示意如图6所示。单口井的辐射面积为250M2,布置原则应避开工程桩、支撑及各楼板梁,平面布置为梅花状分布,如图5所示。

降水要求:

基坑开挖前应进行预降水,时间不少于四周。坑底加固区以上土体须满足挖土要求,坑底加固区以外范围要求降水后水位离坑底0.5-1.0米(含不作封底加固处理的落深区)。在基坑开挖期间应每天测报抽水量及坑内地下水位。疏干井点在开挖过程中应当保持降水,其井管段土体完全挖除后拆除。基坑开挖到设计标高,浇注垫层时根据具体情况确定保留数量

6. 土方开挖方案

施工顺序应遵循先撑后挖的原则,土方开挖要求采用盆式挖土。土方开挖、支撑施工应严格实行“分层分段、留土护壁、限时开挖支撑”,将基坑开挖造成的周围设施的变形控制在允许的范围内,(图6示)。挖土运土机械严禁直接压过支撑杆件,必须跨越支撑时应用走道板架空。

在基坑开挖过程中,应采取有效措施,确保边坡留土及动态土坡的稳定性;应严格按照土方开挖的施工组织设计进行,基坑内部临时坡体坡度应不大于1:1.5,且在土方开挖过程中挖土高差不得大于3 米,慎防土体的局部坍塌造成主体工程桩移位破坏、现场人员损伤和机械的损坏等工程事故。

基坑内所有的深坑开挖必须待普遍的垫层形成并达到设计强度要求后,方可进行深坑的开挖。

除井点降水措施外,地面及坑内应设排水措施,及时排除雨水及地面流水。坑内排水严禁在坑边挖沟。基坑边严禁大量堆载,地面超载应控制在20kPa以内。机械进出口通道应铺设路基箱扩散压力,或局部加固地基(图7)。砼垫层应随挖随浇,即垫层必须在见底后24小时内浇筑完成。

开挖及地下室结构施工流程工况分析:

工况一:1.围护结构压顶梁施工;

2.A区土方分区分块盆式开挖第一皮土,开挖至-1.600标高;

3.B区土方分区分块盆式开挖第一皮土,开挖至-1.600标高;

工况二:1.A区架设第一道钢支撑;

2. B区浇筑第一道钢筋混凝土支撑;

工况三:1.A区第一道钢支撑整体形成后施加预应力,继续向下开土方分区分块盆式开挖第二皮

土方,开挖至-8.300标高,并跟进架设钢支撑;

2. B区钢筋混凝土支撑养护;

工况四:1.A区架设第二道钢支撑;

2.B区第一道钢筋混凝土支撑达到设计强度的80%后,继续向下开土方分区分块盆式开挖第二皮土方,开挖至-8.300标高,并跟进浇筑钢筋混凝土支撑;

工况五:1.A区第二道钢支撑架设完毕并施加好预应力后,继续向下开土方分区分块盆式开挖第

三皮土方,开挖至基底标高,并及时浇筑基底垫层;

2.B区第二道钢筋混凝土支撑养护;

工况六:1.A区开挖至基底后,浇筑基础底板;

2.B区第二道钢筋混凝土支撑达到设计强度的80%后,继续向下开土方分区分块盆式开挖第三皮土方,开挖至基底标高,并及时浇筑基底垫层;

工况七:1.A区基础底板达到设计强度的80%后,拆除第二道钢支撑;

2.B区开挖至基底后,浇筑基础底板;

工况八:1.A区浇筑地下一层结构梁板和临时换撑构件;

2.B区基础底板达到设计强度的80%后,拆除第二道钢筋混凝土支撑;

工况九:1.A区待地下一层结构梁板达到设计强度的80%后,拆除第一道钢筋混凝土支撑;

2.B区浇筑地下一层结构梁板和临时换撑构件;

工况十:1.A区施工地下室顶板;

2.B区待地下一层结构梁板达到设计强度的80%后,拆除第一道钢筋混凝土支撑;

工况十一:1.A区地下室顶顶板达到设计强度后,将围护体与地下室外墙之间的操作空间密实回填;

2.B区施工地下室结构顶板;

工况十二:1.A区进行上部结构施工;

2.B区地下室顶顶板达到设计强度后,将围护体与地下室外墙之间的操作空间密实回填;

工况十三:1.A区进行上部结构施工,拆除地下室临时换撑构件;

2.B区进行上部结构施工,拆除地下室临时换撑构件;

三、技术措施

基坑挖土施工应严格按照挖土原则进行,同时施工过程应采取并应遵守以下技术措施要求进行:

1. A区、B区均采用盆式开挖,盆边土方对撑抽条开挖。

2. 施工车辆荷载和堆载应满足设计单位提出的限载要求。施工栈桥上严禁车辆行驶速度过快和急刹车。

3. 同一开挖面内开挖深度有较大的差异时,宜先挖至浅基坑标高,垫层(甚至基础底板)浇筑完毕后,再开挖较深的基坑,并应采取有效措施,保证边坡的稳定。严禁超挖,基坑底部留20cm,进行人工挖土。

4. 当挖到杂填土、耕植土或土质松软时,须全部挖净。遇河道、暗浜时应上报。

5. 下部的挖机在行驶过程中严禁碰撞格构柱及降水管。严禁格构柱周边土方挖土高差大于1米,格构柱周边土方堆土要严格控制。

6. 分段验槽,垫层跟紧:当某一施工段人工挖到设计标高后,及时进行验槽,验收通过后素砼垫层跟紧,以免基底土暴露时间过长,垫层采用C20商品砼,汽车泵输送,局部采用小车结合斜面卸斗作两面及垂直运输。

7. 施工期间对基坑顶土体进行垂直、水平位移监测,方法是用钢钉钉入坡顶砼压顶板,点间距25～30m,监测频率为开始挖土后每天监测一次,以后根据基坑开挖施工不同阶段的实际情况,适当调整监测频率,如遇监测数据变化较大或发现险情,可及时调整监测频率及监测内容,监测数据的变化速率、累计变化量接近报警值时,及时采取措施,确保基坑施工安全。

7. 监测方案

信息化施工是深基坑工程系统的重要组成部分,采取有效的监测技术和先进可靠的仪器,对基坑围护体系和周围包括管线、建构筑物在内的环境德变化进行监控,为工程实行动态化设计和信息化施工提供所需的数据,从而使工程处于受控状态,确保基坑及周边环境的安全,施工期间应根据监测资料及时控制和调整施工进度和施工方法,对施工全过程进行动态控制。

7.1 监测的内容包括:

1、变形监测:

(1)周边环境变形监测:地下管线的垂直及水平位移,邻近建、构筑物的垂直及水平位移,邻近道路路面垂直及水平位移。

(2)围护体系变形监测:围护桩顶部的垂直及水平位移,围护桩桩身及土体水平位移。

2、围护体受力监测:钢管支撑及钢筋混凝土支撑的轴力测试

3、基坑内外地下水位监测。

7.2 监测技术要求

监测仪器的选型,要考虑最大可能需要的量程并根据基坑工程只在地下施工期内使用的性质选用满足安全监测要求、合适的仪器。

仪器安装埋设前要进行检验和率定,绘制监测点安装埋设详图,并按照方案和埋设要求作好埋设准备。

仪器埋设时,核定传感器的位置是否正确,埋设的准备是否符合技术要求,按监测的位置和方向埋设传感器。

所有监测点安装埋设完成后,及时绘制测点位置图,并加强对现场测点保护,以防监测测点被破坏。

监测数据必须做到及时、准确和完整,发现异常现象,加强监测。监测数据未达到报警值期间,应向设计单位每周提交一次书面监测结果(包括每天的监测数据及周报),监测材料上应注明对应的施工工况及工况平面分布图等施工信息,便于相关各方分析监测结果所反映的情况。监测数据如达到或超过报警值应及时通报有关各方,以期尽快采取有效措施保证本工程进展顺利。对原始数据要进行分析,去伪存真后方可进行计算,并绘制观测读数与时间、深度及开挖过程曲线,按施工阶段提出简报。监测工作贯穿基坑工程始终,待全部资料备齐后,应提供完整电子版监测数据、监测时程曲线图及监测报告予参建各方,测试方案须得到认可,根据监测数据及时调整施工进度和施工工况,以保证本基坑工程的信息化施工。

7.3 监测点的布设

7.3.1周边环境监测

根据本工程性质、岩土条件及周边环境状况,按相关规范进行了监测点的布置,各测点位置详见监测点布置图。1. 地下管线监测点布设:对处于基坑施工影响范围内(1.5倍开挖深度)的地下管线设置适量的监测点,采用精密自动安平水准仪和经纬仪测量由于施工影响而引起的地下管线的垂直及水平位移。

(1)地下管线监测点布设原则:取距离基坑最近的管线;取硬管线(如上水、煤气等);取埋设管径最大的管线;每条路上尽可能取一条最重要、最危险的管线布设直接监测点;监测点尽可能设在管线出露点,如阀门、窨井上。

(2)由于业主未提供详细的管线资料,对各管线监测点在今后明确管线具体情况后布置。

2. 邻近建、构筑物监测点布设

3. 周边路面垂直、水平位移监测点为了监测基坑开挖施工阶段围护体周围地面的变形情况,在基地周围路面上布设水平、垂直位移监测点,布设时尽量与其他监测点相对应。详见监测点布置图。

在基坑围护施工之前,对基坑周围的建(构)筑物进行详细的调查,并对已存在的裂缝、下陷等情况进行记录。

7.3.2基坑围护体系监测

1. 围护桩顶部的垂直及水平位移监测点按均匀、对称、预测位移较大、重要性等因素设置。根据测量结果可以掌握围护地连墙顶的垂直及水平位移变化量。

2. 围护桩桩身及坑外土体水平位移监测

(1)围护桩桩身测斜:

(2)坑外土体测斜:

3.支撑轴力监测

4. 立柱桩与钢立柱的垂直水平位移监测

立柱桩与钢立柱的垂直水平位移监测主要目的是掌握由于基坑开挖坑内大量土体卸荷后支撑立柱的回弹量、支撑重量和支撑轴力作用下立柱的位移及其相互影响,为支护体系的安全性分析提供适量可供参考的有益信息。

5. 坑内外地下水位监测

对基坑开挖期间或开挖后围护结构的止水状态进行监控,依此推断围护体有无渗漏、流砂等岩土工程病害,确保基坑及周边环境的安全。坑内水位监测拟利用降水单位的降水观测井进行监测,主要观测施工降水效果。

在基坑开挖阶段,基坑外地下水位监测孔水位均呈现下沉,下沉量较大,水位下降呈现缓慢、持续的变化态势,下降变化曲线较大。

7.4监测成果

通过对恒大小区-成山路地块商品住宅基础工程施工期间周围环境及围护体系的监测工作,主要结论如下:

1. 信息化施工监测在恒大小区-成山路地块商品住宅基础工程施工中取得成功。在日常的施工过程中加强对各项监测数据综合分析,找出产生原因并制订相应对策,及时预测下道工序的影响,优化施工从而保证了基坑及其周围环境的安全,切实达到了信息化施工的目的。

2. 措施得当,整个施工过程中

部分监测项目的监测结果超出规范要求,基地内的施工对周围环境及围护体系造成一定的影响。

3. 监测工作频率合理。根据围护施工及地下室结构施工情况及监测成果,围绕基坑及周围环境的安全,抓住监测工作中对基坑及周围环境安全可能产生不利影响的重点区域,及时调整监测频率,使监测工作做到紧密配合施工,用监测数据指导施工。

8. 结语

通过本工程实践,在系统化管理的前提下,该工程得以顺利完工,创造了较好的技术经济效果。深基坑工程是一个极其复杂的系统工程,其所涉及到的岩土问题错综复杂,产生的地质危害也是极其严重的。所以,在深基坑的设计、施工过程中,应当全面系统地考虑各项技术问题,使深基坑工程系统化设计,系统化施工,使各个子系统他都趋于合理,深基坑工程技术因为系统所以安全,真正为地向空间的开发保驾护航。

参考文献:

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