福州平安大廈深基坑支護設計與施工
發布時間：2012-07-25 共1頁
摘要：深基坑支護設計與施工是當前城市高層、超高層建筑突顯的技術難題。通過工程實例，從設計方案的選擇到施工、監測，提供了有益的經驗。
關鍵詞：擋土樁 環梁支護結構 拱圈 水平支撐
1 工程概況
福州平安大廈系一座31層商住樓，高度115 m，占地面積4614 m2，總建筑面積37355 m2。設地下室3層，基坑平面尺寸56.6 m×36.5 m，自然地面標高-1.65 m,坑底標高-11.70 m，開挖深度10.05 m，土方開挖工作量約21000 m3。
2 地質條件
擬建場地處于福州盆地中部，上部覆蓋層為海陸相沖積形成的砂性土，基底為燕山期中粗粒花崗巖。
在基坑支護樁埋深范圍內，自上而下垂直分布地層為：雜填土，灰黑色，松散，夾碎石塊，厚度1.5～3.6 m；粘土，黃綠色，可塑，厚度2～3 m，容重γ=18.30 kN/m3，內聚力C=50.66 kPa，內摩擦角φ=14.19°；淤泥，深灰色，流塑（天然含水量55.8%～74.2%），厚度5.7～10.1 m，γ=18.10 kN/m3，C=7.92 kPa，φ=4.95°；粉質粘土，褐黃色，可塑，厚度1.4～5.7 m，γ=17.50 kN/m3，C=19.90 kPa，φ=9.51°；含泥中細砂，灰白色，中密，粒徑0.10～0.25 mm，含泥量15%～20%，厚度2.7～10.4 m。
水文地質情況：地下水位在自然地面下0.6～1.7 m，場地內除淤泥、粘土層頂上貯有上層滯水外，還有埋藏于粘土層下中細砂至碎卵石的多層承壓水。對本工程而言，關鍵是要隔斷來自于含泥中細砂的承壓水（第一含水層）。經現場抽水試驗，此含水層滲透系數k=1.62 m/d；單孔涌水量q=11.48 m3/d；影響半徑R=96.5m。
3 支護結構設計來
基坑支護結構一般由垂直擋土結構和水平支撐結構組成，設計方案必須滿足以下2方面要求：保證邊坡穩定及周圍建筑物、地下管線設施安全，不得引起擬建物正面五一路主干道開裂，影響市區交通；確保基坑開挖順利進行，并提供足夠的地下室施工作業空間。
根據上述要求，業主邀請了有關專家多次研討，經可行性論證、方案比較，最后確定方案如下。
3.1 以鉆孔灌注樁作為基坑的擋土結構，高壓旋噴樁形成止水帷幕。
首先依據開挖各土層的的γ、C、φ值，當把擋土樁視為彈性地基上的豎直構件，基坑開挖面以下的土體視為直線變形體時，采用庫侖郎肯公式計算坑外側土壓力，然后考慮基坑面積、開挖深度、施工條件等綜合因素確定。本工程鉆孔擋土樁直徑800 mm，樁長23 m，樁端落在含泥中細砂層上，沿封口環梁中軸線布置，砼強度等級C25，配筋率0.8%，數量177根。
止水帷幕旋噴樁沿2根鉆孔擋土樁外切圓密布，計算樁徑500 mm，樁長15 m（阻隔上層滯水及第一含水層），水泥置換率18%～22%，數量179根。
水平支撐結構由2層橢圓環形鋼筋混凝土梁和14根格構式鋼架豎向支柱組成。
第一道水平支撐梁面標高-3.35 m，斷面尺寸1000 mm×800 mm；第二道水平支撐梁面標高-7.75 m，斷面尺寸1200 mm×800 mm。
設計采用雙層橢圓環梁及其臨時鋼架立柱與鉆孔擋土樁及其樁頂封口梁共同作用形成一個空間結構來承受基坑開挖后側向土壓力、水壓力和附加壓力。兩相交的雙橢圓梁水平支撐見圖3，在基坑四周共形成了6個拱圈。眾所周知，拱圈結構承受水平推力后產生的內應力較小，并使水平支撐構件完全處于受壓應力狀態，有利于抵抗基坑外側壓力。相交雙橢圓水平支撐結構除了受力狀態最佳外，還有一個優點，就是基坑左右兩半形成無任何障礙物的寬闊空間，極有利于機械挖土及構筑地下室時裝模、布筋、澆注混凝土作業。
經計算水平支撐橢圓環梁砼強度等級為C25，其配筋計算可采用PK程序、TBSA程序計算疊加，配筋率0.7%，箍筋按構造要求設置。
4 支護結構施工與土方開挖
4.1 鉆孔擋土樁施工來
鉆孔灌注樁作為擋土樁使用，施工時需注意：(1)樁孔施工順序應按同一軸線5孔為一小組，3小組為一大組，跳隔循環施工，以避免已灌注的樁身砼受到破壞。(2)樁孔垂直度要求要比工程樁更嚴，一般≤0.5%L(L為樁長)。否則，同一編組最后一根樁難以施工到位，影響質量。(3)鋼筋籠投放埋設要準確，受拉、受壓區密布弧段欲放置于基坑內外側方向，這樣才能發揮鋼筋在混凝土構件中作用。
4.2 旋噴止水帷幕樁施工
按設計要求，本工程旋噴止水帷幕樁選用單層管法施工，噴漿壓力12～18 MPa，噴管提升速度15～20 cm/min，漿液水灰比1，水泥置換率≮15%。
4.3 封口梁、上下橢圓水平支撐環梁施工
(1)擋土樁頂封口梁及第一層（上層）橢圓水平支撐環梁先行施工。工藝流程是：定位放線→模板工程→鋼筋工程→砼工程。對拱圈與封口梁、角撐、立柱等交匯節點處，均應采取加強措施，確保安全。
(2)根據先支撐后開挖原則，當土方開挖至-7.75 m標高時，停止挖土作業，按第一道水平支撐環梁施工方法施工第二道（下層）橢圓水平支撐環梁。
4.4 基坑土方開挖
依施工組織設計，本基坑工程土方開挖分3個階段進行。第一階段，從自然地面標高-1.65 m挖至-3.35 m，挖深1.70 m(該標高以上土體用M10水泥砂漿砌筑240 mm厚磚墻擋土)，然后鑿去擋土樁頂疏松砼，施工樁頂封口梁及第一道橢圓水平支撐環梁。第二階段，待第一道水平支撐環梁砼強度達到設計值后，繼續開挖至-7.75 m,挖深4.40 m，施工第二道水平支撐環梁。第三階段，待第二道水平支撐環梁砼強度達到設計值后，繼續挖土至-11.70 m，挖深3.95m。最后一次開挖局部深度到達基底標高后，要隨挖隨即澆搗300 mm厚C15毛石砼墊層，并使封底砼緊抵擋土樁。
4.5 土方開挖的注意事項
(1)采用機械開挖，注意防止挖掘機鏟斗碰撞損壞工程樁及臨時支柱。
(2)在土方開挖過程中，自始至終要做好排水、疏水、截水、降水工作。
(3)每日挖出的棄土，應當班運走，嚴禁基坑四周堆土過量（堆土高度≯1 m），否則會增加擋土樁的附加荷載。
(4)-10.70 m以下部分土體要采用人工挖掘及修整。承臺施工應逐個進行，土方挖好后即刻澆搗鋼筋砼，避免大面積開挖或基坑長時間暴露。
5 施工監測
由于影響基坑工程安全的不確定因素甚多，故需采取信息化施工，對基坑施工全過程進行監測。
(1)根據埋設于擋土樁頂封口梁上10個位移觀測點監測，擋土樁向基坑內側方向最大水平位移S=34 mm≤40 mm，滿足一級安全等級的支護要求。
(2)經橢圓環梁預埋鋼筋應力計測定，拱圈水平支撐構件均處于受壓狀態，壓應力不大。
(3)開挖基坑底部未出現土體變形與隆起。
(4)基坑開挖作業自1997年12月8日開始至1998年3月29日結束，累計112天（含春節放假15天），正面五一路市區交通干道及地下管線未發現異常情況，周圍建筑物正常使用。
6 技術經濟效果
(1)該基坑支護結構工程總造價320萬元，按支護延長米計算17390元/m，按支護面積計1549元/m2，按支護空間體積計153元/m3，比預算造價節約18.5%，效益可觀。
(2)本工程采用鉆孔擋土樁、高壓旋噴止水帷幕、雙層橢圓環梁水平支撐的支護結構體系，技術先進，安全適用，經濟合理。
(3)水平支撐拱圈結構受力佳，空間大，極利于多層地下室施工，為類似深基坑施工提供了有益的經驗。
關鍵詞：擋土樁 環梁支護結構 拱圈 水平支撐
1 工程概況
福州平安大廈系一座31層商住樓，高度115 m，占地面積4614 m2，總建筑面積37355 m2。設地下室3層，基坑平面尺寸56.6 m×36.5 m，自然地面標高-1.65 m,坑底標高-11.70 m，開挖深度10.05 m，土方開挖工作量約21000 m3。
2 地質條件
擬建場地處于福州盆地中部，上部覆蓋層為海陸相沖積形成的砂性土，基底為燕山期中粗粒花崗巖。
在基坑支護樁埋深范圍內，自上而下垂直分布地層為：雜填土，灰黑色，松散，夾碎石塊，厚度1.5～3.6 m；粘土，黃綠色，可塑，厚度2～3 m，容重γ=18.30 kN/m3，內聚力C=50.66 kPa，內摩擦角φ=14.19°；淤泥，深灰色，流塑（天然含水量55.8%～74.2%），厚度5.7～10.1 m，γ=18.10 kN/m3，C=7.92 kPa，φ=4.95°；粉質粘土，褐黃色，可塑，厚度1.4～5.7 m，γ=17.50 kN/m3，C=19.90 kPa，φ=9.51°；含泥中細砂，灰白色，中密，粒徑0.10～0.25 mm，含泥量15%～20%，厚度2.7～10.4 m。
水文地質情況：地下水位在自然地面下0.6～1.7 m，場地內除淤泥、粘土層頂上貯有上層滯水外，還有埋藏于粘土層下中細砂至碎卵石的多層承壓水。對本工程而言，關鍵是要隔斷來自于含泥中細砂的承壓水（第一含水層）。經現場抽水試驗，此含水層滲透系數k=1.62 m/d；單孔涌水量q=11.48 m3/d；影響半徑R=96.5m。
3 支護結構設計來
基坑支護結構一般由垂直擋土結構和水平支撐結構組成，設計方案必須滿足以下2方面要求：保證邊坡穩定及周圍建筑物、地下管線設施安全，不得引起擬建物正面五一路主干道開裂，影響市區交通；確保基坑開挖順利進行，并提供足夠的地下室施工作業空間。
根據上述要求，業主邀請了有關專家多次研討，經可行性論證、方案比較，最后確定方案如下。
3.1 以鉆孔灌注樁作為基坑的擋土結構，高壓旋噴樁形成止水帷幕。
首先依據開挖各土層的的γ、C、φ值，當把擋土樁視為彈性地基上的豎直構件，基坑開挖面以下的土體視為直線變形體時，采用庫侖郎肯公式計算坑外側土壓力，然后考慮基坑面積、開挖深度、施工條件等綜合因素確定。本工程鉆孔擋土樁直徑800 mm，樁長23 m，樁端落在含泥中細砂層上，沿封口環梁中軸線布置，砼強度等級C25，配筋率0.8%，數量177根。
止水帷幕旋噴樁沿2根鉆孔擋土樁外切圓密布，計算樁徑500 mm，樁長15 m（阻隔上層滯水及第一含水層），水泥置換率18%～22%，數量179根。
水平支撐結構由2層橢圓環形鋼筋混凝土梁和14根格構式鋼架豎向支柱組成。
第一道水平支撐梁面標高-3.35 m，斷面尺寸1000 mm×800 mm；第二道水平支撐梁面標高-7.75 m，斷面尺寸1200 mm×800 mm。
設計采用雙層橢圓環梁及其臨時鋼架立柱與鉆孔擋土樁及其樁頂封口梁共同作用形成一個空間結構來承受基坑開挖后側向土壓力、水壓力和附加壓力。兩相交的雙橢圓梁水平支撐見圖3，在基坑四周共形成了6個拱圈。眾所周知，拱圈結構承受水平推力后產生的內應力較小，并使水平支撐構件完全處于受壓應力狀態，有利于抵抗基坑外側壓力。相交雙橢圓水平支撐結構除了受力狀態最佳外，還有一個優點，就是基坑左右兩半形成無任何障礙物的寬闊空間，極有利于機械挖土及構筑地下室時裝模、布筋、澆注混凝土作業。
經計算水平支撐橢圓環梁砼強度等級為C25，其配筋計算可采用PK程序、TBSA程序計算疊加，配筋率0.7%，箍筋按構造要求設置。
4 支護結構施工與土方開挖
4.1 鉆孔擋土樁施工來
鉆孔灌注樁作為擋土樁使用，施工時需注意：(1)樁孔施工順序應按同一軸線5孔為一小組，3小組為一大組，跳隔循環施工，以避免已灌注的樁身砼受到破壞。(2)樁孔垂直度要求要比工程樁更嚴，一般≤0.5%L(L為樁長)。否則，同一編組最后一根樁難以施工到位，影響質量。(3)鋼筋籠投放埋設要準確，受拉、受壓區密布弧段欲放置于基坑內外側方向，這樣才能發揮鋼筋在混凝土構件中作用。
4.2 旋噴止水帷幕樁施工
按設計要求，本工程旋噴止水帷幕樁選用單層管法施工，噴漿壓力12～18 MPa，噴管提升速度15～20 cm/min，漿液水灰比1，水泥置換率≮15%。
4.3 封口梁、上下橢圓水平支撐環梁施工
(1)擋土樁頂封口梁及第一層（上層）橢圓水平支撐環梁先行施工。工藝流程是：定位放線→模板工程→鋼筋工程→砼工程。對拱圈與封口梁、角撐、立柱等交匯節點處，均應采取加強措施，確保安全。
(2)根據先支撐后開挖原則，當土方開挖至-7.75 m標高時，停止挖土作業，按第一道水平支撐環梁施工方法施工第二道（下層）橢圓水平支撐環梁。
4.4 基坑土方開挖
依施工組織設計，本基坑工程土方開挖分3個階段進行。第一階段，從自然地面標高-1.65 m挖至-3.35 m，挖深1.70 m(該標高以上土體用M10水泥砂漿砌筑240 mm厚磚墻擋土)，然后鑿去擋土樁頂疏松砼，施工樁頂封口梁及第一道橢圓水平支撐環梁。第二階段，待第一道水平支撐環梁砼強度達到設計值后，繼續開挖至-7.75 m,挖深4.40 m，施工第二道水平支撐環梁。第三階段，待第二道水平支撐環梁砼強度達到設計值后，繼續挖土至-11.70 m，挖深3.95m。最后一次開挖局部深度到達基底標高后，要隨挖隨即澆搗300 mm厚C15毛石砼墊層，并使封底砼緊抵擋土樁。
4.5 土方開挖的注意事項
(1)采用機械開挖，注意防止挖掘機鏟斗碰撞損壞工程樁及臨時支柱。
(2)在土方開挖過程中，自始至終要做好排水、疏水、截水、降水工作。
(3)每日挖出的棄土，應當班運走，嚴禁基坑四周堆土過量（堆土高度≯1 m），否則會增加擋土樁的附加荷載。
(4)-10.70 m以下部分土體要采用人工挖掘及修整。承臺施工應逐個進行，土方挖好后即刻澆搗鋼筋砼，避免大面積開挖或基坑長時間暴露。
5 施工監測
由于影響基坑工程安全的不確定因素甚多，故需采取信息化施工，對基坑施工全過程進行監測。
(1)根據埋設于擋土樁頂封口梁上10個位移觀測點監測，擋土樁向基坑內側方向最大水平位移S=34 mm≤40 mm，滿足一級安全等級的支護要求。
(2)經橢圓環梁預埋鋼筋應力計測定，拱圈水平支撐構件均處于受壓狀態，壓應力不大。
(3)開挖基坑底部未出現土體變形與隆起。
(4)基坑開挖作業自1997年12月8日開始至1998年3月29日結束，累計112天（含春節放假15天），正面五一路市區交通干道及地下管線未發現異常情況，周圍建筑物正常使用。
6 技術經濟效果
(1)該基坑支護結構工程總造價320萬元，按支護延長米計算17390元/m，按支護面積計1549元/m2，按支護空間體積計153元/m3，比預算造價節約18.5%，效益可觀。
(2)本工程采用鉆孔擋土樁、高壓旋噴止水帷幕、雙層橢圓環梁水平支撐的支護結構體系，技術先進，安全適用，經濟合理。
(3)水平支撐拱圈結構受力佳，空間大，極利于多層地下室施工，為類似深基坑施工提供了有益的經驗。
