【摘要】宏嘉大厦基坑周边建筑密集,管线众多,并且紧邻地铁,环境保护要求非常高。介绍了基坑工程的围护设计,包括"两墙合一"的地下连续墙设计、支撑系统设计、地基加固设计等保护措施。通过有限元模拟分析,以上措施合理有效,使邻近地铁的深基坑施工得以安全顺利进行。【关键词】深基坑围护设计环境保护措施侧向位移两墙合一
1工程及环境概况
宏嘉大厦位于上海市浦东新区福山路和向城路交界位置。工程主体结构为两幢36层的塔楼和地下车库,总建筑面积59423m2。主体结构均设置两层地下室,塔楼区域的地下室底板连通。基础采用桩筏基础。基坑总面积约7548m2。塔楼底板厚度1800mm;地下车库底板厚度1000mm。基坑开挖深度塔楼区域为10.25m;地下车库为9.45m。
基地周边管线及建筑物众多。东侧福山路与南侧向城路下均分布有大量管线;西南侧与向城路之间为浦东供电局福山变电站;北侧与潍坊路之间为5-7层的多层建筑;东侧福山路下为南北走向分布的轨道交通4号线区间段,隧道的覆土深度约为11m,其中上行线与本工程地下室外墙边线的最近距离为9.89m,在基坑支护工程施工中须严加保护。基坑工程总平面图如图1所示。2场地工程地质条件
根据地质勘察报告[1],本场地地貌类型属滨海平原,地势平坦,地面标高一般在3.60￣4.14m之间,土层分布稳定。基坑施工范围内涉及土层自上而下主要有:①杂填土、②粉质粘土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤粘土、⑥粉质粘土,地下水属潜水类型,水位埋深一般离地表面约0.3-1.5m。
3支护设计总体方案
综合考虑本工程的开挖深度、面积、造价、工期等因素,特别是考虑到对于邻近的轨道交通4号线的保护要求,决定选用地下连续墙(两墙合一)结合两道水平混凝土支撑(顺作法)的支护方案。
方案以地下连续墙作为基坑围护结构,地下连续墙既作为挡土结构又作为止水帷幕,同时起到挡土和止水的目的。另外,通过与主体地下结构内部水平梁板构件的有效连接,地下连续墙作为围护结构的同时又作为地下室外墙,不再另外设置地下结构外墙。即两墙合一,既可减少混凝土工程量,又可缩短工期。
地下连续墙施工工艺成熟,施工对环境影响较小,水平抗侧刚度大,水平变形小,止水效果好,可有效地保护周围环境,已大量应用于上海的深基坑工程中,特别是周边环境保护要求较高的深基坑工程,因此有着成熟和丰富的设计施工经验。经计算分析表明:本基坑工程塔楼区及地铁侧采用800mm厚地下连续墙,地下车库区域采用600mm厚地下连续墙可满足基坑挡土设计和周边的环境保护要求。此外,坑内设置两道水平钢筋混凝土支撑系统,呈十字对撑形式布置,以减少地下连续墙水平位移,保证墙体稳定。
为减少基坑开挖对周边环境的影响,在塔楼区及地铁侧均对坑内被动区土体进行三轴水泥土搅拌桩加固,地铁侧地下墙的两侧还进行槽壁加固以保证地下墙施工质量。
4“两墙合一”地下连续墙设计
根据周边环境不同的保护要求及基坑内分区域开挖深度的不同,本工程地下连续墙采用了A、B、C、D种不同的槽段形式:A型槽段墙厚800mm、长20.25m,用于邻近轨道交通4号线的基坑东侧围护墙体;B型槽段墙厚800mm、长21.05m,用于基坑南侧地下车库区域围护墙;C型槽段墙厚600mm、长19.25m,用于基坑西、北侧及南侧的地下车库区域围护墙;D型槽段墙厚800mm、长33.55mm,用于基地南侧塔楼区域的围护墙体。各类型槽段的布置如图2所示。本工程地下连续墙总延长359m,共划分为68幅槽段,槽段划分长度一般为4-6m。槽段间采用止水性能较好的圆形锁口管接头。地下连续墙与结构的连接方式为:地下连续墙墙顶落低,通过在第一道围檩上预埋插筋与其上结构墙体和地下室顶板连接;地下连续墙内预埋钢筋接驳器与结构底板及剪力墙连接;地下连续墙内预埋钢筋与地下一层楼板结构连接。
地铁侧地下连续墙两侧设置三轴水泥土搅拌桩进行槽壁加固(见图3),三轴水泥土搅拌桩先行施工,隔离地铁隧道和地下连续墙,避免地下连续墙施工对区间隧道的影响,同时也可以保证地下连续墙的施工质量。此外,为提高地下连续墙槽段接头处的抗渗能力及刚度,在槽段分幅接头处设置壁柱,地下连续墙内预埋钢筋同壁柱连接。壁柱构造如图4所示。
5支撑系统设计
5.1水平支撑系统设计
本工程基坑开挖深度约10m,竖向设置两道钢筋混凝土水平支撑已经可以满足设计要求。钢筋混凝土支撑抗压强度高、变形小、刚度大,对控制基坑侧向变形、保证围护墙整体稳定具有重要作用。钢筋混凝土支撑的具体情况如表1所示。在方案的设计过程中,考虑过采用对撑桁架结合边桁架布置的支撑形式,以留设出较大的作业空间,便于挖土及支撑施工。但在方案深化过程中,为减小对于周边环境、管线的影响,特别是为加强对于轨道交通4号线的保护,最终决定采用相互正交的十字对撑布置形式。该布置形式支撑受力明确,整体性好,能较好地控制围护墙体的变形,最大限度地保护周边环境。支撑布置形式如图5所示。5.2竖向支承系统设计
水平支撑系统的竖向支承构件采用临时钢立柱及柱下钻孔灌注桩组成的立柱桩。临时钢立柱采用由等边角钢和缀板焊接而成,其截面为460mm×460mm,型钢型号为Q235B,立柱插入钻孔灌注桩中。
支撑立柱桩的设计结合主体工程桩桩位的布置,尽量利用工程桩作为立柱桩,其余另外加打,无法利用工程桩的位置增打桩径为φ800mm的钻孔灌注桩作为立柱桩。钢格构立柱在穿越底板的范围内设置止水片。
6地基加固设计
为减小基坑开挖对环境影响,在塔楼区及地铁侧对坑内被动区土体采用φ650@450mm三轴水泥土搅拌桩进行加固,以提高坑底被动区土体抗力,减小基坑变形,保护周边环境。三轴水泥土搅拌桩呈格栅式布置,宽度6.05m,深度范围从第二道支撑底部至基底以下6.5m。地铁侧水泥土搅拌桩水泥掺量均为20%;非地铁侧基坑开挖面以上水泥掺量为15%,开挖面以下水泥掺量20%。地铁侧坑内加固与槽壁加固之间采用φ800@1000mm高压旋喷桩进行加固;其余位置,加固体与围护墙体之间进行压密注浆填充。为加强对地铁的保护,三轴水泥土搅拌桩在该侧采用满堂分布的墩式加固。坑内局部落深处(电梯井、集水井等)需根据其落低的深度、范围及位置,另作加固处理。此外,土方开挖前进行坑内降水,以增加坑内土体的有效应力,提高其强度。
7对邻近地铁的保护措施
7.1对地铁隧道的影响限度
根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》,各种卸载和加载活动对运营地铁隧道的影响限度必须符合:
(1)地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm;
(2)隧道变形曲线的曲率半径R≥15000m;
(3)相对弯曲≤1/2500。
7.2加强保护措施
在本工程的围护方案设计中,如何加强对基地东侧通过的轨道交通4号线区间段的保护无疑是重中之重。
(1)加大地铁侧围护结构的入土深度:入土深度12.50m,插入比达1:1.3。经计算,该侧地下连续墙最大水平位移值1.96cm(2cm),坑底抗隆起安全系数2.07(2),均在理论上达到了地铁保护的控制要求;
(2)控制地面超载:基坑的开挖施工期间,严格控制地铁一侧的施工车辆通行,避免因重车行走而带来较大地面超载加大围护体的变形;
(3)分层分块开挖土体:应用时空效应原理,充分发挥土体自身的抗变形能力以减少土体位移。对地铁侧的土体,按照“分层、分块、对称、限时”的要求,采用抽条式间隔挖土,分块开挖时每块边长不大于20m;
(4)加强监测:基坑施工期间,按照地铁的有关保护要求,对4号线区间段隧道实施全方位的监测,加强监测频率,同时适当提高监测的报警值要求,防患于未然,确保工程施工中轨道交通4号线的安全。
8对地铁保护的有限元模拟分析
8.1建立模型
设计中运用有限元分析软件对基坑开挖的全过程对地铁区间隧道的影响进行数值模拟分析,分析结果显示地下连续墙和支撑体系对地铁区间隧道起到了有效的保护作用。
针对工程特点,取一个靠近地铁侧代表性的剖面J1孔作为分析断面。受力变形性态采用二维平面应变有限元方法进行模拟。计算区域:深度取至第9层足够深度,基坑底部以下75.37m,地表以下85m。基坑外计算范围:左侧80m,右侧50m。整个计算域在左右边界结点上设置水平向约束,下部边界结点上设置垂直向约束,上部边界为自由边界。有限元分析模型如图6所示。8.2基本假设
(1)材料性态模型:对土体采用四边形平面应变等参元离散,地下连续墙、支撑、结构底板和地铁结构采用梁单元模拟,立柱桩采用杆单元模拟,材料计算参数参考勘察报告取值;
(2)施工工况模拟:简化模拟宏嘉大厦基坑顺作法开挖的主要施工工况,首先由自重计算得到初始地应力场,然后根据施工过程分为以下4个工况进行施工模拟。
工况1:第一层土方开挖;
工况2:第一道支撑施工,第二层土方开挖;
工况3:第二道支撑施工,第三层土方开挖;
工况4:地下室底板施工。
8.3分析结果
计算结果表明,由于选用了800mm厚的地下连续墙,同时支撑的刚度较大,能有效控制地下连续墙的侧向变形,从而减小了基坑开挖对周边环境的影响。基坑开挖至坑底时,靠近基坑侧的地铁隧道产生的影响为:最大侧向位移为4.9mm,竖向位移为-8.4mm,可以满足地铁运营对隧道变形提出的要求。
9结语
宏嘉大厦工程周边环境复杂,建筑物、管线众多,尤其是地下室外墙相距轨道交通4号线仅不到10m,环境保护要求非常高。基坑支护设计中选用了“两墙合一”地下连续墙作为围护墙体,支撑采用十字对撑形式布置,并通过设计水泥土搅拌桩、高压旋喷桩等加固措施,以确保基坑开挖能安全、合理、经济地进行。