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基坑开挖的安全度得到提高

南京德基广场二期工程主体建筑由一幢主楼及群楼组成,主楼地上 52 层,地上建筑有效高度为 244.5m;裙楼地上 9 层,地上建筑有效高度为 55.5m,主楼和裙楼下整体设置 4层地下室。基坑总面积 16000m 2 ,主楼区普遍开挖深度 21.5m,群楼区普遍开挖深度 19.7m。基坑南侧约 13m 处是运营中的地铁区间隧道,隧道底部埋深约 16m,基坑开挖实施过程中的环境保护要求高。由于业主希望裙楼区商业用房能够尽快投入运营,且考虑到基坑的环境保护要求高,因此基坑围护设计采用了裙楼先逆作、主楼后顺作的总体设计方案。裙楼基坑周边设置两墙合一地下连续墙围护体,坑内利用四层结构梁板代支撑,采用逆作法先行施工,并同时开展裙楼区地上 9 层结构的施工;主楼区留设大面积洞口,在地下室底板施工完成后再向上顺作主楼结构。图14 为主、裙楼分区布置图。

工程中常用的顺逆结合方案主要有:

(5)由于主楼区域需要在裙楼区域逆作完成后再施工,因此一般情况下将会增加主楼的工期与工程的总工期。

对于超大面积的基坑工程,采用如图7 所示的支护方式时存在支撑太长、支撑传力效果不佳、支撑量大等问题,此时可采用中心岛式开挖方案,即先保留围护墙处一定宽度的土体,以抵抗坑外侧的土压力,然后将基坑中部的土体挖除,再施工中部的主体结构,再利用中部已施工好的主体结构反力架设支撑,然后将周围的土体挖除,施工周围部分的主体结构,最后拆除支撑。这种方案出土便捷,经济效果好,但基坑周边的地下结构需要二期施工,工艺复杂。当基坑开挖深度较浅时,可采用如图8 所示的围护墙结合斜坡撑形式,当基坑开挖深度较大时,可采用如图9 所示的中心岛结合周边多道支撑形式。

图6 格形地下连续墙支护平面

仲盛商业中心上部建筑为 5 层钢筋混凝土框架结构,设置三层地下室。基坑面积约为50000m 2 ,基坑开挖深度约为 13.3m。由于基坑面积极大,若采用顺作法方案,临时支撑工程量巨大,造价高;而采用全逆作法方案,暗挖土方工程量巨大,施工难度高,降低了出土效率。还需设置大量一柱一桩,加大了施工难度;采用传统中心岛方案,挖土条件较好,可大大加快整体施工进度,节省水平支撑和竖向支承构件费用。但周边高土坡随时间将产生持续位移,使围护体产生较大变形,对周边环境的影响难以估量。考虑基坑施工安全性、施工方式、工期及工程造价等因素,本基坑采用了中心顺作、周边地下一层结构环板逆作的总体设计方案。即将基坑分成中部顺作区和周边逆作区两部分,基坑外侧浅层卸土放坡,基坑内侧土方开挖至地下一层结构梁底标高,首先施工周边逆作区地下一层结构梁板,形成环状支撑,然后在基坑周边留土,并采用多级放坡使中心区域开挖至基底。在中心部分结构向上顺作施工并与周边地下一层结构环板贯通后,再以结构梁板作为水平支撑,逆作施工周边留土放坡区域。该方案减小了周边放坡高度,在中心岛施工过程利用周边结构环板刚度和周边留土共同约束围护墙位移,以控制基坑变形,保护周边环境。图15 为该基坑的围护剖面图,图16 为现场实景图。

(4)逆作法设计与主体结构设计的关联度大,受主体结构设计进度的制约。

上海环球金融中心位于上海浦东陆家嘴金融贸易区东泰路和世纪大道路口,周边环境条件复杂,环境保护要求较高。主楼建筑地上 101 层,高度 492m,裙楼地上三层,主楼和裙楼下均设三层地下室,基坑总面积约为 22500m 2 ,基坑开挖深度主楼区为 17.85~19.85m。

但逆作法也存在如下不足:

(4)裙楼基坑周边环境复杂、环境保护要求高。

(1)大面积的深基坑工程,采用逆作法方案,节省临时支撑体系费用。

(1)该方案一方面解决了施工场地狭小、操作困难的问题;另一方面塔楼顺作基坑面积较小,可加快施工速度;裙楼逆作施工不占用绝对工期,缩短了总工期,并可减少前期投资额。

(3)施工场地紧张,利用逆作的地下首层楼板作为施工平台。

(3)裙楼地下室面积较大,开发商希望适当延缓投资又不影响主楼施工的进度;

一般来说主楼为超高层建筑工期控制的主导因素,在施工场地紧张的情况下,可先采用顺作法施工主楼地下室,而裙楼暂时作为施工场地,待主楼进入上部结构施工的某一阶段,再逆作施工裙楼地下室,这种顺逆结合的方案即为主楼先顺作、裙楼后逆作方案。主楼先顺作、裙楼后逆作具有其特有的优点:

二、逆作法方案

图1 基坑总体支护方案分类

(2)裙楼地下室逆作能够有效地控制基坑的变形,可减小对周边环境的影响;同时又由于省去了常规顺作法中支设和拆除大量的临时支撑,经济性较好。

悬臂板式支护可用于必须敞开式开挖、但对围护体占地宽度有一定限制的基坑工程。其采用具有一定刚度的板式支护体,如钻孔灌注桩或地下连续墙。单排悬臂灌注桩桩支护一般用于浅基坑,在工程实践中,由于其变形较大,且材料性能难以充分发挥,经济性不好,适用范围很小。双排桩、格形地下连续墙等围护体型式所构成的悬臂板式支护体系适用于中等开挖深度、且对围护变形有一定控制要求的基坑工程。图5 为双排桩围护的剖面示意图,图6 格型地下连续墙支护的平面示意图。

三、顺逆结合方案

中心顺作、周边逆作方案只有在同时满足下列条件的工程中应用才能体现出其优越性和社会经济效益:

(3)裙楼区域结构梁板代支撑,支撑刚度大,对基坑的变形控制有利;

(1)地下室几乎用足建筑红线,使得施工场地狭小,地下工程施工阶段需要占用部分裙楼区域作为施工场地;

逆作法的主要优点如下:

(1)楼板刚度高于常规顺作法的临时支撑,基坑开挖的安全度得到提高,且一般而言基坑的变形较小,因而对基坑周边环境的影响较小。

3、中心顺作、周边逆作方案

2、直立式围护体系

图14 德基广场二期基坑工程主、裙楼分区布置图

基坑支护总体方案的选择直接关系到工程造价、施工进度及周围环境的安全。总体方案主要有顺作法和逆作法两类基本形式,它们具有各自鲜明的特点。在同一个基坑工程中,顺作法和逆作法也可以在不同的基坑区域组合使用,从而在特定条件下满足工程的技术经济性要求。基坑工程的总体支护方案分类如图1所示。

在基坑周边环境条件复杂、变形控制要求高的软土地区,围护墙结合内支撑系统是常用与成熟的支护型式。当基坑面积不大时,其技术经济性较好。但当基坑面积达到一定规模时,由于需设置和拆除大量的临时支撑,因此经济性较差。此外,支撑体系拆除时围护墙会发生二次变形,拆撑爆破以及拆撑后废弃的混凝土碎块都也会对环境产生不利影响。典型的基坑支护剖面如图7 所示。

顺作法是基坑工程的传统开挖施工方法,施工工艺成熟,支护结构体系与主体结构相对独立,相比逆作法,其设计、施工均比较便捷。由于是传统工艺,对施工单位的管理和技术水平的要求相对较低,施工单位的选择面较广。另外顺作法相对于逆作法而言,其基坑支护结构的设计与主体设计关联性较低,受主体设计进度的制约小,基坑工程有条件尽早开工。

(2)裙楼区域在地下结构首层结构梁板施工完成后,有条件立即向地上施工,可大大缩短裙楼上部结构的工期;

图9 中心岛结合周边多道支撑示意图

(3)地面楼板先施工完成后,可以为施工提供作业空间,因此可以解决施工场地狭小的问题。

主楼先顺作、裙楼后逆作方案用于满足如下条件的基坑工程:

图10 围护墙结合锚杆系统

1、放坡开挖

(3)由于仅周边环板采用逆作法施工,可仅对首层边跨结构梁板和一柱一桩进行加固,作为施工行车通道,并利用周边围护体作为施工行车通道的竖向支承构件,减少了常规逆作法中施工行车通道区域结构梁板和支承立柱和立柱桩的加固费用。

3. 基地周边环境有一定的保护要求,但不是非常严格。周边逆作区结构环板和留土放坡对围护体的变形控制可满足周边环境的保护要求。

考虑到主楼为超高层建筑,业主对主楼工期要求较高,同时希望在不影响主楼施工进度的情况下,延缓部分投资,因此本工程采用了主楼先顺作和裙楼后逆作的总体设计方案。主楼区域先采用直径为 100m 的圆筒形地下连续墙并结合三道钢筋混凝土环形围檩作为支护结构,基坑顺作开挖到底后施工主楼结构。当主楼区主体结构施工至地面层时,再逆作施工裙楼区基坑。裙楼区逆作施工期间逐层向下拆除塔楼的围护结构(圆筒形地下连续墙),并将塔楼的核心筒结构作为裙楼各楼层梁板结构的支撑点,依次开挖并施工裙楼地下室各层楼板结构。主、裙楼的分区如图13 所示。

(2)对施工技术要求高,例如对一柱一桩的定位和垂直度控制要求高,立柱之间及立柱与连续墙之间的差异沉降控制要求高等。

(1)将整个基坑分为中心顺作区和周边逆作区两部分,周边部分采用结构梁板作为水平支撑,而中心部分则无需设置支撑,从而节省了大量临时支撑。同时由于中部采用敞开式施工,出土速度较快,大大加快了整体施工进度。

放坡开挖一般适用于浅基坑。由于基坑敞开式施工,因此工艺简便、造价经济、施工进度快。但这种施工方式要求具有足够的施工场地与放坡范围。放坡开挖示意图如图2所示。

(1)水泥土重力式围护和土钉支护

(2)在基坑周边首先施工一圈具有一定水平刚度的结构环板,中心区域施工过程中利用被动区多级放坡留土和结构环板约束围护体的位移,从而达到控制基坑变形、保护周围环境的目的。

图2 放坡开挖示意图

顺作法常用的总体方案包括放坡开挖、直立式围护体系和板式支护体系三大类;其中直立式围护体系又可分为水泥土重力式围护、土钉支护和悬臂板式支护;板式支护又包括围护墙结合内支撑系统和围护墙结合锚杆系统两种形式。

发布时间:2018-04-12 10:33:40

(2)基坑周边环境条件复杂,且对变形敏感,采用逆作法有利于控制基坑的变形。

板式支护体系由围护墙和内支撑(或锚杆)组成,围护墙的种类较多,包括地下连续墙、灌注排桩围护墙、型钢水泥土搅拌墙、钢板桩围护墙及钢筋混凝土板桩围护墙等。内支撑可采用钢支撑或钢筋混凝土支撑。

超高层建筑通常由主楼与裙楼两部分组成,其下一般整体设置多层地下室,因此超高层建筑的基坑多为深大基坑。在基坑面积较大、挖深较深、施工场地狭小的情况下,若地下室深基础采用明挖顺作支撑方案施工,不仅操作非常困难,耽误了塔楼的施工进度,施工周期长,而且对周边环境影响大,经济性也差。另一方面,主楼结构构件的重要性也决定了其不适合采用逆作法。

图7 典型的围护墙结合内支撑系统示意图

(4)在逆作阶段主楼区域的大空间出土口可以显著地改善裙楼逆作区域地下作业的通风和采光条件;

相对于顺作法,逆作法则是每开挖一定深度的土体后,即支设模板浇筑永久的结构梁板,用以代替常规顺作法的临时支撑,以平衡作用在围护墙上的土压力。因此当开挖结束时,地下结构即已施工完成。这种地下结构的施工方式是自上而下浇筑,同常规顺作法开挖到坑底后再自下而上浇筑地下结构的施工方法不同,故成为逆作法。当逆作地下结构的同时还进行地上结构的施工,则称为全逆作法,如图11 所示;当仅逆作地下结构而并不同步施工地上结构时,则称为半逆作法,如图12 所示。由于逆作法的梁板重量较常规顺作法的临时支撑要大得多,因此必须考虑立柱和立柱桩的承载能力问题。尤其是采用全逆作法时,地上结构所能同时施工的最大层数应根据立柱和立柱桩的承载力确定。

该方案具有以下几个显著特点:

(4)逆作法采用支护结构与主体结构相结合,因此可以节省常规顺作法中大量临时支撑的设置和拆除,经济性好,且有利于降低能耗、节约资源。

2. 主体结构为框架结构,无高耸塔楼结构或塔楼结构位于基坑中部。由于中心区域结构最先施工,塔楼如位于中心区域可确保塔楼的施工进度不受影响。

(2)围护墙结合锚杆系统

逆作法通常采用支护结构与主体结构相结合,根据支护结构与主体结构相结合的程度,逆作法可以有两种类型,即周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替代支撑采用逆作法施工、支护结构与主体结构全面相结合采用逆作法施工。

2、裙楼先逆作、主楼后顺作方案

图13 上海金融中心基坑的主楼和裙楼分区情况

(1)技术复杂,垂直构件续接处理困难,接头施工复杂。

(3)采用逆作暗挖,作业环境差,结构施工质量易受影响。

(2)当采用全逆作法时,地上和地下结构同时施工,因此可缩短工程的总工期。

当工程具有以下特征或技术经济要求时,可以考虑选用逆作法方案:

1、超大面积的深基坑工程。基坑面积需达到几万平方米,基坑平面为多边形,且至少设置两层地下室。基坑面积必须足够大是由以下因素决定:周边逆作区环板必须具有足够的宽度,以保证有足够的刚度可以约束围护体变形;为保证逆作区坡体的稳定,周边留土按一定坡度多级放坡至基底标高需要一定的宽度;在除去逆作区面积后中心区域尚应有相当面积可以顺作施工。

(2)悬臂板式支护

(1)围护墙结合内支撑系统

对于由塔楼和裙楼组成的超高层建筑,有时裙楼的工期要求非常高(例如裙楼作为商业建筑时往往希望能尽快投入商业运营)而塔楼工期要求相对较低,此时裙楼可先采用全逆作法地上地下同时施工,以节省工期,并在主楼区域设置大空间出土口(主楼由于其构件的重要性不适合采用逆作法),待裙楼地下结构施工完成后,再顺作施工主楼区地下结构,从而形成裙楼先逆作、主楼后顺作的方案。该方案具有以下特点:

3、板式支护体系

(2)主楼为超高层建筑,是控制工期的主导因素,且业主对主楼工期要求较高;

一、顺作法方案

图12 半逆作法示意图

(4)工期进度要求高,采用上下部结构同时的全逆作法设计方案,施工缩短总工期。

对于某些条件复杂或具有特别技术经济性要求的基坑工程,采用单纯的顺作法或逆作法都难以同时满足经济、技术、工期及环境保护等多方面的要求。在工程实践中,有时为了同时满足多方面的要求,采用了顺作法与逆作法结合的方案,通过充分发挥顺作法与逆作法的优势,取长补短,从而实现工程的建设目标。

1、主楼先顺作、裙楼后逆作方案

基坑支护结构通常由围护墙、隔水帷幕、水平内支撑系统(或锚杆系统)以及支撑的竖向支承系统组成。所谓顺作法,是指先施工周边围护结构,然后由上而下分层开挖,并依次设置水平支撑(或锚杆系统),开挖至坑底后,再由下而上施工主体地下结构基础底板、竖向墙柱构件及水平楼板构件,并按一定的顺序拆除水平支撑系统,进而完成地下结构施工的过程。当不设支护结构而直接采用放坡开挖时,则是先直接放坡开挖至坑底,然后自下而上依次施工地下结构。

(1)主楼区域设置的大空间出土口出土效率高,可加快裙楼逆作的施工速度;

对于超大面积的基坑工程,当基坑周边环境保护要求不是很高时,可在基坑周边首先施工一圈具有一定水平刚度的环状结构梁板(以下简称环板),然后在基坑周边被动区留土,并采用多级放坡使中心区域开挖至基底,在中心区域结构向上顺作施工并与周边结构环板贯通后,再逐层挖土和逆作施工周边留土放坡区域,形成中心顺作、周边逆作的总体设计方案。

围护墙结合锚杆系统采用锚杆来支承作用在围护墙上的侧压力,它适用于大面积的基坑工程。基坑敞开式开挖,为挖土和地下结构施工提供了极大的便利,可缩短工期,经济效益良好。锚杆需依赖土体本身的强度来提供锚固力,因此土体的强度越高,锚固效果越好,反之越差,因此这种支护方式不适用于软弱地层。当锚杆的施工质量不好时,可能会产生较大的地表沉降。围护墙结合锚杆系统的典型剖面如图10 所示。

采用水泥土重力式围护和土钉支护的直立式围护体系经济性较好,由于基坑内部开敞,土方开挖和地下结构的施工均比较便捷。但自立式围护体需要占用较宽的场地空间,因此设计时应考虑红线的限制。此外设计时应充分研究工程地质条件与水文地质条件的适用性。由于围护体施工质量难以进行直观的监督,易引起施工质量不佳问题,从而导致环境变形乃至工程事故。水泥土重力式围护和土钉支护的示意图分别如图3 和图4 所示。

图4 土钉支护示意图

(1)主楼先顺作、裙楼后逆作方案;(2)裙楼先逆作、主楼后顺作方案;(3)中心顺作、周边逆作方案。

2019-07-04 16:36

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