深大基坑支护选型分析

深大基坑支护选型分析

现在，工程的基本结构和垂直方向已经延伸。鉴于大规模的基本支撑、复杂的环境和日益紧张的土地利用，大量流动的道路和现有建筑（结构）远离基块越近。现有规范的规定明确规定了基块保护效果对周围环境的影响。对一周边环境复杂的深大基坑支护工程案例进行分析介绍,在分析项目重点和难点的基础上介绍了基坑支护方案选型要点,并详细介绍了随着基坑施工设计条件的变化,强调基坑支护、方案选型需根据现场情况随时调整.并结合监测结果分析了工程案例的实施效果.1项目总结1.1分层开挖,设负方案项目位于佛山市禅城区商业区,拟建集商住、汽车客运站、公交枢纽及其配套设施用房为一体的建筑.下设三层地下室,开挖深度约16.0m(后施工过程中增设负四层,开挖深度20.0m,距离负三层基坑边线最近距离约17.0m).基坑东西向长约320m,南北向长约180m,基坑周长约1000m.1.2基坑边线位置基坑周边环境极为复杂,东侧临近地铁广佛一号线区间轨道,基坑边线距离轨道外边线约16.6m;东侧为市政主干道汾江南路,其下为运营中的地铁一号线;东侧靠南为地铁风亭和出入口,基坑边线距离风亭边线约8.2m,距离出入口边线约10m;南侧为市政路魁奇路,基坑边线距离道路边线约10m,魁奇路地下拟规划地铁二号线,不能打设锚杆或土钉影响后期地铁建设;西侧临近已建阳光嘉苑小区,阳光嘉苑设两层地下室,该地下室基坑支护锚杆已打设至本项目地下室内,地下室距离本项目基坑边线约9.8m;北侧靠西为景苑南街,基坑边线距离景苑南街人行道边线约6.3m;北侧靠东为16层财富大厦,采用钻孔桩基础,下设一层地下室,深约5m,如打设土钉或锚索时不能影响其地下室桩基础.依据场地环境条件和破坏后果,按相关规范规程2基坑支护设计参数取值本场地地貌属珠江三角洲冲积平原腹地,场地原为农田和鱼塘,后填砂、碎石、碎砖瓦片等建筑余渣及生活垃圾等.场地地基土由(1)人工填土层(Q地下水类型主要为人工填土层中之潜水、基岩裂隙水.第四系砂层不发育,基岩中含有一定的裂隙水.地下稳定水位埋深1.1～1.6m.综合土工试验成果和地区经验,基坑支护设计物理力学参数取值见表1.3设计方案的选择3.1基坑开挖环境1)基坑规模.该基坑规模宏大,基坑深度深,东西向和南北向距离均较大,总周长接近1000m,属于深大基坑.2)周边环境.基坑周边环境条件极为复杂,囊括了商业大楼、住宅楼、市政主干道、已建地铁、拟建地铁等各类建(构)筑物,且大部分建(构)筑物距离基坑边线不足10m.周边环境对基坑开挖极为敏感,局部支护稍有偏差引起周边环境变形后果极为严重.且针对本项目地质条件和基坑规模,最常规经济的支护型式为桩锚支护,但桩锚支护又受到周边环境条件的制约.3)基坑形状.项目东南角存在地铁出土口和地铁风亭,该构筑物不但需要重点保护,且整个相对规整的矩形基坑被切去了一角,对于基坑支护体系的整体稳定受到极大的影响.4)地质条件.本基坑开挖范围内很大部分区域揭露了中微风化岩,抗压强度6～20MPa,虽然属于软岩～较软岩,但开挖过程中受到各方面限制,无法大规模使用机械开挖,且要控制对周边环境的影响.3.2基坑支护型式确定根据基坑支护规模、地质条件,并结合上述重点和难点分析,本基坑支护设计要点如下:1)采用适合大型基坑的围护结构,可选择的型式主要有连续墙和排桩.如不采用逆作法,满足设计要求的前提下,本基坑采用排桩更为经济.2)对围护结构沿基坑纵深设置支点,可采用内支撑和锚索.本基坑规模较大,如采用内支撑长度较大,如采用锚索受到周边环境条件的制约,需综合考虑.3)对基坑进行降水或设置止水帷幕.本基坑地下水相对贫乏,且周边环境对沉降敏感,宜采用常规止水帷幕.综合项目特点,可采用的支护型式如下:1)逆作法.即围护结构采用连续墙,先施工结构柱,利用主体工程地下结构作为基坑支护结构,并采取地下结构作为支撑结构的由上而下的设计施工方法.2)半逆作法.即围护结构采用排桩,在基坑中部放坡开挖,形成中心岛盆式工况,待中部结构底板或地下结构施工完成后,利用完成的地下结构设置支撑,最后挖去四周盆边土方,完成地下结构施工.3)桩锚支护.围护结构采用排桩,边打设锚索边开挖基坑的支护型式,开挖到底后再自下而上施工地下室结构.4)桩撑支护.围护结构采用排桩,通过内支撑对基坑进行支护,内支撑数量和间距通过计算确定.内支撑可采用角撑、对撑或环撑.3.3桩锚方案比选根据上述分析,对于可选用的基坑支护方案分析确定如下:1)完全采用逆作法或半逆作法:要求地下室结构施工和基坑支护施工紧密配合,对地下室施工提出了较高的要求,经与建设单位沟通,基坑支护施工时,结构设计尚在调整阶段,更勿谈地下室结构与基坑施工同步进行事宜.完全采用该两种方法皆不可实施.2)采用桩锚支护:东侧、南侧均有市政路,管线众多,且南侧拟建地铁,如锚索无法回收会影响地铁施工;西侧靠近已有住宅,打设锚索会进入已有建筑地下室,不可实施;北侧靠近已有办公大楼,该大楼采用的是桩基础,打设锚索如碰到桩基础会影响大楼正常使用.桩锚方案不可行.3)采用桩撑方案:(1)采用排桩+环撑支护方案,东南侧由于地铁出入口的设置存在一个切角,该处环撑布置不利,且环撑需要整体施工,由于项目本身的要求,整个项目东北、东南、西南、西北将会分块施工,采用环撑无法满足项目要求;(2)采用排桩+角撑支护,中部位置角撑无法布设,如采用对撑,对撑长度接近200m,长度偏大受力不利,且严重影响内部塔楼施工和出土.综上所述,采用上述任一种支护方案均存在明显缺陷.根据基坑所处的环境、工程地质、水文地质及基坑开挖深度,经工程类比及计算分析,并综合考虑上述几种支护方案,本工程基坑支护最终确定采用:准1200@1500排桩+砼角撑+钢斜撑+锚索相结合的支护方案,并采用水泥搅拌桩或桩间旋喷止水,局部东北角揭露淤泥质土区段外围再加设水泥搅拌桩.具体说来:整个基坑采用排桩+砼角撑的支护型式;南侧靠近拟建地铁区域,角撑无法布设区段采用钢斜撑支护;北侧靠近已有办公楼区域采用桩锚支护,采用锚索的前提是仔细核实已有桩基础位置,确保锚索成孔侧壁与桩基础净距超过1.0m.基坑支护平面布置如下图2所示,基坑支护典型剖面图如图3所示.3.4基坑支护平面布置在初步确定的基坑支护方案基础上进行设计计算分析,根据地质条件、基坑深度、周边环境、支护型式分剖面进行计算,共分为12个剖面进行计算,基坑支护平面布置图如图2所示.主要采用排桩+钢筋砼内支撑支护,分别对应1-1～5-5、7-7～10-10剖面,典型支护剖面如图2.其余由于受到限制无法采用排桩+钢筋砼内支撑支护的区域,6-6剖面采用排桩+钢斜撑支护,11-11～12-12采用排桩+预应力锚索支撑.按一级基坑要求,基坑监测主要是要求对桩顶水平位移、沉降、桩身应力、周边道路和建(构)筑物沉降、地下水位监测等.4施工方案及配合上述方案通过专家论证后,按照上述支护设计方案进行施工,并完成了砼支护桩和止水帷幕的施工.但由于项目周边的环境条件过于复杂,基本支护设计经过了如下三个变化.1)东北角基坑支护设计段基坑东北角原有一栋办公大楼,由于一些不可抗力原因,导致在基坑施工之前无法拆除.于是基坑开挖过程中需要对该栋楼房进行保护.靠近该栋大楼,采用一段桩锚支护和放坡,需结合已有的桩撑支护形成一个完整的基坑围护结构.2)增加负四层地下室由于建筑规划修改,原地下室由3层变更为4层,负四层地下室外墙线整体距离原地下室外墙线超过10m,且原基坑底基本上已揭露中风化岩,局部为强风化岩.可采用喷锚支护.但由于负四层基坑的开挖,对南侧6-6剖面钢斜撑支护段产生了不利影响,于是该剖面需要进行变更设计.3)砼支护桩+钢斜撑支护段变更设计由于负四层地下室的开挖,原钢斜撑支撑牛腿无法设置,钢斜撑没有支撑点.为了解决这一问题,在原牛腿位置设计人工挖孔桩,并设计一道锚索.在上述三个大型变更依次实施的情况下,施工过程中随时关注现场情况,进行信息化设计,主要设计配合有如下几个方面:1)该项目北侧桩锚支护段由于现场施工条件变化,又变更为砼支护桩+钢斜撑支护,并经过多次专家评审和方案论证,后来还是维持原有支护方案.2)基坑开挖过程中地下水多次报警,通过分析水位监测孔附近的地质条件,判断地下水位下降是由于地下水的水力联系、基坑裂隙发育造成,还是由于桩间渗漏造成的.通过增设水位监测孔、试回灌判定水力联系,连通区域通过回填保障地下水位安全等措施.有效保障了水位监测孔报警情形下的基坑安全.3)在基坑立柱桩已施工完成的情况下,该基坑调整了结构工程桩导致工程桩与立柱桩冲突,通过加固立柱桩、设置钢管桩换撑等方法,确保了在保证立柱桩安全的前提下结构工程桩的顺利施工.4)改部分普通地下室为商业体.靠近基坑边的区域内存在大量地下室中空区域导致内支撑无法换撑.经方法比选,采用多道钢管桩,根据中空区域形状合理进行平面布设,有效解决了地下室中空区域换撑问题.5)由于基坑施工时间偏长,南侧地铁已经开工,该侧基坑周边堆载和扰动情况均发生变化,该侧基坑采用的是钢斜撑支护,为整个基坑比较薄弱的环节.通过调整基坑施工组织设计和合理控制超载并进行验算,确保了该侧基坑整个施工过程中的安全.5计算结果与监测结果的对比分析由于基坑规模较大,且地层变化大,如采用常规有限元进行计算,土层参数的选取、各地层厚度的等效选取对计算结果影响较大,且基坑的规模导致土单元数量非常庞大,对于计算调试不利,实际效果也大打折扣.根据工程经验和类似工程做法,本基坑采用常规的理正软件分单元计算,根据地质钻孔合理选择土层、根据现场和室内试验合理选择计算参数.下面根据常规监测数据对支撑轴力、基坑顶部位移、排桩深部位移进行对比分析.5.1支撑轴力及监测结果分析根据计算结果和工程经验,设置三道内支撑时,第三道内支撑轴力最大,起控制作用,在此我们主要分析第三道支撑的轴力,东北角支撑(以该区域最长约68m支撑为例)和东南角支撑(以该区域中部长72m支撑为例)轴力随时间变化如图4所示.除了局部基坑挖到底施工底板或其他不确定因素扰动外,基本上支撑轴力随着基坑开挖而增大,前期增加幅度大,后期增幅变小,其最大轴力分别为1881kN和2272kN.东北角和东南角支撑轴力、土压力、位移的计算值分别如图5和图6所示.东南角支撑轴力计算值与监测值较吻合,但东北角监测值远小于计算值的4072kN,究其原因东北角附近有一勘察钻孔揭露淤泥,后来的开挖表明显示的是局部地质条件,但为了安全起见,考虑了该钻孔的淤泥进行计算,导致土压力增大,支撑轴力增大.整体而言,轴力的计算值和监测值均远小于5600kN的报警值.5.2基坑顶部位移基坑开挖到回填,东北角和东南角监测点基坑顶部位移随时间变化的变化如图7所示.顶部位移总体而言随着基坑开挖、拆撑、回填,呈增大的趋势.但理正计算时反映的某个工况最终状态下的顶部位移,与监测值顶部位移一直增大不同,随着支撑的设置,位移大值点移至支撑以下,而顶部位移基本上不变甚至变小,与实际不符,应参考某工况下计算的最大位移来作为基坑顶部位移的控制值.5.3基坑底部位移支护桩东北角和东南角深部位移随时间的变化如图8和图9所示.由图可知,由于基坑底部基本上直接见岩,坑底以下位移很小趋近于零,最大位移点接近基坑顶部,与计算最大位移点位于支撑以下有较大差别,最大位移值与基坑顶部的位移监测数据和计算数据基本吻合.6基坑开挖过程中监测与监测的总结报告该基坑前后施工持续3年5个月,经历了两次基坑延期专家会议,期间的各类变化,包括建设规划、结构基础布设、周边环境条件等.设计项目组进行信息化设计,时时关注项目现场情况,及时有针对性地进行变更设计,确保了基坑开挖的顺利实施.