上海金茂大厦地下连续墙结合钢筋混凝土桁架支撑设计

上海金茂大厦地下连续墙结合钢筋混凝土桁架支撑设计

金茂大厦位于浦东陆家嘴。建筑面积约29.29万平方米，高420.5米，共88层。它是中国目前最大的建筑，也是世界上最大的建筑。金茂大厦基础工程开挖面积约2万m2,开挖土方量约31万m3。塔楼的开挖深度为-19.65m,裙房的开挖深度为-15.1m。基坑外围的地下连续墙为568延长米,厚度1.0m,混凝土约为2万m3。基坑内围的钻孔灌注桩为218延长米,直径1.2m,混凝土约为6100m3。钢筋混凝土桁架支撑总量达11000m3。1全包建设方案的选择本工程采用地下连续墙加钢筋混凝土桁架支撑方案。1.1地下连续墙质量利用地下连续墙是承重构件,设计要求地下连续墙落在承重的粉细砂层上,所以地下连续墙的设计深度为36m。为了保证墙体沉降均匀,主楼和裙房的地下连续墙采用同一深度。为了满足地下连续墙的受力和抗渗要求,地下连续墙厚1m。由于地下连续墙入土深度较深对基坑的整体稳定抗基坑隆起和抗管涌以及阻止基坑外的地下水进入基坑都有明显的效果。两墙合一的地下连续墙还能节约工程费用。图1为基坑外围地下连续墙的平面布置。1.2地下主围护结构基坑开挖采用先主楼后裙房的方案,这样在主楼区域要再进行一次围护。故在主楼东面采用两墙合一的地下连续墙围护,其余三面采用1.2m钻孔灌注桩围护,整个主楼区域采用了二种不同类型的围护结构来共同工作。为使主楼基坑施工运输车辆能进入基坑同时也为了减少钻孔灌注桩的投入量钻孔灌注桩的顶标高设在-8.3m处,底标高设在-32.7m处。1.3钢筋混凝土桁架支撑主楼和裙房的基坑虽然分二阶段开挖,但钢筋混凝土桁架支撑必须统一设计,并要求主楼的主体结构施工不受钢筋混凝土桁架支撑未拆除的影响。在地下连续墙的变形和受力允许的条件下,第一道支撑的标高较低对土方工程有利。故将第一道支撑设在地下一层楼板以上的-3.4m标高处,主楼和裙房的第二和第三道支撑分别设在-8.3m和-13.0m处。主楼区域-17.1m处设置了第四道支撑。2桁架支撑、支护(1)在主楼和裙房地下连续墙四周设置桁架式支撑,在主楼基坑的南侧、西侧和北侧设置对撑,形成基坑最主要的受力构件。(2)主楼基坑施工时,为使施工机械能进入基坑内挖土,利用主楼基坑西侧场地较大的特点,在支撑布置时形成大空间,为以后在此处设置下基坑的道路创造条件。(3)桁架支撑均呈三角形,确保稳定,并减少节点的弯矩,未形成三角形的支撑,在节点构造上进行加强。(4)支撑杆件由变形计算确定,在变形允许的条件下,尽量形成空间,减少杆件的布置数量。第一至第三道支撑平面布置见图2。3工程节点结构设计3.1槽形接头、教学装置的连接设计(1)地下连续墙的槽段接头设计。作为承重和围护两墙合一的地下连续墙,保证槽段接头的质量,使其具有较强的抗渗性是设计的关键。选择多楔槽形接头、十字钢板刚接头、锁口柔性接头、有止水措施的柔性接头伸出钢筋的刚性接头和楔形式接头进行比较,其中楔形式接头具有较多的优点,它渗流途径长、拐点多、抗渗性能好、抗剪能力强、施工难度小、操作方便、容易保证其质量。图3是楔形接头形式。(2)地下连续墙与桁架支撑围檩的连接设计。桁架支撑围檩与地下墙连接件用锥螺纹接驳器。在地下连续墙施工时,先预埋然后凿出,用接驳器接出钢筋与支撑围檩相连,见图4。3.2上部钢格构柱(1)钻孔灌注桩与钢格构柱的连接。为了保证钢筋混凝土桁架支撑立柱具有一定的承载力,下部设计为钻孔灌注桩;为了方便与桁架支撑连接,上部设计为钢格构柱,钢格构柱插入钻孔灌注桩内5m,构造见图5所示。(2)钻孔灌注排桩与桁架支撑的连接。支撑围檩与钻孔桩的连接用电焊钢筋接出将有钢格构柱的钻孔桩内角钢凿出进行电焊钢筋与支撑围檩相连,见图6。3.3水平支撑部位(1)围檩、水平支撑主筋的断头位置。围檩主筋坑内侧钢筋断头设在围檩与水平支撑的结点处,坑外侧钢筋断头设在跨中。水平支撑主筋断头,下翼缘断在垂直支撑处,上翼缘断在垂直支撑跨中。(2)水平支撑交结点加腋处理。各支撑交结点作平面加腋处理,加腋尺寸从两支撑边交点沿各边回退300mm的两点连线形成的边线作为加腋边,构造见典型节点图7。4为补充生产线建设4.1办公楼建设阶段的建设顺序主楼施工阶段施工顺序见图8。4.2地下连续墙的施工技术地下连续墙施工工艺见图9。4.3安装护口、管口本工程的钻孔灌注桩是支护结构,共分为二类。第一类是支承钢筋混凝土内支撑的,第二类是主楼挡土围护排桩。各种类型钻孔桩的直径、孔底标高见表1。灌注桩施工采用日产履带式液压钻孔机(干钻机)成孔。由于与地下连续墙同时施工,要求在使用场地上与地下连续墙施工进行流水作业。为保证钻孔灌注桩孔壁的稳定在钻孔桩上口设护口管护口管长6～7m。钢筋笼分两节吊放,钢立柱在地面拼装一次吊放钢筋笼与钢立柱在洞口电焊连接采用人造泥浆护壁保持孔壁稳定,泥浆密度为1.06～1.15。二次清孔采用正循环方式,在清孔效果不理想时,结合反循环方式清孔,立柱桩沉渣控制在100mm以内,排桩沉渣控制在300mm以内。混凝土浇灌中,导管埋入混凝土中要求不小于3m,保证混凝土的密实度和翻浆能力。对于扩孔现象较大的围护排桩,采用外包锦纶布的作法进行施工。4.4工测量及施工缝固定由于本工程钢筋混凝土内支撑纵横交错,错综复杂,有3根、4根多至8根相交,给施工测量带来了一定的难度。实际施工中先用计算机计算出每根支撑交点的坐标,在现场用轴线法和坐标法相结合的方法进行施工测量工作。在支撑施工中,每次土方开挖到各道支撑底,支撑底部用水泥砂浆作底模,支撑侧模用组合小钢模,对拉件用3mm厚铁条制作,支撑交界处用木模拼配。支撑围檩与地下连续墙的连接用32锚固钢筋,采用锥螺纹接驳器连接方法。支撑围檩与钻孔排桩的连接用32钢筋与排桩内的钢格构柱电焊连接锚固。主楼和裙房的第一道支撑是同时施工的,主楼的第二、第三道支撑是先于裙房的第二、第三道支撑施工的。为此,在主楼与裙房的第二、第三道支撑分界处留设临时施工缝,并预留插筋和预埋件。在裙房支撑施工时,凿除钻孔排桩后,将裙房连接钢筋电焊在主楼支撑预埋件上,使主楼与裙房支撑连成整体共同工作。4.5不透水层降水设计根据地质资料提供的承压水头高度以及挖土深度进行验算,坑底不会出现大面积失稳情况,所以本工程不需要降承压水。基础最深处达-19.65m,根据地质资料,坑底的土层渗透系数小,可视为不透水层。此外,又因围护采用了地下连续墙,深度达36m,已有效地截断了内外水的渗透,所以本工程采用了在基坑内设深井泵及轻型井点降水的施工方案。为满足整个基坑各挖土阶段的降水要求,基坑降水采用浅层降水与深层降水相结合的方法。即第一阶段主楼采用深层降水方法,而裙房采用了浅层降水方法;第二阶段裙房不再打设井点降水。浅层降水采用S1轻型井点,深层降水采用SB-2A深井泵。在主楼施工时,为了保证土方边坡及车道边坡的稳定,在裙房区域主楼边坡处及车道处还设了8套轻型井点,这部分轻型井点的施工均在第一次挖土后打设4.6土壤开挖4.6.1第一阶段:第一阶段为+问题为满足主楼施工进度要求,土方工程设计分为两阶段进行。第一阶段为主楼全部及裙房第一层土,土方量为15.5万m3。第二阶段为裙房第二、三、四层土,土方量为15.5万m3。主楼挖土分层见图10。4.6.2分层开挖和压密注浆(1)第一次挖土实挖量为64000m3,开挖区域是主楼和裙房全部。开挖阶段5台挖土机在5个作业面同时开挖,挖至第一道支撑底标高-4.0处;开挖由南向北退,运土车分别由工地上的两个大门进出。挖土工况见图11。(2)第二次挖土实挖量为29000m3,开挖区域是主楼。开挖阶段主楼分3个作业面从东向西同时开挖,挖至二支撑底。另外开挖进入主楼一支撑以下的坡道,坡道斜率为1/10。主楼基坑南、西、北三面及坡道两侧均按45°放坡要求挖土。挖土工况见图12。(3)第三次挖土实挖量为23000m3,开挖时两个作业面同时开挖,挖至三支撑底标高-13.5m。开挖由东向西退车辆全部通过一二级斜道进出此次开挖主楼四周,中部留设中心岛。为保证中心岛不塌方,事先在坡脚进行了压密注浆处理。挖土工况见图13。(4)第四次挖土实挖量为18000m3。这次挖土挖去主楼支撑四周,挖土工况见图14。(5)第五次挖土实挖量为21000m3,挖土按二个作业面在中心岛南北两侧逐级挖出台阶,留出中间道路与栈桥入口相连。台阶最终标高在中心岛面至坑底处的-15.65m。台阶上挖土机可一斗挖到底,使主楼支撑中间的大空间敞开区全部收至-19.65m。工况见图15。本次挖土车辆全部通过栈桥及斜道进出。4.6.3方案二:打空场后的方案(1)中心岛栈桥挖土法的应用在主楼挖土中,为加快挖土进度,须解决挖土机及运输车辆下基坑问题;为不影响支撑施工,挖土栈桥下部必须架空。栈桥的下端与中心岛相连,另一端与第二道支撑连接。栈桥由立柱支承,标高为-7.9～-11.3m。栈桥立柱下端为钻孔灌注桩,上端为钢格构柱,栈桥面为钢筋混凝土框架,框架上再搁置H型钢形成挖土栈桥。土方运输车辆通过一二级斜道和中心岛栈桥进入主楼中部,将土方运出基坑外。在中心岛挖土收底后,挖土机停在中心岛栈桥端部,将最后一部分土方挖出。中心留岛法的技术关键有两条:一是留岛土体的高度应尽可能低,以防止土体自重的垂直力演变成向四周辐射的水平力从而造成基坑变形二是留岛坡度须小于45°,否则难以将坡留住并保持一定的时间。其次,为了确保留岛土体的稳定性,避免塌方,本工程对留岛边坡提前实施了压密注浆。这一技术措施取得了事半功倍的效果,土方始终保持了很高的成形度,对护坡起到了积极的作用。另外,在岛体约1/2高度处,留出一圈4m宽的台阶,使中心岛的纵截面形成阶梯状,这样处理的结果解决了施工中挖土机停置平面的问题,对护坡的作用也是十分明显的。(2)二级斜道的应用坑内斜道分一级斜道和二级斜道两部分,一级斜道是指基坑顶面到第一道支撑面的斜道,二级斜道是指从第一道支撑面到第二道支撑面的斜道。由于主楼第二次挖土到第五次挖土均要使用这两条斜道,且主楼地下室施工也需使用这两条斜道,运输车辆行走频繁,所以采用了钢筋混凝土现浇路面。一级斜道在主楼和裙房第一道支撑施工完毕后,用垫土夯实的方法,形成1∶10的坡度,上浇8m宽,厚0.25m的混凝土,坡道内配构造双向钢筋。二级斜道在主楼第二次挖土中直接由挖土形成,上浇钢筋混凝土路面。由于主楼的施工中有了这条从基坑顶到基坑中部的道路,大大加快了施工进度。(3)坑内栈桥和停机平台的应用为了满足主楼和裙房的施工,在基坑内设置2台60t·m行走塔吊。为此在支撑设计中,根据塔吊路轨间距为5m的要求,将支撑系统中主楼南北两侧跨中支撑间距设为5m,使塔吊路轨直接安装在支撑上使用。为加快裙房的施工进度,解决坑内大面积挖土的难题,在挖土机不可能进入基坑底部的情况下,只能用抓斗挖土,为此须增加挖土点和运输道路,减少坑内小挖机的驳土距离。所以在基坑内第一道支撑上,在南区和北区各设计了一条土方运输道路(图16)。运输道路由进出基坑的斜向栈桥和水平道路组成,栈桥和道路均为现浇钢筋混凝土结构,其施工制作在裙房第二次挖土结束后进行。此时2台60t·m行走塔吊固定在基坑西端使用,在坑内运输道路边有固定的挖土点,运输车辆进入基坑后,挖出的土方可直接运出。在裙房地下室结构施工中,这2条道路是材料进出的主干道,所以坑内运输道路的设置为裙房施工顺利进行创造了很好的条件。为了进一步做到就近装车,并使挖土机设备不占用车道裙房开挖时沿基坑四周和基坑中间条车行栈桥边设置了若干停机平台,使机、车配合,既相互分工,又互不干涉,大大方便了挖土的进行。停机平台按用途、支撑方法分为A、B、C三种类型:A型为平台下采用钢管支撑来承受机械工作荷载;B型为采用钢筋混凝土的强度来承受机械工作荷载;C型是除满足A型要求外,还承担50t汽车吊吊运坑内0.4m3挖机的工作平台。图17为坑内栈桥和停机平台的平面图。地下连续墙帽梁按正常施工顺序应与地下室顶板一起浇捣,但由于本工程基础占地面积很大,基坑四周没有足够宽的运输道路,为解决这个问题,我们采用了地下连续墙帽梁先期施工的方法,即在裙房第二次挖土前,将帽梁施工完毕,然后再浇捣基坑四周的道路,其标高同帽梁顶标高。由于地下墙宽1m,加上外挑1m,所以道路共加宽了2m,满足了裙房施工的需要。5支撑系统和辅助设备的拆除5.1跨空场锚点确立(1)主楼基础底板施工完毕后,在养护期间用人工方法凿除中心岛栈桥。(2)基坑二级斜道在裙房第二次挖土中,用空压机凿除。(3)基坑一级斜道在裙房第二次挖土收尾时,用空压机凿除。(4)在裙房基础底板施工完毕,并达到一定强度后,用爆破的方法拆除主楼和裙房的第三道支撑。(5)在裙房地下三层楼板施工完毕(与第二道支撑相碰的部分后做),且置换支撑和楼板达到一定强度后,用爆破的方法拆除主楼和裙房的第二道支撑。(6)凿除所有停机平台和局部与结构柱相碰的第一道支撑。(7)部分±0.00层施工完毕,用机械凿除所有斜向栈桥。(8)完成±0.00层楼板后,用爆破的方法拆除主楼和裙房第一道支撑。(9)置换支撑在裙房地下三层后浇楼板施工完毕,并达一定强度后,用爆破方法拆除。5.2内部钢筋混凝土支撑爆炸方案5.2.1清理留孔前留孔钢筋混凝土支撑施工时预埋纸制爆破孔。在爆破前对留孔进行清理,并按计算放置一定的药量。爆破时,采用延时起爆,一次起爆药量不超过15kg,保证不影响附近居民及设施的安全。5.2.2爆破预裂孔爆破地下连续墙既是结构墙体,又作为围护墙体,因而在爆破时,要确保连续墙不因爆破而产生裂缝或内伤。为确保连续墙体的安全,爆破作业时,在爆体和连续墙之间先实施预裂爆破,预裂孔爆破后所形成的预裂缝把要求保护的连续墙和爆体分为两个相对独立的部分,从而减小爆破时振动对墙体的影响。预裂孔爆破采用隔孔装药,药量为正常破碎孔的40%～50%,爆破时采用2号岩石硝铵炸药。5.2.3爆破防护施工每道支撑爆破为1期,每期根据支撑的分布共分五区分别进行爆破施工,为控制飞石,在每道爆破的支撑上覆盖1层草包,再在上层用搭竹笆封闭的方法进行防护,每区的爆破作业顺序是:支撑梁及围檩结合部的预裂爆破→支撑梁的爆破拆除→围檩的爆破拆除。6地下连续墙与钻孔灌注桩、钢筋混凝土桁架支撑设计方案(1)为解决超大基坑基础施工的工期问题,在基坑内采用临时钻孔灌注桩围护主楼区域,使主楼先期施工为一种合理的围护设计安排。这样安排同时为运输车辆下基坑创造了条件也加快了施工进度(2)主楼中心岛挖土方案是成功的。在考虑中心岛方案时,应认真研究中心岛土层的物理性质,在上海地区应尽量避免在淤泥质粉质粘土层设中心岛,否则应对该土层进行加固。进入中心岛的道路宜设架空栈桥,以减少运输车辆对中心岛土体的扰动。(3)在裙房挖土施工中未打设深层降水井点,所挖土层成形度也较高。这主要是因为采用了二墙合一的地下连续墙,有效阻止了基坑外地下水的进入;采用多点栈桥式挖土方案对土层扰动很小,土层中的