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_上海中心_圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制.pdf

_上海中心_圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制

flysteed
2013-04-07 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《_上海中心_圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制pdf》,可适用于经济金融领域

第卷增刊岩土工程学报VolSupp年月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringJuly“上海中心”圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制贾坚谢小林翟杰群刘传平张羽(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司上海)摘要:针对“上海中心大厦”塔楼区圆形基坑直径超大、开挖深度超深的特点采取明挖顺作塔楼区基坑塔楼区基坑设计采用了外径为m(内径为m)的大直径无内支撑圆形基坑。对其开挖实施的安全稳定进行分析并在设计中采取相应的措施予以控制。通过信息化监测、监控和动态设计以及精心施工保证了软土地区超深超大明挖顺作圆形基坑的安全稳定和顺利实施。其设计分析和研究可为软土地区同类工程提供借鉴和参考。关键词:上海中心深大圆形基坑明挖顺作安全稳定控制中图分类号:TU文献标识码:A文章编号:–()S––作者简介:贾坚(–)男博士教授级高级工程师主要从事软土基坑卸载变形控制的设计咨询研究工作。Email:jiajiantongjieducom。SafetyandstabilitycontrolofcircularfoundationpitofShanghaiTowerJIAJian,XIEXiaolin,ZHAIJiequnLIUChuanpingZHANGYu(ArchitecturalDesignResearchInstituteofTongjiUniversity(Group)Co,Ltd,Shanghai,China)Abstract:WithregardtothecharacteristicsoflargediameterandexcavationdepthofthecircularfoundationpitinthetowerareaofShanghaiTower,theopenexcavationofbasementsinthetowerareaandthetopdownmethodinthepodiumareaareemployedMoreover,acylindershapeddiaphragmwiththeouterdiameterofm,mthickandminheightequippedwithringbeamsisadoptedasalateralretainingstructureforthebasementexcavationtheintowerareaThisschemeprovidesafasterprogrambymeansofnoextralateralsupportingstrutinstallationanddemolitionduringexcavationandbasementconstructionInviewoftheprojectscale(excavationdepthandexcavationarea),designdifficulty(excavationinsoftclay,openexcavationwithcylindershapeddiaphragmwithoutlateralsupportingstrut),itisthefirstprojectinChinamainlandCombinedwiththedesignandconstruction,theanalysisandcontrolofsafetyandstabilityofthecircularfoundationpitofShanghaiToweraresummarized,anditalsointendstoprovideareferenceforsimilarprojectsKeywords:ShanghaiTowerdeepandlargecircularfoundationpitopenexcavationmethodsafetyandstabilitycontrol引言“上海中心大厦”项目位于上海市浦东陆家嘴金融中心区工程塔楼建筑高度为m是目前中国国内在建的第一高楼。由于塔楼超高塔楼施工工期是本工程进度控制的关键节点为确保其塔楼尽早施工和封顶多方案比选后采用了塔楼区顺作裙房区逆作的实施方案作为本项目基坑围护设计的总体方案。“上海中心大厦”通过塔楼区圆形围护明挖顺作和裙房区逆作的基坑工程方案总体设计和实施筹划可满足“上海中心大厦”的工程建设需要。塔楼区基坑采用圆形围护设计可充分发挥圆筒形围护结构的“圆桶”效应和受力特性。圆形基坑采用圆筒形无内支撑围护结构型式近年来在很多工程中得到了一定的应用。但“上海中心”塔楼区圆形基坑直径超大、开挖深度超深加之在上海软土地层中明挖实施就其基坑开挖特点和规模及实施难度而言在国内尚属首例。笔者对“上海中心大厦”超大、超深圆形基坑明挖顺作的方案总体设计、基坑的安全稳定实施过程中保证基坑开挖安全稳定的控制措施等进行研究和探讨。基坑方案总体设计工程概况“上海中心大厦”项目位于上海浦东新区陆家嘴金融中心区场地北侧为花园石桥路与金茂大厦相邻西侧为银城中路南侧为陆家嘴环路东侧为东泰路与“环球金融中心”相邻。拟建主楼可使用最───────收稿日期:––增刊贾坚等“上海中心”圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制高楼层为层结构高度m塔楼建筑顶高度为m。本项目基坑总面积约m基地呈四边形边长约m共设层地下室塔楼区基坑开挖深度为m局部m裙房区基坑开挖深度为m。工程效果图见图场地鸟瞰图见图。图上海中心大厦效果图FigProspectiveviewofShanghaiTower图场地鸟瞰图FigBird’seyeviewofthesite图土层分布剖面图FigSectionofdistributionofsoillayers工程地质条件上海位于长江三角洲入海口东南前缘属三角洲冲积平原。地质土层主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成一般具有成层分布特点。本工程场地内除缺失⑧层土外其余各土层均有分布。深度m以上分布以粉质黏土为主的软土层具有高含水率、高孔隙比、高灵敏度、低强度、高压缩性等不良地质特点。场地内浅层地下水属潜水类型水位埋深一般为地表下~m。场地地表以下m处分布⑦层砂性土为第一承压含水层⑨层砂性土为第二承压含水层第⑦层与第⑨层承压水相互连通水量补给丰富。场地土层主要物理力学指标见表土层分布剖面图见图。表土层主要物理力学参数TablePhysicalandmechanicalparametersofsoils固快峰值渗透系数(cm·s)序号γ(kN·m)ckPaϕ(°)K水平竖向②××③××④××⑤a××⑤b××⑥××⑦××⑦××⑦××⑨××基坑工程特点“上海中心大厦”项目因其塔楼超高(建筑高度达m)塔楼施工工期是本工程进度控制的关键需确保其塔楼的尽早施工和封顶同时工程地处陆家嘴金融中心区周边紧邻主要城市道路需考虑基坑开挖施工期间的施工场地问题以及周边环境保护问题。上述工程特点决定了本工程基坑围护方案设计时需充分考虑确保塔楼工期节点、解决施工场地紧张、保护周边环境方面因素。基坑方案总体设计针对本工程的基坑特点和要求在基坑方案总体设计过程中研究比选了以下种设计方案:①整体顺作方案②整体逆作方案③塔楼区顺作裙房区顺作方案④塔楼区顺作裙房区逆作方案。上述方案虽然在技术上均具可行性但经过综合比选后确定“上海中心大厦”基坑工程采用塔楼区顺作裙房区逆作方案(方案④)该方案将基坑分为塔楼区与裙房区个分区基坑。首先明挖顺作施工塔楼区基坑。为加快塔楼区施工速度结合塔楼承台为正多边形的工程特点将塔楼基坑设计为外径m(内径m)的大直径无内支撑圆形基坑。塔楼结构出±后再逆作施工裙房区基坑。采用塔楼区圆形围护基坑明挖顺作裙房区逆作方案(方案④)具有以下优点:()塔楼区可先行施工从而加快塔楼的施工进程。岩土工程学报年()可充分利用圆筒形围护结构的“圆桶”效应将作用在地下墙围护结构上的水土压力转换为地墙及环箍的轴向压力。塔楼区采用圆形基坑不设内支撑提高了塔楼区开挖施工速度同时塔楼区回筑时不涉及内支撑拆除进一步提高了塔楼的施工速度。()基坑分区施工后塔楼顺作开挖时可利用裙房区域作为施工场地解决了塔楼区基坑开挖的施工场地不足问题。()裙房区基坑逆作施工可利用地下室顶板作为施工场地解决了裙房区基坑开挖期间施工场地不足的问题。()裙房区基坑采用逆作法施工利用结构梁板兼作支撑节省了临时支撑体系的工程量以及支撑拆除工程量。()大刚度的结构梁板体系作为基坑的支撑有利于控制基坑围护结构的变形从而较好的保护周边环境。()裙房逆作可减少施工噪音、扬尘等避免支撑拆除爆破充分贯彻了绿色建造技术的要求。塔楼区圆形基坑直径达m开挖深度达m采用明挖顺作施工。在上海饱和软土地区如何保证超深、超大圆形基坑明挖顺作的安全稳定目前还缺少成熟经验从设计、计算到各项分步施工实施都有诸多问题需深入研究和分析。圆形基坑明挖顺作安全稳定分析如何保证“上海中心大厦”塔楼区超深、超大圆形基坑明挖顺作的安全稳定需要对上海饱和软土地区圆形基坑的受力特点、变形稳定的控制要点、设计及计算方法等进行研究和分析。圆形基坑的受力特点圆形基坑采用圆筒形围护结构型式近年来在国内外的工程建设中得到了一定的应用表为目前国内外部分圆形深大基坑的应用情况。从以上工程案例可知圆形基坑可充分发挥围护结构的“圆桶”效应将作用在地墙上的水土压力转换为地墙及环箍的轴向压力。从而充分利用混凝土的高抗压能力抵抗基坑的水土围压满足基坑的安全稳定并达到减少支撑工程量、快捷挖土、降低工程造价的目的。加之受“圆桶”的空间影响作用在圆形基坑上的土压也有一定的折减。另外也因“圆桶”的空间效应圆形基坑较小的地墙插入比也可达到较高的坑底土体抗隆起稳定。由此可见大直径圆形基坑采用圆筒形无内支撑围护结构具有较好的经济性、安全性和工程可实施性。圆形围护设计计算方法圆形基坑开挖过程中在基坑水土压力的围压作用下围护结构同时存在环向的受压和竖向的受弯状态。对于“上海中心大厦”塔楼区超大超深圆形基坑笔者在设计时分别按考虑拱效应的平面弹性地基梁“m”法和三维弹性地基板“m”法进行了计算分析并对两种分析方法和计算结果进行比较经综合后用于“上海中心大厦”塔楼圆形基坑的设计。基坑工程设计中对于围护结构的受力分析常规均采用平面竖向弹性地基梁“m”法进行计算。而对于圆形基坑中的地连墙围护结构如采用常规的平面竖向弹性地基梁“m”法分析把地墙简单的按竖向受弯构件分析地墙的变形与受力忽略其环向拱的受力状态则计算结果不够合理。因此分析圆形基坑时需对传统的平面弹性地基梁“m”法进行修正。此外在圆形深大基坑工程中还常采用三维弹性地基板法分析计算地墙的变形和受力。该方法通过建立三维模型可以考虑圆形基坑的环向拱受力特点另一方面该方法由竖向弹性地基梁法推导而来计算原理简单明确。但是设计参数的取值还需与工程实测结合使其计算结果更加准确表国内外部分圆形深大基坑围护结构型式的应用情况TableApplicationoflargecircularretainingstructuresfordeepfoundationpits项目直径m开挖深度m地墙厚度m地墙深度m插入比环箍道数开挖方式上海中心大厦(外径)道明挖顺作环球金融中心(外径)~道明挖顺作kv世博地下变电站(外径)逆作法施工(层楼板道环箍道环形桁架支撑)逆作法香港国际金融中心二期(IFC)(内径)地墙嵌入基岩m道明挖顺作东京新丰洲kV地下变电站(内径)(含内衬)明挖顺作增刊贾坚等“上海中心”圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制并在相应计算中需与考虑拱效应的平面弹性地基梁“m”法的计算结果进行对比分析综合使设计分析更趋合理。图围护结构剖面图FigSectionofretainingstructures图地下连续墙变形计算结果FigCalculatedresultsofdiaphragmwalldisplacement圆形基坑的安全稳定分析针对本工程特点笔者从以下个方面对塔楼区圆形基坑明挖顺作的安全稳定进行分析和控制。()内力和变形分别应用考虑拱效应的平面弹性地基梁“m”法以及三维弹性地基板“m”法建立起相应的计算模型。通过对圆形围护结构的内力及变形大量计算分析及对比从而最终确定安全合理的地墙厚度及环箍道数和尺寸等设计数据。围护结构采用m厚m深地连墙内设道环箍围护结构设计剖面如图所示。采用考虑拱效应的平面弹性地基梁“m”法计算的地墙变形结果见图。采用三维弹性地基板“m”法计算的地墙变形结果见图。图均匀围压下地下连续墙变形位移图(单位:m)FigDisplacementofdiaphragmwallsunderuniformpressure()坑底抗隆起通过圆形基坑坑底抗隆起验算并参考同地区超深基坑的工程实例确定安全合理的地墙插入深度。本工程塔楼区圆形基坑最终设计确定的地墙深度为m基坑开挖深度m插入比为坑底抗隆起安全系数为。图不均匀围压下地下连续墙变形位移(单位:m)FigDisplacementofdiaphragmwallsundernonuniformpressure()基坑围压的不均匀对于圆形基坑受力的均匀性和对称性对围护结构内力将产生较大影响。为达到受力的均匀对称需要控制围护结构的真圆度和土方开挖的均衡以及圆形围护周边的施工荷载。对于围护结构真圆度和基坑开岩土工程学报年挖的均匀对称可以通过一定的设计及施工措施来控制。对于周边施工荷载及产生的基坑水土围压可能的不均匀本工程在安全稳定分析时设计计算中按双向土体内摩擦角相差±°进行了模拟分析计算结果见图。()抗承压水本场地初始承压水头埋深为地表下m。通过工程前期进行的承压水抽水试验以及对基坑开挖面的稳定性计算当基坑挖深m后就需进行降低承压水压力。而塔楼区基坑开挖深度达m加之局部深坑开挖深度达m因此如何降承压水以保证基坑开挖的安全避免基坑开挖承压水突涌破坏又要减少大量抽取承压水所带来对周边环境的影响成为本基坑工程的重要问题。经计算分析设计考虑了分级按需降承压水具体控制要求。控制安全稳定的设计要点及措施对于无内支撑圆形基坑安全实施的关键在于地下墙及环箍的定位准确以满足真圆度要求同时各幅地墙间应紧贴接触、可靠传力基坑开挖应分层、对称、均衡卸载以充分发挥圆形基坑的“圆桶”空间效应将水土围压充分转化为圆形围护结构的轴向力确保塔楼基坑地墙整体均衡受力和开挖的安全稳定。鉴于以上考虑设计与施工密切结合提出了以下设计方面控制要求及措施。()塔楼基坑地墙的分幅控制措施为提高地下墙拼接后圆形结构的真圆度以及地墙接口平接受力因此设计采用内接正多边形槽幅。每幅地墙均为折线型并合理安排地墙转折点位置以使地墙分幅处为平接头可靠传力详见图。图地墙标准幅段划分FigSectorcontrolofdiaphragmwalls()塔楼基坑地墙的接头构造措施为保证地墙及接头的施工质量和减少围护结构的渗漏水在锁口管钢筋笼端部设置V形薄钢板并在钢筋笼外包止浆帆布以降低锁口管的起拔难度并防止混凝土绕流现象。同时在本工程地墙施工中部分地墙采用了套铣接头以提高围护结构整体性进一步确保圆形基坑地墙间的轴力有效传递以充分发挥圆拱结构的受力优点。本工程的套铣接头应用在上海地下工程中也是首例详见图。图套铣成槽幅段划分FigSectorofdiaphragmwallswithoverlapcuterjoint()塔楼基坑地墙及环箍的施工精度要求为确保塔楼区基坑的真圆度和基坑受力均衡以每幅地墙外侧转折点到圆心的距离为量测控制值对相邻两幅地墙的半径控制值偏差、最大半径与最小半径之差、每道环箍的水平平整度误差等提出了相应控制标准。()土方开挖要求针对上海地区软土的“时空效应”特点为保证圆形基坑受力均衡和稳定以及控制变形。开挖及环箍施工遵循分层、分块、对称、平衡、限时的总原则具体措施如下:①塔楼基坑开挖采用岛式挖土首先均衡、对称、放坡开挖环边土体基坑中部岛式留土形成坑内压载提高坑内土体抗力待环箍形成后再挖除岛式留土控制基坑变形②邻近地墙的土方对称、均衡、分块开挖并及时形成环箍以减少基坑无环箍暴露时间控制圆形围护的对称受力、均衡、稳定及变形。为便于开挖作业结合场地出土安排在圆形基坑内设置了个挖土平台岛式开挖及挖土平台布置详见图。图岛式挖土平面示意图FigPlanofislandexcavation图岛式挖土剖面示意图FigSectionofislandexcavation增刊贾坚等“上海中心”圆形基坑明挖顺作的安全稳定和控制降承压水控制为满足本工程塔楼区基坑开挖抗承压水的稳定安全同时为保护周边环境减小降承压水引起的周边沉降。开挖过程中严格执行按需降水根据现场开挖情况及观测井实测水头高度分别按需开启降压井及时调整出水量。深坑底板及大底板浇筑完成后及时按需关闭降压井抬高承压水位。工程实施的过程控制及分析信息化监测、监控和动态设计本基坑工程规模大、难度高、周边环境复杂、保护要求高。为保证基坑开挖的安全稳定需在基坑施工全过程跟踪施工活动。对基坑本身的安全稳定及坑周地层变形道路设施、地下管线和周边建筑等保护对象的变形及受力情况进行实时监测。对内力和变形及变形速率设置报警值并将监测数据及时与计算预测值相比较及时调整和优化下一步的施工参数。因此在“上海中心”塔楼区基坑中布置了信息化施工的监测、监控措施。具体监测内容包括围护结构测斜围护结构墙顶位移、沉降土体测斜坑内土体回弹立柱隆沉立柱桩桩身应力坑外土体分层沉降坑外地表沉降地墙竖向应力(包括混凝土应力及钢筋应力)地墙环向应力(包括混凝土应力及钢筋应力)环形支撑环向应力(包括混凝土应力及钢筋应力)坑外潜水水位坑外承压水位坑内潜水水位坑内承压水位墙侧水压力和墙侧土压力。通过这些监测实时掌握和监控基坑围护的变形、内力及周边环境变化情况进行信息化施工和动态设计保证基坑稳定和周边环境的安全。同时为确保监测数据及时反馈实时掌握现场情况在本工程中还建立了远程信息化监测监控平台使工程有关方可通过网络现场视频实时了解现场施工状态利用平台程序对监测数据进行历史发展分析和各类对比以及三维动态演示施工状态。实施过程中的控制要求基坑开挖过程中在每层土方开挖前设计与施工密切配合、现场交底。对上一层土方开挖情况变形及内力发展情况进行小结并在此基础上确定下一层土方开挖及环箍施工的详细方案及控制目标。在岛式挖土的指导原则下细化每层土方的环边土分块、对称、限时开挖计划确定详细的每日出土量、环边土方开挖完成时间节点、环箍形成时间节点中部岛式土方开挖时间节点等。通过科学严格的管理和分阶段控制塔楼圆形基坑每层环边土方开挖至环箍形成可控制在d左右完成。快速高效的挖土及环箍形成缩短了基坑无环箍暴露时间为基坑安全稳定和变形控制起到了重要作用。实施过程中的内力监控及反分析基坑围护结构变形监测设备及手段已较成熟监测数据较为准确。但由于本基坑为圆形基坑地下墙受力状态复杂围护结构的内力(应力)监测和监控对基坑开挖的安全稳定尤为重要。由于监测手段的局限性及钢筋混凝土结构复杂受力状态通常会引起内力监测数据的离散和偏差。所以为更准确的掌握本工程围护结构的内力发展情况在基坑开挖过程中根据围护结构变形和内力监测数据阶段性的对圆形围护内力情况进行反分析。将实测变形数据作为已知目标结果调整三维有限元模型的计算参数反算围护结构内力并进行对比分析从而提高了信息化监测、监控的精确度控制基坑安全。图为第三层土方开挖完成后根据地墙变形监测结果进行反分析得到的内力反分析结果反分析结果与计算值基本相符。图地墙环向轴力反分析计算结果(单位:N)FigBackanalysisofaxisforceofdiaphragmwalls工程实测变形及分析图为P号地墙侧向变形监测孔在各层土方开挖完成时的变形曲线基坑开挖完成时该孔位侧向变形最大值为mm本工程塔楼区圆形基坑共布置了个地墙侧向变形监测孔至年月日基坑开挖完成时各孔位地墙侧向最大变形数据的平均值为mm。从图可得出以下变形发展规律和特征:①第二、三层土方开挖时地墙侧向变形发展较大后续开挖阶段地墙侧向变形发展趋势减小②地墙侧向变形最大值出现在约m深度位置基本上位于基坑总开挖深度的一半处这与大部分基坑围护侧向变形最大值出现在坑底深度附近有所不同。结合本工程特点及以往工程实践经验进行分析可知上述侧向变形发展特征主要与上海陆家嘴地区的地质土层特点相关陆家嘴地区土层分布有较厚的⑥、⑦、⑦层土且缺失土性相对较软弱的⑧层土⑥、⑦层土体cϕ值高、土性较硬可对插入其中的围护结构起到良好的嵌固作用。从而明显的限制了地墙嵌入部分的变形发展。对比分析“新鸿基陆家嘴X地块工程(国金中心)”(位于本工程西北角与本工程邻近)的基坑设计X地块围护结构的实测侧向变岩土工程学报年形发展趋势及规律与本工程也很相似。因此在进行深基坑围护设计时应充分考虑场地的地质特点。对基坑下部土质较好的地区应优化围护结构的插入比以控制造价。“上海中心”塔楼区开挖深度m局部开挖m地墙深度m插入比仅为在上海同类工程中有一定的先进性工程经济性良好。图P测点地墙侧向变形发展情况FigDisplacementofdiaphragmwallsofP图P测点地墙不同深度侧向变形发展速率FigDisplacementdevelopmentspeedofdiaphragmwallsofP图为P测点地墙不同深度侧向变形随开挖的变形发展速率。从图可看出每层环边土体开挖及环箍浇筑阶段其对应的地墙侧向变形发展速率较快地墙变形明显发展随着环箍浇筑完成并养护达到一定强度参与地墙共同受力后变形发展速率明显变平缓。本工程针对上海软土“时空效应”特点基坑采用岛式开挖分层、分块、对称、均衡开挖并严格控制环边土体的开挖时间及环箍形成时间从而减少了基坑无环箍暴露时间保证了基坑开挖的安全稳定和变形的控制。“上海中心”塔楼区超深、超大明挖顺作圆形基坑于年月日顺利完成开挖图为基坑开挖至坑底时的现场照片。图现场照片FigSitephoto结语本文针对“上海中心大厦”塔楼区圆形基坑明挖顺作的设计及实施对其开挖实施的安全稳定进行分析并在设计中采取相应的措施予以控制。通过信息化监测、监控和动态设计以及精心施工保证了软土地区超深超大明挖顺作圆形基坑的安全稳定和顺利实施。本文的设计分析和研究可为软土地区同类工程提供借鉴和参考。参考文献:中交第一航务工程勘察设计院JTJ港口工程地下连续墙结构设计与施工规程M北京:人民交通出版社,(CCCCFirstHarbourConsultantsCoLTDJTJDesignandconstructiontechnicalcodefordiaphragmwallstructureofportengineeringMBeijing:ChinaCommunicationsPress,(inChinese))沈健,王建华,高绍武基于“m”法的深基坑围护结构三维分析方法J地下空间与工程学报,():–(SHENJian,WANGJianhua,GAOShaowuDanalysismethodofretainingstructureofdeepexcavationbasedon“m”methodJChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,,():–(inChinese))(本文责编胡海霞)

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