已有旧3层地下室底板埋深15m,原有基坑支护结构紧邻红线,残存支护桩和局部锚索,需拆除原有建成地下室,改造原有基坑支护结构改造并加深5m,为复杂旧基坑加深改造支护工程提供案例借鉴。
1工程概况
原设计旧地下室为3层,基坑支护已施工完成,地面以上主体结构一直未施工,地下室已建成近 15年。
原基坑开挖深度13~16m,采用桩撑支护,支撑采用钢管支撑(钢管支撑已拆除),支护桩采用1.2m人工挖孔桩,桩顶比地面低2~4m,西侧支护桩间距为1.8m,桩长约19.3m,嵌固深度9m,一排?23@1.8m的锚索残存,桩后有一排三重管旋喷桩,桩端标高为原基坑底;东南北3侧支护桩桩间距为2.0m,桩长约17.3m,嵌固深度6.5m,无止水帷幕。
建设单位重新规划设计此场地,新建大厦场地占地面积约5300m 2 ,主楼30~31层,设4~5层地下室,框剪结构。基础桩采用钻(冲)孔桩。基坑支护周长约293m,面积5096m 2 ,深度17.0~21m,为超深基坑。原地下3层结构需拆除,并增加一层地下室,基坑深度加深4~5m,由原来的13~16m加深为17~21m。基坑加深后,西侧老支护桩嵌固深度4m,北侧嵌固深度2.5m,南侧和东侧嵌固1.5m。
该场地位于市中心区,基坑周边环境复杂,北侧为城市主干道,下有地铁穿过,埋深15m,地铁离基坑最近距离为20m,在地铁安保区管辖范围内。
东侧为次路,下有给水、雨水、污水等管线,次路往东为河道,河道深约6m,离基坑距离约22m。
南侧为高层建筑,有地下2层,桩基础,与基坑之间的位置4~5m宽,为人行道兼消防道路,下有小区管线。
西侧为已建30年的多层民宅,独立基础,距离基坑7m左右,地面比大厦正负零高4m,红线处为一个4m高的毛石挡墙,局部墙体已经开裂,墙底即为已施工旋喷桩顶部,存在安全风险。基坑安全等级和周边环境风险均为一级。
2地质概况
2.1?地层土层
根据地质勘察报告,地下土质条件从上至下为素填土、淤泥、粘土、粗砾砂混粘性土、卵砾石混粘性土、花岗片麻岩强风化带、花岗片麻岩中等风化带、花岗片麻岩微风化带。
2.2?地下水
稳定水位6.71?~5.10m。场地地下水属孔隙潜水和基岩裂隙水,前者赋存于第四系冲洪积层粗砾砂混粘性土及卵砾石混粘性土中,后者赋存于花岗片麻岩的强、中等风化带裂隙中,主要接受大气降水和新洲河的补给。
3基坑加深总体设计方案
3.1?基坑加深改造的难点
工程位于市中心区,环境风险高,基坑加深改造的技术难点主要体现在以下几个方面。(1)项目年代已久,老支护桩和旧锚索质量和可利用程度存在不确定性。(2)北侧地铁隧道变形控制应小于5mm,对支护结构要求高。(3)基坑东侧有河道,存在较大渗漏的风险。(4)基坑西侧为独立基础民房,且存在一个已经开裂的毛石挡墙,风险很大。(5)周边管线众多,有给水、雨水、污水等老旧管线,存在破损的风险。(6)南侧小区已经将围墙设置到本工程的红线内,并压到支护桩顶部,如何支护是一大难点。(7)支护桩的嵌固深度为1.5~3.5m,不满足规范规定的最小要求,存在踢脚风险。(8)止水帷幕设置,确保基坑不渗水。
3.2?老支护结构的检测
(1)旧桩施工时间已达16年,根据设计要求施工单位委托检测单位,随机抽取3根桩进行桩长和混凝土抗压强度检测,3根桩桩长与旧桩竣工图纸相符,但其中2根桩的混凝土抗压强度为C30,另一根为C20,可以考虑使用。
(2)旧基坑只有西侧有止水帷幕,且在挡墙底部,无法检测。
(3)旧锚索埋入了旧基坑里面,无法检测。
根据检测结构,支护桩考虑使用,不考虑使用旧锚索,止水帷幕需要大幅度加强。
3.3?设计方案与选型
通常基坑支护结构分3大类:水平支挡构件、竖向支挡构件和止水帷幕,分析如下。
(1)水平支挡构件:考虑到本基坑四周环境复杂,周边有地下室、有独基房屋、有地铁、有城市主干道,有管线,有河道,不能采用锚索方案,故只能采用水平内支撑支护结构。
(2)竖向挡土构件:基坑四周已有一圈老的钢筋混凝土支护桩,离老地下室外墙约1.5m,离新地下室外墙0.5~1.0m,新地下室外墙与旧桩之间无新支护桩施工空间,旧桩紧邻用地红线,支护桩不能占用红线外场地,故只能在旧桩位置施工原支护桩或利用旧桩。旧桩加冠梁最长约20.3m,几乎无可能将旧桩打掉,故继续使用旧桩。
(3)止水帷幕:可选择的余地不大,已有支护桩,空间狭窄,不能采用三轴搅拌桩和咬合桩;仅西部的旧支护结构采用了桩后三重管旋喷桩止水帷幕,旋喷桩施工灵活,需要的施工空间小,且可以引孔,可以考虑在桩后或桩间加旋喷桩作为新的止水帷幕。
3.4?支护结构最终方案
(1)水平支护构件:采用钢筋混凝土格构式对撑加角撑,坑深17~21m,3道支撑即可满足稳定和强度要求,但项目局部支护桩嵌固只有1.5m,因此为加强支护桩的稳定性,设置4道支撑,如图1所示。
图1?基坑支护总平面示意
(2)竖向挡土构件采用旧桩为竖向挡土 构件。
(3)止水帷幕:地铁侧采用桩间和桩后双层止水帷幕;西侧原桩后已有1层止水帷幕,在桩间增加1层止水帷幕,东侧和南侧在桩间增加1层止水帷幕。
3.5?支护结构设计尺寸
基坑西侧深度约21m,原有支护桩直径1.2m间距1.8m,支护桩嵌固新的基坑底3.5m,设置4层内支撑,支撑净间距最大仅3.5m,桩顶冠梁外侧以上有4.2m高的毛石挡墙,采用混凝土面板加固,原桩后已经有1排旋喷桩止水帷幕,在桩间增加1排三重管旋喷桩止水帷幕同旧桩深度,如图2所示。
图2?基坑支护典型截面示意1
基坑东侧、南侧、北侧深度约18m,原有支护桩直径1.2m间距2.0m支护桩嵌固新的1.5m基坑。支撑设置同基坑西侧,在桩间和桩后增加2排三重管旋喷桩止水帷幕入坑底3.5m,如图3所示。
图3?基坑支护典型截面示意2
3.6?计算结果
原支护桩迎土侧配筋为11根HRB33525的钢筋,临空侧配筋为18根HRB33525的钢筋,计算内容为旧桩配筋(前提条件)、在支撑层数为4层的情况下,按弹性法计算基坑西侧迎土侧最大弯矩为648kN·m,配筋2775mm 2 (HRB33525),按弹性法计算基坑西侧迎土侧最大弯矩为648kN·m,配筋2775mm 2 (HRB33525),旧桩实配5397mm 2 ,临空侧最大弯矩为5396kN·m,临空需配 筋8780mm 2 (HRB33525),旧桩实配8838mm 2 ,旧桩临空侧配筋刚好满足规范要求。剪力最大值为681.9kN,需配筋1073mm 2 ,旧桩配筋503mm 2 ,不满足要求。
整体稳定性、抗倾覆验算、抗隆起结果:当支护桩嵌固深度1.5m时,整体稳定安全系数 k s =2.0>1.3,抗倾覆最小安全 k s =5.6>1.2,抗隆起验算 k s =1.72<1.8,以上安全系数除了抗隆起安全系数稍小于规范要求外,其余的均满足规范要求。
3.7?支护桩嵌固深度分析
根据JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》,对于多支点支挡式结构,挡土构件的嵌固深度不宜小于0.2倍基坑深度。按规范要求工程支护桩的嵌固深度应不小于4m,实际基坑最少的嵌固深度只有1.5m,因此小于4m,同时按规范计算验证的抗隆起安全系数一级基坑应大于1.8,基坑计算安全系数1.72,略小于1.8。
事实上在支护桩嵌固深度满足规范要求的情况下,基坑应设置3道内支撑以满足稳定性要求。由于支护桩的嵌固深度只有1.5m,为了确保基坑的稳定性,应增加一道支撑即设置4道支撑。也就是说在基坑嵌固深度不满足规范的要求的情况下,可在基坑下部采用加撑方式解决基坑稳定性。
3.8?设计方案的特点和优点
(1)造价节省约500万元:利用原围护桩作为竖向支护结构,无需再施工新的围护桩,造价约节省500万元。
(2)节约工期约2个月:如新做的围护桩,只能采用冲孔桩,冲孔桩的施工工期至少需要2个月。
(3)最大化扩大了地下室空间:由于无需新建围护桩,故新地下室基本可与老地下室面积相当。
(4)对周边环境保护较好:格构式对撑,稳定性强、变形小,能较好地保护周边建筑物、地铁及道路。
4?有限元分析
基坑开挖过程模拟一共分为5个荷载步骤,各个荷载步骤的荷载变化情况如图4、图5所示。
图4?开挖完成计算模型
图5?基坑围护结构模型
步骤1:初始荷载步骤,计算基坑初始应力场,激活支护桩单元、地铁结构单元。
步骤2:施工第1道支撑,拆除地下2层。
步骤3:施工第2道支撑,拆除地下2层、地下3层和底板。
步骤4?:施工第3道支撑,开挖土体到第4道支撑。
步骤5:施工第4道支撑,并开挖基坑到底。
基坑开挖过程中,支护结构位于基坑中间位置的水平位移大于拐角位置的水平位移,基坑东侧的水平位移大于其他3侧。基坑开挖到底时,北侧水平位移7.552mm,南侧水平位移7.459mm,西侧水平位移7.773mm,东侧水平位移15.098mm,如图6所示。
图6?基坑各侧水平位移分析
开挖过程中,基坑的沉降呈东小西大的变化趋势,基坑的最大沉降位于基坑东侧中间位置,约为2.29mm,北侧沉降2.0mm,南侧沉降1.72mm,西侧沉降1.85mm,如图7所示。
图7?基坑各侧沉降分析
通过三维计算可知,在基坑开挖过程中对地铁影响较大的主要是水平位移。开挖过程中,地铁隧道结构的最大水平位移为1.491mm,如图8所示。
图8?地铁隧道位移和沉降图
在基坑止水帷幕完好、无渗漏的情况下,基坑开挖降水对地铁隧道下方区域地下水无影响,不会造成因地下水流失而产生附加沉降,如图9所示。
图9?地下水位渗透线
5?基坑施工工况和监测结果
5.1?施工工艺
立柱桩:地下1至地下3层均需布置搭设满堂脚手架。在立柱处逐层凿穿已有地下室的楼板和底板,再将钻孔桩机移到顶板面,进行立柱桩的施工。
地下室凿除:老地下室内的脚手架不拆除,立柱桩施工完成后,采用炮机分层凿除楼板和外墙。
桩基础:第2层内支撑施工完成后,将原来的老地下室全部拆除再施工工程桩,工程桩采用冲孔桩机施工。
由于第2层内支撑离老地下室底板底只有6.27m,满足不了正常的桩基9m的高度的要求,于是对支撑下部桩机进行改造,将其高度降至6m,满足支撑净空的要求,便于施工支撑正下方的桩基础。
5.2?施工工况
基坑工程开挖深度超深、难度高、周边环境复杂,从正式基坑开挖到地下室回填,历经18个月,基坑使用时间较长。
基坑开挖及回填共分为12个工况:工况1,在老地下室里面搭设脚手架后在顶板上开孔,施工立柱,同时施工桩间和桩后止水帷幕;工况2,拆除老地下室负1层,并支模施工第1层内支撑;工况3,拆除原地下室负2层,施工第2道支撑;工况4,拆除原地下室负3层及底板,并施工新楼桩基础;工况5,施工第3层内支撑;工况6,土方开挖至第4层内支撑顶部,开槽施工第4层内支撑;工况7,基坑开挖到坑底;工况8,施工地下室底板,换撑后拆除第4道支撑;工况9,施工地下4层换撑后拆除第3道支撑;工况10,施工地下3层换撑后拆除第2道支撑;工况11,施工地下2层换撑后拆除第1道支撑;工况12,施工地下1层并回填。
5.3?监测内容
工程内容监测:桩顶位移、地面和支撑沉降、支撑系统应力、地下水位等,对地铁隧道进行了沉降和位移的监测,地铁隧道监测点主要布置在隧道两侧和道床底部。
5.4?监测结果
(1)基坑监测结果。 桩顶位移:最大值16mm。 地面和支撑沉降:34.5mm。 地下水位:–1.61。 支撑系统:6300kN。
(2)地铁隧道水平位移监测结果。 位移累计最大值:10mm。 沉降累计最大值下沉:4.08mm。
以上监测结果均小于规范允许值。
6结束语
(1)在复杂环境的中心城区,对旧基坑或者废旧地下室拆除的并加深改造利用是可行的。
(2)以支护桩原有配筋、周边环境保护、地下室现状、经济性等作为约束条件,布置4道内支撑有效地解决了支护结构的强度、变形和稳定性要求。
(3)新建设的基坑大于旧基坑深度,旧基坑竖向支护结构可能不满足现状的要求,可以采取比常规基坑更多层内支撑或锚索的方式,解决基坑稳定性的要求。
(4)采用有限元软件模拟基坑开挖施工过程及其对地铁隧道的影响,结合与基坑和地铁监测体系的对比,确保了施工期间基坑支护结构和地铁的安全。
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