某高层建筑基坑围护设计方案优化

戚 婷

随着城市建设的发展,高层建筑在经济和科技的有力保障下突飞猛进,在现代城市建设中所占据的比例越来越高。基坑围护建设占总投资的比例呈逐步上升趋势,因此基坑围护设计优化直接影响到工程投资及施工难易程度。而高层建筑的周边环境一般较为复杂,邻近在建和已建的多层、高层建筑众多,市政管线分布复杂,为保证高层主体结构的顺利进行,基坑围护是关键的一步,关系到整体工程的成败。

1 工程概况

某高层建筑主体结构为一幢29层的塔楼,4层裙楼,其塔楼建筑高约120 m。由办公、商业、地下车库、设备机房等功能组成。主体结构均设置3层地下室,基础采用桩筏基础,基础底板面设计相对标高为-13.400 m,主楼基础底板普遍厚度为2.5 m;裙楼基础底板厚度为1.2 m。本工程基坑总面积约10 250 m2,基坑周长约450 m。主楼基础开挖深度约为15 m,裙楼基础开挖深度约为14 m。基坑南侧道路下有正在运营的东西走向分布的轨道交通区间隧道,主体结构基坑周边环境与邻近轨道交通平面关系如图1所示。轨道交通区间隧道底部埋深约为14.7 m～16.4 m,隧道外径约为6.2 m,分上行和下行两条线路,隧道最近处距离本工程的地下室外墙边线10.4 m～13.6 m,在基坑设计及施工中须引起足够重视并给予重点保护。

2 工程地质条件及土层力学指标

拟建设场地地势平坦,地面标高一般在2.45 m～3.25 m之间,地坪平均标高约为+2.800。场地浅层地下水属潜水类型,主要补给来源为大气降水和地表径流,水位随季节变化而变化。测得地下水位在地表以下0.40 m～1.60 m。设计计算水位埋深取0.5 m。基坑工程影响范围内的土层自地面往下大致可分为7层,各层力学参数见表1。第③层局部夹粉性土及薄层粉砂,施工时易产生流砂、管涌等不良地质现象。第⑦层为第一承压含水层,承压水水位呈幅度不等的周期性变化,根据区域观测资料,承压水水头埋深为地表下3.0 m～11.0 m。在勘察期间,⑦层承压水水位埋深为8.5 m～8.75 m,第⑦层层顶埋深约为32 m～40 m。

表1 土层物理力学参数表

3 轨道交通隧道保护要求

由于降水、堆载等各种荷载和加载的建筑活动对轨道交通设施的综合影响,轨道交通隧道保护必须符合以下标准：

1)在地铁工程(外边线)两侧的邻近3.5 m范围内不能进行任何工程。2)地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量不大于18 mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)。3)隧道变形曲线的曲率半径 R≥16 000 m。4)相对弯曲不大于1/2 600。5)由于建筑物垂直荷载(包括基础地下室)及降水、注浆等施工因素而引起的地铁隧道外壁附加荷载不大于18 kPa。6)由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度不大于2.6 cm/s。

4 设计方案优化

由于本工程基坑周边环境复杂,尤其是对变形极为敏感的轨道交通区间隧道,在基坑围护方案设计中,提出了方案一“整体顺作法”,经过对基坑工程初步方案的优化,形成了方案二“分区顺作法”,方案如图2所示。

方案一(整体顺作法)：基坑周边设置“两墙合一”地下连续墙围护结构,靠近地铁交通隧道侧采用T形槽段地墙,在坑内架设三道临时钢筋混凝土水平内支撑系统。

方案二(分区顺作法)：基坑周边设置“两墙合一”地下连续墙围护结构,并在坑内靠近地铁隧道侧设置临时隔断地下连续墙将基坑分为Ⅰ区和Ⅱ区两部分。然后采用顺作法在距离地铁较远的Ⅰ区架设三道临时钢筋混凝土水平内支撑系统,顺作施工完成部分塔楼地下结构后,再依次在Ⅱ区架设四道临时混合水平内支撑系统,顺作施工完成全部地下室。

1)“整体开挖”和“分区开挖”方案的优化选择：本工程基坑面积较大,将基坑分区施工,可缩短迎轨道交通侧的基坑开挖暴露范围,降低了基坑整体开挖实施过程中大范围卸土对地铁线等周边环境的空间效应影响,优于基坑整体开挖的方案。具体的分区见图2,首先施工面积较大的Ⅰ区远离地铁隧道;其后施工的狭长形的Ⅱ区基坑面积小,地铁隧道的附加变形影响更加容易得到控制。

2)“顺作法”和“逆作法”方案的优化选择：本工程如采用“逆作法”方案进行围护结构设计,水平支撑刚度增大,有利于控制围护体水平变形。但本工程基坑面积较大,水平结构分块施工的时间远大于单道临时支撑,增加了邻近地铁侧围护体的无支撑暴露时间,不利于对邻近地铁隧道的保护。为了减小对邻近地铁线区间隧道的影响,采用“顺作法”基坑围护方案设计。

3)“十字正交对撑”和“对撑结合角撑边桁架”方案的优化选择：“对撑结合角撑边桁架”的支撑体系平面开口位置大,利于土方开挖,但整体水平刚度小于“十字正交对撑”体系。考虑对地铁隧道的保护,结合目前已建工程的成功实践,在本工程采用“十字正交对撑”形式的支撑体系进行基坑围护方案的设计。

鉴于以上设计优化的思路,本着基坑工程“安全、合理、经济、可行”的原则,并结合本工程的开挖深度、基坑面积、造价和工期等综合因素,特别是考虑到本工程对于轨道交通区间段隧道的保护,选用了“分区顺作”设计方案,将基坑分为Ⅰ区和Ⅱ区两个基坑施工。

5 结语

考虑到本工程基坑开挖将面临严格的地铁隧道保护要求,将整体基坑分为Ⅰ区和Ⅱ区两部分分别顺作实施,对周边环境的保护主要体现在以下两个方面：首先,施工面积较大的Ⅰ区,基坑与地铁线隧道距离较远,同时与地铁间有两堵地下连续墙为屏蔽,可将Ⅰ区施工对地铁的影响减小到最低程度。其次,在依次开挖施工狭长形的邻地铁二号线Ⅱ区时,缩短了迎地铁侧的基坑开挖暴露范围,减小了同时开挖的基坑面积,这种施工方法在狭长形的地铁基坑施工中积累了丰富的经验,可以降低基坑整体开挖实施过程中大范围卸土对地铁线的影响。

[1] GB 50007-2002,国家标准建筑地基基础设计规范[S].

[2] GB 50009-2001,国家标准建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50202-2002,国家标准建筑地基基础工程施工质量验收规范[S].

[4] 朱新勇,周石喜.软土基坑开挖与支护施工技术[J].山西建筑,2008,34(4)：151-152.