摘要：本文結(jié)合杭州武林廣場地下商城工程，簡要介紹了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面結(jié)合的蓋挖逆作法中間樁、柱的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：蓋挖逆作法、鋼管混凝土柱、AM工法樁、抗拔樁。

Abstract: this paper combine Hangzhou Martial Arts Plaza Mall project, briefly introduces the topdown middle pile, column design process of the supporting structure and the main structure comprehensive combination.

Key words: topdown, concrete filled steel tube column, AM pile, uplift pile.

中圖分類號(hào)：TV543+.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

前言：蓋挖逆作法分為周邊臨時(shí)圍護(hù)體結(jié)合坑內(nèi)水平梁板體系替代支撐和支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面結(jié)合的支撐體系兩類，支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面結(jié)合即圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，既作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)又作為地下室的外墻;地下結(jié)構(gòu)的水平梁板體系替代水平支撐，結(jié)構(gòu)的立柱和立柱樁作為豎向支承系統(tǒng)，自上而下逆作施工，在基礎(chǔ)底板施工后，再自下而上施工未完成部分的結(jié)構(gòu)。此作法的優(yōu)點(diǎn)是水平支撐剛度較大，擋土安全性高，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形小，對周圍的環(huán)境影響小;已完成的地面層可作為材料堆置和施工作業(yè)場地;避免了大量采用臨時(shí)支撐的浪費(fèi)現(xiàn)象，工程經(jīng)濟(jì)效益顯著。此作法的適用范圍如下：(1)大面積的地下工程，邊長大于100m;(2)大深度的地下工程，大于或等于2層的地下室工程更為合理;(3)周邊狀況苛刻，對環(huán)境影響要求很高的地下工程;(4)地下空間較小和上部結(jié)構(gòu)工期要求緊迫的地下工程。

基坑工程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、水平支撐體系和豎向支承體系。本文結(jié)合杭州武林廣場地下商城工程簡要介紹支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面結(jié)合的蓋挖逆作法豎向支承體系的立柱、立柱樁的設(shè)計(jì)過程。

1 工程概況及開挖方案的選擇：

武林廣場地下商場項(xiàng)目位于武林廣場地塊內(nèi)，項(xiàng)目南北向長約190米，東西向長約220米。地下共三層，其中地下一、二層為商場，地下三層為停車庫及地鐵區(qū)間，地面以上為廣場景觀及綠化，局部設(shè)有下沉廣場，地下室頂板覆土厚度1.5m~2.5m。結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)，大部分柱網(wǎng)尺寸為9mx9m。該地塊北側(cè)緊臨浙江省展覽館(最小凈距17.0m);東面為浙江省電信分公司(最小凈距30.0m);西側(cè)為杭州大廈及杭州劇院(最小凈距為33.6m);南側(cè)為體育場路，東北角為地鐵武林廣場站，車站站廳層與本項(xiàng)目地下二層相接。已建成的地鐵1號(hào)線明挖區(qū)間以及與本工程同期實(shí)施的地鐵3號(hào)線隧道區(qū)間均在本工程地下三層穿過。地下三層的層高分別為：地下一層6m，地下二層5.4m，地下三層除地鐵1號(hào)線及3號(hào)線區(qū)間以及區(qū)間之間的部分，層高為7.5m。兩區(qū)間之間的部分層高5.2m，已建成的地鐵1號(hào)線區(qū)間總高約13m，地鐵3號(hào)線區(qū)間總高約13m。

場地范圍內(nèi)的土層為4m~6m雜填土、0.3m~2m粉土、21m~24m流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、10m~14m可塑~硬可塑粉質(zhì)粘土，基巖為白堊系的泥質(zhì)粉砂巖、侏羅系的凝灰?guī)r。

本工程場地淺部地層的地下水性質(zhì)屬松散孔隙型潛水,水位埋深在現(xiàn)地表下2.50～5.00m;場地中部為微承壓水，水頭埋深約在地表下6.25mm, 其對地下室施工及使用有一定影響，場地深部為基巖裂隙水,其對工程建設(shè)和使用基本無影響。本工程抗浮設(shè)計(jì)水位為6.00m。

武林廣場地下商城工程基坑周邊環(huán)境平面圖

本工程為單純的地下結(jié)構(gòu)，基坑規(guī)模大，南北向長約190米，東西向長約220米;基坑深度大，三層地下室，基坑深度為23m~27m;基坑場地緊湊，建筑范圍與用地紅線基本一致，地塊周邊施工場地緊張;基坑周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，臨近大量管線及省級(jí)重點(diǎn)保護(hù)建筑浙江省展覽館;且已建成的地鐵一號(hào)線隧道區(qū)間在本工程地下三層穿過，該區(qū)間將于2012年10月投入運(yùn)營，對區(qū)間隧道的保護(hù)

為本基坑工程開挖關(guān)鍵點(diǎn)之一;基坑開挖范圍內(nèi)存在較厚的淤泥質(zhì)土，土體性質(zhì)差;基于以上原因采用蓋挖逆作法是本工程基坑開挖的最佳方法。但若采用全逆作方案，利用結(jié)構(gòu)梁板作為支撐，支撐剛度較大，有利于保護(hù)周邊環(huán)境，但基坑內(nèi)的土方全部采用暗挖，對施工要求較高，出土口面積較小或者數(shù)量不夠時(shí)降低了出土效率，本工程土方量約為84萬方，土方開挖為制約工期的重要因素，所以結(jié)合本工程的平面布置，采用蓋挖逆作與明挖順作相結(jié)合的方法。下面介紹本工程蓋挖逆作部分豎向支承體系的立柱及立柱樁的設(shè)計(jì)過程。

2 立柱的設(shè)計(jì)

豎向支承體系設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵問題是如何將在主體結(jié)構(gòu)柱位置設(shè)置的鋼立柱和立柱樁與主體結(jié)構(gòu)的柱子和工程樁有機(jī)的進(jìn)行結(jié)合，使其能夠同時(shí)滿足基坑逆作實(shí)施階段和永久使用階段的要求。本工程采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)柱及工程樁全面結(jié)合的立柱和立柱樁(一柱一樁)的形式。“一柱一樁”是最基本的豎向支承系統(tǒng)形式，它構(gòu)造簡單，施工相對便捷，在基坑開挖施工結(jié)束后可以全部作為永久的結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)好。“一柱一樁”布置時(shí)，立柱和立柱樁的定位應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)的柱和工程樁的定位一致。

在基坑逆作開挖實(shí)施階段，立柱和立柱樁承受已澆筑的主體結(jié)構(gòu)梁板自重和施工超載等荷載，本工程施工超載的取值地下一層頂板取50Kpa(考慮大型挖機(jī)施工荷載及堆土荷載)，地下二、三層頂板取10 Kpa(考慮小型挖機(jī)施工荷載)。立柱的形式一般為型鋼格構(gòu)柱和鋼管混凝土柱，型鋼格構(gòu)柱在施工期間單獨(dú)承受結(jié)構(gòu)自重及施工荷載，使用階段在鋼格構(gòu)柱外配置框架柱鋼筋并澆筑混凝土，形成型鋼混凝土組合柱，這種作法適用于柱軸力不超過6000kN的情況;鋼管混凝土柱采用在鋼管中澆筑高強(qiáng)度混凝土，施工便捷、承載力高且經(jīng)濟(jì)性好。本工程施工階段柱底最大軸力的設(shè)計(jì)值約為：11000 kN，如采用鋼格構(gòu)柱，將導(dǎo)致使用階段最終完成的框架柱截面過大，影響地下室車位的布置，所以本工程采用鋼管混凝土柱。

鋼管柱需要在基坑開挖前置入立柱樁孔中，安裝完成進(jìn)行鋼管柱內(nèi)的混凝土澆筑，當(dāng)混凝土達(dá)到一天強(qiáng)度后，用黃砂或碎石填充鋼管柱四周至柱頂。在基坑開挖階段逐層與水平支撐構(gòu)件(結(jié)構(gòu)的梁、板)完成連接，水平支撐的荷載是由上而下逐步施加于立柱上，立柱承受的荷載逐漸加大，但跨度逐漸減小，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況對立柱承載力及穩(wěn)定性計(jì)算,確定鋼管混凝土柱尺寸及壁厚。只需驗(yàn)算最底層一跨的立柱的承載能力。同時(shí)，基坑開挖到坑底、底板尚未澆筑前，最底一層鋼立柱在承受最不利荷載的同時(shí)計(jì)算跨度也相當(dāng)大，一般情況下，該工況是鋼立柱的最不利工況。經(jīng)計(jì)算，本工程采用直徑800mm鋼管混凝土柱，鋼管壁厚14mm，材質(zhì)為Q345�；�坑逆作施工階段，在地下室底板澆筑完成、逆作階段結(jié)束以后，與底板連接成整體，作為地下室結(jié)構(gòu)的一部分，將上部結(jié)構(gòu)的荷載傳遞給立柱樁。

永久使用階段的受力是施工階段受力的繼續(xù)，施工階段由于柱中心的定位誤差、樁身傾斜、基坑開挖時(shí)產(chǎn)生位移等，會(huì)產(chǎn)生立柱中心偏離設(shè)計(jì)位置的情況。根據(jù)《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》的要求，鋼立柱垂直偏差不宜大于1/1000，最大不大于15mm，此規(guī)定應(yīng)用于順作的鋼管柱比較適合;對蓋挖逆作的鋼管柱來說，很難達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，鋼立柱垂直偏差取1/500(30mm)。按照偏心受彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。立柱的截面構(gòu)造應(yīng)盡量簡單，與水平支撐體系的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)便于現(xiàn)場施工。永久使用階段的荷載取值、柱樁的設(shè)計(jì)同常規(guī)主體結(jié)構(gòu)。

3 立柱樁的設(shè)計(jì)

逆作施工階段，立柱樁必須具備較高的抗壓承載能力，同時(shí)立柱需要與其下部的立柱樁具有可靠連接，因此工程中多采用大直徑的鉆孔灌注樁將立柱承擔(dān)的豎向荷載傳遞給地基。立柱樁的設(shè)計(jì)方法與主體結(jié)構(gòu)工程樁相同，立柱樁與土的摩阻力和端阻力承受上部荷載。包括承載力和沉降計(jì)算以及立柱與立柱樁的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

本工程結(jié)構(gòu)自重及施工荷載，逆作部分框架柱底最大軸力8600kN，合并考慮基礎(chǔ)自重，單樁抗壓承載力需要達(dá)到11500kN，本工程樁基持力層主要為12-3層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和13-3層中等風(fēng)化晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r層，有效樁長約28m，若采用直樁，則直徑要達(dá)到2m。

永久使用階段，本工程地下水位較高，抗浮水位為6.00m， 施工期間受壓的樁轉(zhuǎn)換受力狀態(tài)為抗拔樁，所以本工程采用大直徑擴(kuò)底樁(AM工法樁)，樁徑1.6m，擴(kuò)底直徑2.6m(兩次擴(kuò)底)，單樁抗壓承載力特征值為12000KN,抗拔承載力特征值為6000KN 。 經(jīng)過計(jì)算分析，滿足施工期間抗壓要求的樁，使用階段其抗拔力無法滿足抗浮的要求，因此需要加大樁直徑或者增加小直徑樁解決結(jié)構(gòu)的抗浮問題。如通過調(diào)整樁徑的方式增加單樁抗拔承載力，AM樁的樁徑需達(dá)到2m，擴(kuò)底直徑達(dá)到3.2m，由于AM樁單方造價(jià)較高，與增加小直徑樁的方案相比，經(jīng)濟(jì)性能差。本工程選用大直徑AM工法樁結(jié)合小直徑擴(kuò)底樁的方案抗浮，經(jīng)計(jì)算小直徑的樁徑為0.8m，擴(kuò)底到1.3m，樁長及持力層同AM樁，單樁抗拔承載力特征值2000kN。

4 豎向支承系統(tǒng)的連接構(gòu)造

4.1 與水平支撐系統(tǒng)的連接

鋼管混凝土柱與后澆梁板的節(jié)點(diǎn)連接形式主要有以下兩種：(1)雙梁結(jié)構(gòu)連接，采用在鋼管柱兩側(cè)設(shè)置鋼構(gòu)牛腿，沿柱兩側(cè)分別設(shè)縱梁與牛腿剛性連接。這種連接方法的優(yōu)點(diǎn)是縱梁鋼筋能夠沿柱兩側(cè)貫通而不需斷開，受彎性能好。(2)通過抗拉鋼板與抗剪鋼板連接，通過在鋼管柱外套鋼套箍，通過高強(qiáng)螺栓與鋼管柱連接，鋼套箍外焊接抗拉鋼板，后澆混凝土的梁、板鋼筋遇鋼管柱斷開，焊接到抗拉鋼板和抗剪鋼板上，這種節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是整體性好，缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)復(fù)雜，施工速度慢。本工程柱網(wǎng)布置比較均勻，所以采用雙梁結(jié)構(gòu)連接。

梁柱連接節(jié)點(diǎn)圖

4.2 立柱與立柱樁的連接

常規(guī)的鋼管柱安裝是在支承樁混凝土灌注前安裝一個(gè)與支承樁直徑相同的鋼套管，等澆筑的支承樁混凝土達(dá)到70%強(qiáng)度后，抽除鋼套管內(nèi)泥漿，采用人工下孔破除樁頂混凝土至永久性鋼管柱底標(biāo)高，定位器安裝完畢再安裝鋼管柱。該施工方法施工周期長、工序復(fù)雜，且施工過程中工人要下到孔底進(jìn)行混凝土的鑿除及定位器安裝，存在諸多不安全因素，單根鋼管柱施工周期長達(dá)10～20天，施工成本也較高，存在一定的局限性。

本工程采用HPE液壓垂直插入鋼管柱工法，通過HPE液壓垂直插入機(jī)機(jī)身上的兩個(gè)液壓垂直插入裝置，在支承樁混凝土澆筑后、混凝土初凝前將底端封閉的永久性鋼管柱垂直插入支承樁混凝土中，根據(jù)鋼管柱下部安裝的位移傳感器反映到電腦上的信號(hào)來檢測鋼管柱的垂直度，保證插入鋼管柱的垂直度符合要求，垂直度可達(dá)1/500～1/1200，直到插入至設(shè)計(jì)標(biāo)高。此工法無需人工下孔作業(yè)，首先在很大程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn); 提高鋼管柱安裝施工效率，縮短施工工期;

施工中不需長鋼護(hù)筒護(hù)壁，也不用人工埋設(shè)定位器等，因而降低了投資成本。

鋼管混凝土柱與AM樁連接節(jié)點(diǎn)

5 總結(jié)

支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面結(jié)合的蓋挖逆作法工程豎向支承系統(tǒng)受力與施工步序和施工方法密切相關(guān)，應(yīng)按照施工步序分工況進(jìn)行計(jì)算;而且使用階段的受力是施工階段受力的繼續(xù)，在永久使用階段應(yīng)考慮在施工過程中產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的影響。

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