大型单建式地下车库工程逆作法的设计与实践_王卫东-建筑结构2006
第36卷第11期建 筑 结 构2006年11月大型单建式地下车库工程逆作法的设计与实践
王卫东 许 亮 黄绍铭
(上海现代建筑设计集团有限公司 200041)
[提要] 以某大型单建式地下车库工程的逆作法设计为背景,介绍了主体工程地下结构与支护结构相结合领域方面的研究与实践,以及在主体工程地下结构与支护结构相结合设计中,两墙合一、水平结构体系和竖向支承系统的设计原则和方法。提出了解决关键技术问题的对策。希望能促进主体工程地下结构与支护结构相结合技术(逆作法)的进一步完善与发展。
[关键词] 支护结构与主体结构相结合 两墙合一 一柱一桩 不均匀沉降控制
Design an d Prac tic e of Large-scale In dividual Un derground G arage with Top-down Const ruction Method Wang Weidong,Xu L iang,Huang Sha oming(Shanghai Xiandai Ar chitectur al D esign Group Co.,Ltd.,Sha ngha i200041,China)
Abstract:Ba se d on the design of a large-scale individual under ground gara ge with top-down c onstruc tion method,r esearc h and prac tice on co mbination of undergr ound main structur e and retaining-br acing system for e xc avation ar e intr oduc ed.The design principle and method to take retaining-br acing s ystem for excav ation including diaphr ag m retaining wall a nd inner bracing s ystem as under ground main struc ture,as well as counter measur e of key technic al proble ms are also presente d.It is hoped to pr omote further impr ove ment and dev elo pment of technology in c ombination of under gr ound ma in struc ture and retaining-brac ing syste m for exca vation(top-do wn c onstruction method).
K eywords:undergr ound ma in structure;r etaining-bracing syste m;diaphra gm retaining wall;one pile supporting one c olumn;
differential settlement contr ol
1 工程背景
上海陆家嘴某滨江花园为一大型现代住宅园区,由超高层住宅主楼组成。配套设置的地下车库面积巨大(见图1),埋置较深,上部均设置绿化和水景,业主要求在主楼结构封顶时需同时完成地下车库上部的绿化和水景建设。若按常规先建造地下车库再设置绿化,则工期上远远达不到要求,因此地下车库采用逆作法施工。为适应逆作法,将地下车库主体地下结构与基坑支护结构相结合,结合方式有:地下结构外墙与围护墙体相结合;地下结构水平构件与水平支撑相结合;地下结构竖向构件与临时立柱相结合。工程同时采用了地下室外墙与围护墙相结合、结构水平梁板与水平支撑相结合、结构竖向框架柱与临时立柱相结合的三种结合方式,采用全逆作法由上而下进行施工。
2 总体设计
在主体地下结构与支护结构相结合的设计中,结构的主要受力构件兼有临时结构和永久结构的双重功能[2]。地下结构外墙作为施工阶段的挡土结构,主要承受横向荷载[3],同时也承受水平构件传来的竖向荷载。地下结构水平构件作为支撑,在满足主体结构使用阶段受力要求的同时,选择合理的结构形式,保证竖向及水平方向的承载能力[4]。
地下结构竖向构件的设
图1 地基加固平面布置图
计应在满足主体结构使用阶段受力要求的基础上,保证基础底板完成前已施工结构的承载和变形要求[5]。基础底板尚未形成前,竖向构件均为单独受荷,应提高该阶段竖向受力构件的安全度。
3 地下连续墙的设计
工程采用地下连续墙作为主体地下结构外墙与围护墙相结合的墙体形式,即“两墙合一”。理论研究及工程实践均表明:地下连续墙不仅在施工阶段起到挡土、挡水和抗渗作用,而且在使用阶段可充分发挥其垂直承载能力,减小基础底面地基附加应力,其本身强度和周围地层的支承能力都能得到充分利用,能有效地减小建筑物、构筑物的沉降[6]。
3.1两墙合一
工程设计采用600和800两种厚度的地下连续墙作为基坑围护墙和地下结构外墙,厚800地下连续墙主要分布于出土口(顺作)区域,该区域在基坑开挖期间施工超载较大。地下连续墙设计有效深度18m ,墙底处于层⑤1b 灰色粉质粘土。每槽段内设置两根注浆管,间距不大于3m ,管底位于槽底(含沉渣厚度)以下30c m ,墙身混凝土达到设计强度等级后注浆,注浆需满足一定的注浆量、注浆压力等设计施工参数。
地下连续墙在槽段之间采用柔性锁口管接头连接,地墙顶部设置贯通封闭的压顶圈梁,以增强其纵向整体性能。由于工程基坑面积较大,为减小基坑的水平变形,增强被动区土体抗力,在基坑底部分块分区域采用水泥土搅拌桩结合压密注浆进行地基加固。地基加固平面布置见图1,围护剖面见图2
。
图2 围护剖面图
地下连续墙与地下车库底板通过钢筋直螺纹联接器连接,联接器的数量和标高位置与底板主筋相匹配;在地下层1结构周边设置边环梁,地下连续墙与地下层1边环梁通过预埋插筋连接;地下连续墙与顶板通
过压顶圈梁连接。3.2墙体接头
地下连续墙的墙体接头设计包括施工接头(槽段接头)设计和结构接头(与主体地下结构的连接)设计,接头设计需满足主体地下结构受力及变形要求,并设置可靠的抗渗和止水措施[7]。地下连续墙与地下结构内部梁板等构件的连接需满足主体地下结构受力与设计要求,按整体刚性连接构造考虑,接头处钢筋采用焊接或机械连接。地下连续墙墙体与地下结构底板连接处,以及地下连续墙墙体内有预埋件和连接地下结构的预埋锚筋处,均需设置止水构造。
结构接头除验算其抗弯能力外,同时必须验算接
头处的抗剪能力,如果接头处的抗剪能力不足,则须采取相应的构造措施,如:在接头处配置足量的抗剪钢筋;在地墙上板底做牛腿或支座;在地墙中预埋木丝板,基坑开挖后,除去木丝板,设置钢筋后现浇,使板与地墙形成榫接连接。4 水平结构体系设计
主体地下结构与支护结构相结合的地下结构水平构件的设计,除应满足地下结构使用期设计功能要求和竖向承载能力要求外,尚应进行各种施工工况的水平荷载作用下的内力、变形等计算。同时由于土方开挖的需要,需设置一定数量的出土口,并需在开口处设
置临时支撑,待工程基础底板施工后拆除支撑,再顺作完成开口位置的主体地下结构。4.1楼板结构
根据建筑使用功能要求和其它相关要求,地下车库顶板和地下层1板采用了不同的结构体系。地下车库顶板采用梁板体系,为确保水平支撑刚度设计为双向扁梁厚板结构体系,在出土口开口处采用临时钢筋混凝土支撑(图3(a ))。地下层1采用带柱帽无梁楼盖结构体系,在出土口开口处同样采用临时钢筋混凝土支撑(图3(b ))。结构框架柱采用钢管柱,一柱一桩设置;临时支撑位置设置角钢格构柱,作为支撑的竖向支承构件
。
图3 临时支撑平面布置
地下结构梁板作为水平支撑体系比较适于逆作法施工,其结构受力明确,可根据施工需要在梁间开设孔洞,并在梁周边预留止水片,在逆作法结束后再浇筑封闭。此外也可采用结构楼板后作的框架梁体系,在开
挖阶段仅浇筑框架梁作为内支撑,基础底板浇筑后再封闭楼板结构。梁板与地下连续墙的连接有多种方式,如可在地墙内预埋钢筋接驳器与梁连接,预埋钢筋与板连接;在结构楼板周边设置边环梁,边环梁通过地墙内的预埋钢筋与地墙连接,结构梁板与边环梁整体浇筑。
无梁楼盖作为水平支撑,其整体性好、整体支撑刚度大,并便于大面积结构模板体系的施工。在无梁楼盖上设置施工孔洞时,需设置边梁并附加止水构造,无梁楼盖通常通过边环梁与地墙连接。
对上述两种结构体系,当同层楼面标高有高差时,需设置可靠的水平传力的转换结构,转换结构应有足够的刚度和稳定性,并满足抗剪和抗扭承载能力的要求。当结构楼板存在缺失或在车道位置时,均需在结构楼板缺失处架设临时水平支撑。当地下结构梁板兼作施工用临时平台或栈桥时,其构件设计应考虑承受施工荷载的作用。
4.2开口临时支撑
按逆作法进行地下室各层结构施工时,需进行施工设备、土方、模板、钢筋、混凝土等的上下运输,所以需预留一个或几个上下贯通的垂直运输通道,垂直运输的进出口的运输能力必须根据施工需要设计,其尺寸也要满足进出材料、设备及结构构件的尺寸要求。工程根据结构布置和施工要求共设置了三个较大的出土口,在出土口位置设置临时钢筋混凝土支撑,在竖向根据楼板标高共设置两道。两道支撑与结构交界位置均设置结构边梁过渡。设计中根据支护结构计算的水平力,按封闭框架计算支撑结构和开口边梁的内力。该支撑在车库底板浇捣完成并达到一定强度后,可依次拆除,并顺作该位置主体结构。
4.3水平结构体系的计算
地下结构水平构件与基坑内支撑相结合时,需对其在施工阶段各工况水平荷载作用下产生的内力和变形进行计算分析,分析中可采用简化杆系结构计算方法或有限元分析方法。
当水平结构采用梁板体系,布置较为规则且结构开口较多时,可忽略结构板的影响,仅考虑梁系的作用,进行在一定边界条件下,在周边水平荷载作用下的封闭框架的内力和变形计算,其计算结果是偏安全的。当梁板体系布置极不规则需考虑板的共同作用,或水平结构为无梁楼盖体系时,应采用通用有限元分析方法进行在两个方向作用荷载下的水平结构的整体计算分析,可得到水平构件在双向作用下的内力和变形分布,根据计算分析结果并结合工程概念和工程经验,合理确定用于结构水平构件设计的内力,并对设计进行优化。
工程中水平楼板结构体系的计算综合了上述两种方法,并对计算结果进行了综合比较分析,进而优化并确定了水平结构体系的设计。在水平构件的节点设计中,根据竖向立柱和地下连续墙的不均匀沉降计算结果,考虑了不均匀沉降对结构造成的次应力影响,进而对相关框架梁和柱帽节点进行了设计加强。
5 竖向支承系统的设计
地下结构竖向构件与施工时支承地下结构的立柱结合,即地下结构的竖向承重构件(立柱及柱下桩)作为逆作法施工过程中结构水平构件的竖向支承构件[8]。立柱和立柱桩的位置和数量,要根据地下室的上部荷载、结构布置和制定的施工方案经计算确定,其承受的最大荷载,是地下室已修筑至最下一层(底板浇筑前),而地上部分的荷载已全部施加时的总荷载。5.1立柱设计
工程逆作过程中竖向支承系统采用一柱一桩形式,结构立柱采用500钢管混凝土柱,梁柱和板柱节点均采取了可靠的抗剪措施,如图4所示。立柱由于采用钢管混凝土柱,其截面小而承载能力大,也便于与地下室的梁和柱帽等连接,随着地下结构向下施工,在钢立柱外侧浇筑外包钢筋混凝土以保护钢柱。
在设计中,根据上部的荷载要求和分布、地下各层结构荷载以及各种施工荷载进行竖向支承钢立柱的强度计算和稳定性计算。同时为了使地下结构逆作施工中地下连续墙和立柱之间的差异变形控制在允许范围之内,竖向支承构件除应满足强度要求外,还必须有足够的竖向刚度和稳定性,以减小竖向支承构件的绝对变形
。
图4 板柱节点详图
竖向支承钢立柱由于柱中心的定位误差、柱身倾斜、基坑开挖或浇筑柱身混凝土时产生位移等原因,会产生立柱中心偏离设计位置的情况,因此设计中预先考虑了一定的偏心对立柱承载能力的影响,在设计中根据立柱允许偏差验算偏心的影响,过大偏心不仅造成立柱承载能力的下降,而且也会给正常使用带来问
题。施工中必须对立柱的定位精度严加控制。
为确保钢立柱能够可靠地承受楼板结构的自重和各种施工荷载,在与顶板及地下层1结构梁、板结合处均设置了能可靠传递剪力的钢牛腿和加劲肋,钢牛腿和加劲肋与钢立柱焊接,并要求钢立柱内部的混凝土全部浇筑,以增强梁柱节点抗弯和抗剪的可靠性,如图5所示。在钢立柱与地下层1结构梁板连接部位,结构板钢筋尽量从柱边通过,如受钢立柱阻挡无法通过时,
板面钢筋与钢立柱焊接,板底钢筋断在柱边锚入柱帽
。
图5 一柱一桩构造
5.2立柱桩设计
立柱桩以桩与土的摩阻力和桩的端阻力来承受上部荷载,因此当采用“一柱一桩”时,为满足地下车库在施工阶段结构柱网的大跨度布置、上部一定的荷载分布要求和地下车库在正常使用阶段的抗浮要求以及对不均匀沉降的严格限制,要求立柱桩必须具有较高的承载能力和较小的沉降。工程立柱桩采用800钻孔灌注桩,桩长50m,持力层为⑦
1b
,立柱和立柱桩在施工阶段底板浇筑前,承受全部结构自重以及地面覆土和构筑物荷重,单桩承载力需满足竖向受荷要求,同时在使用阶段需满足结构抗浮要求,除局部车道等抽空部位应另加抗拔桩外,其余部位的抗浮均可满足一柱一桩要求。立柱桩采用灌注桩时,钢立柱与立柱桩的节点连接较为便利,可通过桩身混凝土浇筑使钢立柱底端锚固于灌注桩中。立柱桩施工中需采取有效的调控措施,保证立柱桩的准确定位和垂直精度。工程钢立柱锚入立柱桩中约2.0m,同时为了便于钢立柱垂直度的调节,立柱桩顶部约2.35m范围内扩径至1000,如图5所示。
地下结构逆作施工在基础底板浇筑之前,所有结构荷载和施工荷载均由“一柱一桩”的立柱桩承担,因此是否具有可靠的承载能力是逆作法设计和施工成败的关键。因此设计中必须保证立柱桩的设计承载力具备足够的安全度,并提出可靠的检测方法对立柱桩的成桩质量进行一定比例的全面检测,保证万无一失。
为了减小立柱桩和地下连续墙之间的差异沉降,必须通过计算及相关措施严格控制立柱桩的绝对沉降量。根据底板浇筑之前的全部荷载作用,对各单桩进行沉降估算,在确保各单桩的计算沉降量基本协调的前提下,估算地下连续墙的沉降量。根据理论分析和工程经验,逆作法过程中,由于基底土体卸载回弹的影响,一柱一桩的立柱桩较多出现上抬的趋势,而由于土体对地下连续墙摩阻力的减小,地下连续墙会出现沉降的趋势,因此在设计中需对地下连续墙的持力层做较好的选择,同时对其底部进行注浆加固处理,以减小地下连续墙的绝对沉降量。另外适当加长立柱桩,以减小在基坑开挖过程中的上抬量,从而协调立柱桩之间以及立柱桩和地墙之间的差异沉降。
6 控制不均匀沉降的对策
主体工程地下结构与支护结构相结合,采用逆作法施工的难点主要在于竖向不均匀沉降的控制。由于基坑开挖过程中竖向构件处于一柱一桩(或一柱多桩)的独立状态,协调不均匀变形的能力较差,同时由于土体开挖后产生卸载,会造成基底隆起,立柱上抬,而地下连续墙由于坑内土方开挖导致的侧壁摩阻力损失将产生后续沉降,立柱桩之间以及立柱桩与地下连续墙之间的沉降不均匀,将直接引起地下梁板结构次应力的产生,较大的结构次应力将使结构产生裂缝等影响正常使用的问题,如在设计计算中未作考虑,将直接造成结构的安全隐患。因此,如何控制竖向的不均匀沉降是主体工程地下结构与支护结构相结合,采用逆作法施工成败的关键所在。
6.1沉降分析
根据底板浇筑之前全部荷载的作用情况,首先对立柱桩各单桩进行沉降估算,并控制允许差异沉降满足1400,在满足竖向承载能力的前提下,根据估算结果确定桩长和桩端持力层,以确保各单桩的计算沉降量基本协调。另外也需对地下连续墙的沉降量作初步估算,沉降计算可参照桩基的计算方法,在地下连续墙的沉降和承载力估算中,应扣除坑底以上部分土的摩阻力,地墙作用荷载应包括地下车库上部地墙顶部的覆土和造景荷载,以及地下室内部边跨结构的自重和部分施工荷载。根据沉降估算基本协调的结果可初步确定立柱桩和地墙的持力层和深度。
6.2桩长设计和墙底加固
根据理论分析和工程经验,在逆作法过程中,由于基底土体卸载回弹的影响,一柱一桩的立柱桩较多表现为上抬的趋势,而由于土体对地下连续墙摩阻力的
减小,地墙会出现沉降的趋势。因此在常规计算无法准确估算该趋势的情况下,应结合工程概念和工程经验适当加长立柱桩,从而减小在基坑开挖过程中的立柱上抬量,减小与地墙之间的差异沉降。
同时需对地墙的持力层做较好的选择,并对其底部进行加固处理,通常采用在墙体内预埋注浆管,在墙体达到一定强度后对墙底土体进行注浆的方法。该措施可直接加固处理地墙底部的沉渣和持力层基土,从而直接减小地墙的绝对沉降量,对解决不均匀沉降问题是非常有效的。
6.3水平构件的结构措施
在控制绝对沉降量的基础上,同时对结构水平构件采取预防的加固措施。可根据竖向一柱一桩单桩的沉降估算分析结果,对水平梁板结构的支座(立柱处)给出强迫变形,从而近似地定量分析结构次应力,并在支座一定范围内对结构配筋进行加强。由于通常计算和实际工程均表明立柱桩之间的差异沉降较小,而边跨立柱桩和地墙之间往往出现一定的差异变形,因此应对边跨结构作适当加强,并由边跨向内逐渐过渡。6.4控制开挖工况
逆作施工中由于出土口有限,对出土速度的制约较大,因此施工承包单位往往希望在地下车库顶板尚未浇筑之前,尽可能多的先开挖部分土体,以加快施工进度。采用盆式开挖的方式,保留基坑周边的土体,而基坑中部放坡开挖到地下层1标高。在地下结构顶板施工中采用排架模板体系,可提高混凝土结构的浇筑质量。该开挖方式有利于土方开挖和施工进度,但开挖过程中必须采取适当的措施,如边坡加固和井点降水以保持边坡土体的稳定,并控制变形,如边坡土体失稳或变形过大,将直接导致地下连续墙产生变形。同时由于地下车库顶板结构尚未形成,尚未对立柱形成较强约束,因此柱桩更易隆起和偏位,人为加大结构内部立柱桩与地墙之间的差异沉降。因此对开挖工况的合理控制解决竖向不均匀沉降问题是至关重要的。6.5信息化施工
在逆作法施工过程中应重视过程控制的信息化施工,应对立柱和地下连续墙的变形进行连续跟踪观测,根据监测结果及时调整施工工况,及时采取设计和施工的应变措施,从而控制并协调地下结构在竖向的沉降变化,保证逆作法施工的正常进行。
7 结语
工程已经顺利完成,从工程整体进展情况来看,设计达到了预期目的。
(1)从实测数据来看,由于采用了墙底注浆的加固方式,地墙沉降量较小,最大值不超过5mm,局部立柱桩存在一定的隆起变形,但最大值不超过10mm,差异沉降如设计预期完全控制在20mm以内,水平楼板结构的相关节点处受力情况良好,未出现开裂等由于结构次应力造成问题,较好地达到了设计的预期指标。
(2)从水平方向来看,基坑的水平变形基本控制在设计值范围内,但在三个出土口位置,地下连续墙变形超过设计值,主要原因在于整个基坑的出土集中在三个出土口,造成动力机械长时间运作,在地墙外侧形成动力超载,持续较高水平超载作用造成地墙变形偏大。
(3)从防水情况看,同时作为挡土结构和止水帷幕的地下连续墙较好地达到了整个基坑的防渗和止水的目的,渗漏点极少,完全达到了设计目的。
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规范动态 更名后的《索结构技术规程》开始编制根据建设部下达的任务,1991～1995年期间曾由中国建筑科学研究院会同国内有关设计单位和高等学校等单位进行了《悬索结构技术规程》编制工作,并完成了送审稿,但以后由于种种原因规程的编制没有继续进行下去。近年来,以张拉索形成的各类结构有了新的进展,考虑到目前国内索结构技术进步与工程应用的迫切需要,中国建筑科学院向建设部提出申请将原规程更名为《索结构技术规程》,将编制工作予以完成。该报告于2006年5月得到了建设部标准定额所的批复与同意。编制组以原编制单位为基础,包括:中国建筑科学研究院、哈尔滨工业大学、同济大学、北京工业大学、东南大学、中国建筑西南设计研究院、淄博市建筑设计院、安徽省建筑设计研究院,又增加了从事索结构制作与施工单位:巨力集团、柳州欧维姆机械公司、晶艺特种玻璃工程公司、浙江东南网架公司。编制组共有12个单位、17名参编人员。
2006年9月10、11日在北京召开了更名后的第一次编制工作会议,出席会议的有各编制单位的代表,建设部标准定额研究所、建设部建筑工程标准归口管理单位和中国建筑科学研究院结构所的领导到会并讲话。会上就编制大纲、工作分工及进度计划进行了认真的讨论。另外还对规程的修改补充内容达成了共识,即保持原规程的基本框架,除了悬索结构屋盖外,增加张弦结构(梁、网壳)、索穹顶、斜拉结构和拉索玻璃结构(采光顶、幕墙)等方面的内容。