上海金茂大廈地下連續(xù)墻結(jié)合鋼筋混凝土桁架支撐設(shè)計

上海金茂大廈地下連續(xù)墻結(jié)合鋼筋混凝土桁架支撐設(shè)計

金茂大廈位于浦東陸家嘴。建筑面積約29.29萬平方米，高420.5米，共88層。它是中國目前最大的建筑，也是世界上最大的建筑。金茂大廈基礎(chǔ)工程開挖面積約2萬m2,開挖土方量約31萬m3。塔樓的開挖深度為-19.65m,裙房的開挖深度為-15.1m。基坑外圍的地下連續(xù)墻為568延長米,厚度1.0m,混凝土約為2萬m3?；觾?nèi)圍的鉆孔灌注樁為218延長米,直徑1.2m,混凝土約為6100m3。鋼筋混凝土桁架支撐總量達(dá)11000m3。1全包建設(shè)方案的選擇本工程采用地下連續(xù)墻加鋼筋混凝土桁架支撐方案。1.1地下連續(xù)墻質(zhì)量利用地下連續(xù)墻是承重構(gòu)件,設(shè)計要求地下連續(xù)墻落在承重的粉細(xì)砂層上,所以地下連續(xù)墻的設(shè)計深度為36m。為了保證墻體沉降均勻,主樓和裙房的地下連續(xù)墻采用同一深度。為了滿足地下連續(xù)墻的受力和抗?jié)B要求,地下連續(xù)墻厚1m。由于地下連續(xù)墻入土深度較深對基坑的整體穩(wěn)定抗基坑隆起和抗管涌以及阻止基坑外的地下水進(jìn)入基坑都有明顯的效果。兩墻合一的地下連續(xù)墻還能節(jié)約工程費用。圖1為基坑外圍地下連續(xù)墻的平面布置。1.2地下主圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑開挖采用先主樓后裙房的方案,這樣在主樓區(qū)域要再進(jìn)行一次圍護(hù)。故在主樓東面采用兩墻合一的地下連續(xù)墻圍護(hù),其余三面采用1.2m鉆孔灌注樁圍護(hù),整個主樓區(qū)域采用了二種不同類型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)來共同工作。為使主樓基坑施工運輸車輛能進(jìn)入基坑同時也為了減少鉆孔灌注樁的投入量鉆孔灌注樁的頂標(biāo)高設(shè)在-8.3m處,底標(biāo)高設(shè)在-32.7m處。1.3鋼筋混凝土桁架支撐主樓和裙房的基坑雖然分二階段開挖,但鋼筋混凝土桁架支撐必須統(tǒng)一設(shè)計,并要求主樓的主體結(jié)構(gòu)施工不受鋼筋混凝土桁架支撐未拆除的影響。在地下連續(xù)墻的變形和受力允許的條件下,第一道支撐的標(biāo)高較低對土方工程有利。故將第一道支撐設(shè)在地下一層樓板以上的-3.4m標(biāo)高處,主樓和裙房的第二和第三道支撐分別設(shè)在-8.3m和-13.0m處。主樓區(qū)域-17.1m處設(shè)置了第四道支撐。2桁架支撐、支護(hù)(1)在主樓和裙房地下連續(xù)墻四周設(shè)置桁架式支撐,在主樓基坑的南側(cè)、西側(cè)和北側(cè)設(shè)置對撐,形成基坑最主要的受力構(gòu)件。(2)主樓基坑施工時,為使施工機械能進(jìn)入基坑內(nèi)挖土,利用主樓基坑西側(cè)場地較大的特點,在支撐布置時形成大空間,為以后在此處設(shè)置下基坑的道路創(chuàng)造條件。(3)桁架支撐均呈三角形,確保穩(wěn)定,并減少節(jié)點的彎矩,未形成三角形的支撐,在節(jié)點構(gòu)造上進(jìn)行加強。(4)支撐桿件由變形計算確定,在變形允許的條件下,盡量形成空間,減少桿件的布置數(shù)量。第一至第三道支撐平面布置見圖2。3工程節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1槽形接頭、教學(xué)裝置的連接設(shè)計(1)地下連續(xù)墻的槽段接頭設(shè)計。作為承重和圍護(hù)兩墻合一的地下連續(xù)墻,保證槽段接頭的質(zhì)量,使其具有較強的抗?jié)B性是設(shè)計的關(guān)鍵。選擇多楔槽形接頭、十字鋼板剛接頭、鎖口柔性接頭、有止水措施的柔性接頭伸出鋼筋的剛性接頭和楔形式接頭進(jìn)行比較,其中楔形式接頭具有較多的優(yōu)點,它滲流途徑長、拐點多、抗?jié)B性能好、抗剪能力強、施工難度小、操作方便、容易保證其質(zhì)量。圖3是楔形接頭形式。(2)地下連續(xù)墻與桁架支撐圍檁的連接設(shè)計。桁架支撐圍檁與地下墻連接件用錐螺紋接駁器。在地下連續(xù)墻施工時,先預(yù)埋然后鑿出,用接駁器接出鋼筋與支撐圍檁相連,見圖4。3.2上部鋼格構(gòu)柱(1)鉆孔灌注樁與鋼格構(gòu)柱的連接。為了保證鋼筋混凝土桁架支撐立柱具有一定的承載力,下部設(shè)計為鉆孔灌注樁;為了方便與桁架支撐連接,上部設(shè)計為鋼格構(gòu)柱,鋼格構(gòu)柱插入鉆孔灌注樁內(nèi)5m,構(gòu)造見圖5所示。(2)鉆孔灌注排樁與桁架支撐的連接。支撐圍檁與鉆孔樁的連接用電焊鋼筋接出將有鋼格構(gòu)柱的鉆孔樁內(nèi)角鋼鑿出進(jìn)行電焊鋼筋與支撐圍檁相連,見圖6。3.3水平支撐部位(1)圍檁、水平支撐主筋的斷頭位置。圍檁主筋坑內(nèi)側(cè)鋼筋斷頭設(shè)在圍檁與水平支撐的結(jié)點處,坑外側(cè)鋼筋斷頭設(shè)在跨中。水平支撐主筋斷頭,下翼緣斷在垂直支撐處,上翼緣斷在垂直支撐跨中。(2)水平支撐交結(jié)點加腋處理。各支撐交結(jié)點作平面加腋處理,加腋尺寸從兩支撐邊交點沿各邊回退300mm的兩點連線形成的邊線作為加腋邊,構(gòu)造見典型節(jié)點圖7。4為補充生產(chǎn)線建設(shè)4.1辦公樓建設(shè)階段的建設(shè)順序主樓施工階段施工順序見圖8。4.2地下連續(xù)墻的施工技術(shù)地下連續(xù)墻施工工藝見圖9。4.3安裝護(hù)口、管口本工程的鉆孔灌注樁是支護(hù)結(jié)構(gòu),共分為二類。第一類是支承鋼筋混凝土內(nèi)支撐的,第二類是主樓擋土圍護(hù)排樁。各種類型鉆孔樁的直徑、孔底標(biāo)高見表1。灌注樁施工采用日產(chǎn)履帶式液壓鉆孔機(干鉆機)成孔。由于與地下連續(xù)墻同時施工,要求在使用場地上與地下連續(xù)墻施工進(jìn)行流水作業(yè)。為保證鉆孔灌注樁孔壁的穩(wěn)定在鉆孔樁上口設(shè)護(hù)口管護(hù)口管長6～7m。鋼筋籠分兩節(jié)吊放,鋼立柱在地面拼裝一次吊放鋼筋籠與鋼立柱在洞口電焊連接采用人造泥漿護(hù)壁保持孔壁穩(wěn)定,泥漿密度為1.06～1.15。二次清孔采用正循環(huán)方式,在清孔效果不理想時,結(jié)合反循環(huán)方式清孔,立柱樁沉渣控制在100mm以內(nèi),排樁沉渣控制在300mm以內(nèi)?；炷翝补嘀?導(dǎo)管埋入混凝土中要求不小于3m,保證混凝土的密實度和翻漿能力。對于擴孔現(xiàn)象較大的圍護(hù)排樁,采用外包錦綸布的作法進(jìn)行施工。4.4工測量及施工縫固定由于本工程鋼筋混凝土內(nèi)支撐縱橫交錯,錯綜復(fù)雜,有3根、4根多至8根相交,給施工測量帶來了一定的難度。實際施工中先用計算機計算出每根支撐交點的坐標(biāo),在現(xiàn)場用軸線法和坐標(biāo)法相結(jié)合的方法進(jìn)行施工測量工作。在支撐施工中,每次土方開挖到各道支撐底,支撐底部用水泥砂漿作底模,支撐側(cè)模用組合小鋼模,對拉件用3mm厚鐵條制作,支撐交界處用木模拼配。支撐圍檁與地下連續(xù)墻的連接用32錨固鋼筋,采用錐螺紋接駁器連接方法。支撐圍檁與鉆孔排樁的連接用32鋼筋與排樁內(nèi)的鋼格構(gòu)柱電焊連接錨固。主樓和裙房的第一道支撐是同時施工的,主樓的第二、第三道支撐是先于裙房的第二、第三道支撐施工的。為此,在主樓與裙房的第二、第三道支撐分界處留設(shè)臨時施工縫,并預(yù)留插筋和預(yù)埋件。在裙房支撐施工時,鑿除鉆孔排樁后,將裙房連接鋼筋電焊在主樓支撐預(yù)埋件上,使主樓與裙房支撐連成整體共同工作。4.5不透水層降水設(shè)計根據(jù)地質(zhì)資料提供的承壓水頭高度以及挖土深度進(jìn)行驗算,坑底不會出現(xiàn)大面積失穩(wěn)情況,所以本工程不需要降承壓水?；A(chǔ)最深處達(dá)-19.65m,根據(jù)地質(zhì)資料,坑底的土層滲透系數(shù)小,可視為不透水層。此外,又因圍護(hù)采用了地下連續(xù)墻,深度達(dá)36m,已有效地截斷了內(nèi)外水的滲透,所以本工程采用了在基坑內(nèi)設(shè)深井泵及輕型井點降水的施工方案。為滿足整個基坑各挖土階段的降水要求,基坑降水采用淺層降水與深層降水相結(jié)合的方法。即第一階段主樓采用深層降水方法,而裙房采用了淺層降水方法;第二階段裙房不再打設(shè)井點降水。淺層降水采用S1輕型井點,深層降水采用SB-2A深井泵。在主樓施工時,為了保證土方邊坡及車道邊坡的穩(wěn)定,在裙房區(qū)域主樓邊坡處及車道處還設(shè)了8套輕型井點,這部分輕型井點的施工均在第一次挖土后打設(shè)4.6土壤開挖4.6.1第一階段:第一階段為+問題為滿足主樓施工進(jìn)度要求,土方工程設(shè)計分為兩階段進(jìn)行。第一階段為主樓全部及裙房第一層土,土方量為15.5萬m3。第二階段為裙房第二、三、四層土,土方量為15.5萬m3。主樓挖土分層見圖10。4.6.2分層開挖和壓密注漿(1)第一次挖土實挖量為64000m3,開挖區(qū)域是主樓和裙房全部。開挖階段5臺挖土機在5個作業(yè)面同時開挖,挖至第一道支撐底標(biāo)高-4.0處;開挖由南向北退,運土車分別由工地上的兩個大門進(jìn)出。挖土工況見圖11。(2)第二次挖土實挖量為29000m3,開挖區(qū)域是主樓。開挖階段主樓分3個作業(yè)面從東向西同時開挖,挖至二支撐底。另外開挖進(jìn)入主樓一支撐以下的坡道,坡道斜率為1/10。主樓基坑南、西、北三面及坡道兩側(cè)均按45°放坡要求挖土。挖土工況見圖12。(3)第三次挖土實挖量為23000m3,開挖時兩個作業(yè)面同時開挖,挖至三支撐底標(biāo)高-13.5m。開挖由東向西退車輛全部通過一二級斜道進(jìn)出此次開挖主樓四周,中部留設(shè)中心島。為保證中心島不塌方,事先在坡腳進(jìn)行了壓密注漿處理。挖土工況見圖13。(4)第四次挖土實挖量為18000m3。這次挖土挖去主樓支撐四周,挖土工況見圖14。(5)第五次挖土實挖量為21000m3,挖土按二個作業(yè)面在中心島南北兩側(cè)逐級挖出臺階,留出中間道路與棧橋入口相連。臺階最終標(biāo)高在中心島面至坑底處的-15.65m。臺階上挖土機可一斗挖到底,使主樓支撐中間的大空間敞開區(qū)全部收至-19.65m。工況見圖15。本次挖土車輛全部通過棧橋及斜道進(jìn)出。4.6.3方案二:打空場后的方案(1)中心島棧橋挖土法的應(yīng)用在主樓挖土中,為加快挖土進(jìn)度,須解決挖土機及運輸車輛下基坑問題;為不影響支撐施工,挖土棧橋下部必須架空。棧橋的下端與中心島相連,另一端與第二道支撐連接。棧橋由立柱支承,標(biāo)高為-7.9～-11.3m。棧橋立柱下端為鉆孔灌注樁,上端為鋼格構(gòu)柱,棧橋面為鋼筋混凝土框架,框架上再擱置H型鋼形成挖土棧橋。土方運輸車輛通過一二級斜道和中心島棧橋進(jìn)入主樓中部,將土方運出基坑外。在中心島挖土收底后,挖土機停在中心島棧橋端部,將最后一部分土方挖出。中心留島法的技術(shù)關(guān)鍵有兩條:一是留島土體的高度應(yīng)盡可能低,以防止土體自重的垂直力演變成向四周輻射的水平力從而造成基坑變形二是留島坡度須小于45°,否則難以將坡留住并保持一定的時間。其次,為了確保留島土體的穩(wěn)定性,避免塌方,本工程對留島邊坡提前實施了壓密注漿。這一技術(shù)措施取得了事半功倍的效果,土方始終保持了很高的成形度,對護(hù)坡起到了積極的作用。另外,在島體約1/2高度處,留出一圈4m寬的臺階,使中心島的縱截面形成階梯狀,這樣處理的結(jié)果解決了施工中挖土機停置平面的問題,對護(hù)坡的作用也是十分明顯的。(2)二級斜道的應(yīng)用坑內(nèi)斜道分一級斜道和二級斜道兩部分,一級斜道是指基坑頂面到第一道支撐面的斜道,二級斜道是指從第一道支撐面到第二道支撐面的斜道。由于主樓第二次挖土到第五次挖土均要使用這兩條斜道,且主樓地下室施工也需使用這兩條斜道,運輸車輛行走頻繁,所以采用了鋼筋混凝土現(xiàn)澆路面。一級斜道在主樓和裙房第一道支撐施工完畢后,用墊土夯實的方法,形成1∶10的坡度,上澆8m寬,厚0.25m的混凝土,坡道內(nèi)配構(gòu)造雙向鋼筋。二級斜道在主樓第二次挖土中直接由挖土形成,上澆鋼筋混凝土路面。由于主樓的施工中有了這條從基坑頂?shù)交又胁康牡缆?大大加快了施工進(jìn)度。(3)坑內(nèi)棧橋和停機平臺的應(yīng)用為了滿足主樓和裙房的施工,在基坑內(nèi)設(shè)置2臺60t·m行走塔吊。為此在支撐設(shè)計中,根據(jù)塔吊路軌間距為5m的要求,將支撐系統(tǒng)中主樓南北兩側(cè)跨中支撐間距設(shè)為5m,使塔吊路軌直接安裝在支撐上使用。為加快裙房的施工進(jìn)度,解決坑內(nèi)大面積挖土的難題,在挖土機不可能進(jìn)入基坑底部的情況下,只能用抓斗挖土,為此須增加挖土點和運輸?shù)缆?減少坑內(nèi)小挖機的駁土距離。所以在基坑內(nèi)第一道支撐上,在南區(qū)和北區(qū)各設(shè)計了一條土方運輸?shù)缆?圖16)。運輸?shù)缆酚蛇M(jìn)出基坑的斜向棧橋和水平道路組成,棧橋和道路均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其施工制作在裙房第二次挖土結(jié)束后進(jìn)行。此時2臺60t·m行走塔吊固定在基坑西端使用,在坑內(nèi)運輸?shù)缆愤呌泄潭ǖ耐谕咙c,運輸車輛進(jìn)入基坑后,挖出的土方可直接運出。在裙房地下室結(jié)構(gòu)施工中,這2條道路是材料進(jìn)出的主干道,所以坑內(nèi)運輸?shù)缆返脑O(shè)置為裙房施工順利進(jìn)行創(chuàng)造了很好的條件。為了進(jìn)一步做到就近裝車,并使挖土機設(shè)備不占用車道裙房開挖時沿基坑四周和基坑中間條車行棧橋邊設(shè)置了若干停機平臺,使機、車配合,既相互分工,又互不干涉,大大方便了挖土的進(jìn)行。停機平臺按用途、支撐方法分為A、B、C三種類型:A型為平臺下采用鋼管支撐來承受機械工作荷載;B型為采用鋼筋混凝土的強度來承受機械工作荷載;C型是除滿足A型要求外,還承擔(dān)50t汽車吊吊運坑內(nèi)0.4m3挖機的工作平臺。圖17為坑內(nèi)棧橋和停機平臺的平面圖。地下連續(xù)墻帽梁按正常施工順序應(yīng)與地下室頂板一起澆搗,但由于本工程基礎(chǔ)占地面積很大,基坑四周沒有足夠?qū)挼倪\輸?shù)缆?為解決這個問題,我們采用了地下連續(xù)墻帽梁先期施工的方法,即在裙房第二次挖土前,將帽梁施工完畢,然后再澆搗基坑四周的道路,其標(biāo)高同帽梁頂標(biāo)高。由于地下墻寬1m,加上外挑1m,所以道路共加寬了2m,滿足了裙房施工的需要。5支撐系統(tǒng)和輔助設(shè)備的拆除5.1跨空場錨點確立(1)主樓基礎(chǔ)底板施工完畢后,在養(yǎng)護(hù)期間用人工方法鑿除中心島棧橋。(2)基坑二級斜道在裙房第二次挖土中,用空壓機鑿除。(3)基坑一級斜道在裙房第二次挖土收尾時,用空壓機鑿除。(4)在裙房基礎(chǔ)底板施工完畢,并達(dá)到一定強度后,用爆破的方法拆除主樓和裙房的第三道支撐。(5)在裙房地下三層樓板施工完畢(與第二道支撐相碰的部分后做),且置換支撐和樓板達(dá)到一定強度后,用爆破的方法拆除主樓和裙房的第二道支撐。(6)鑿除所有停機平臺和局部與結(jié)構(gòu)柱相碰的第一道支撐。(7)部分±0.00層施工完畢,用機械鑿除所有斜向棧橋。(8)完成±0.00層樓板后,用爆破的方法拆除主樓和裙房第一道支撐。(9)置換支撐在裙房地下三層后澆樓板施工完畢,并達(dá)一定強度后,用爆破方法拆除。5.2內(nèi)部鋼筋混凝土支撐爆炸方案5.2.1清理留孔前留孔鋼筋混凝土支撐施工時預(yù)埋紙制爆破孔。在爆破前對留孔進(jìn)行清理,并按計算放置一定的藥量。爆破時,采用延時起爆,一次起爆藥量不超過15kg,保證不影響附近居民及設(shè)施的安全。5.2.2爆破預(yù)裂孔爆破地下連續(xù)墻既是結(jié)構(gòu)墻體,又作為圍護(hù)墻體,因而在爆破時,要確保連續(xù)墻不因爆破而產(chǎn)生裂縫或內(nèi)傷。為確保連續(xù)墻體的安全,爆破作業(yè)時,在爆體和連續(xù)墻之間先實施預(yù)裂爆破,預(yù)裂孔爆破后所形成的預(yù)裂縫把要求保護(hù)的連續(xù)墻和爆體分為兩個相對獨立的部分,從而減小爆破時振動對墻體的影響。預(yù)裂孔爆破采用隔孔裝藥,藥量為正常破碎孔的40%～50%,爆破時采用2號巖石硝銨炸藥。5.2.3爆破防護(hù)施工每道支撐爆破為1期,每期根據(jù)支撐的分布共分五區(qū)分別進(jìn)行爆破施工,為控制飛石,在每道爆破的支撐上覆蓋1層草包,再在上層用搭竹笆封閉的方法進(jìn)行防護(hù),每區(qū)的爆破作業(yè)順序是:支撐梁及圍檁結(jié)合部的預(yù)裂爆破→支撐梁的爆破拆除→圍檁的爆破拆除。6地下連續(xù)墻與鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土桁架支撐設(shè)計方案(1)為解決超大基坑基礎(chǔ)施工的工期問題,在基坑內(nèi)采用臨時鉆孔灌注樁圍護(hù)主樓區(qū)域,使主樓先期施工為一種合理的圍護(hù)設(shè)計安排。這樣安排同時為運輸車輛下基坑創(chuàng)造了條件也加快了施工進(jìn)度(2)主樓中心島挖土方案是成功的。在考慮中心島方案時,應(yīng)認(rèn)真研究中心島土層的物理性質(zhì),在上海地區(qū)應(yīng)盡量避免在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層設(shè)中心島,否則應(yīng)對該土層進(jìn)行加固。進(jìn)入中心島的道路宜設(shè)架空棧橋,以減少運輸車輛對中心島土體的擾動。(3)在裙房挖土施工中未打設(shè)深層降水井點,所挖土層成形度也較高。這主要是因為采用了二墻合一的地下連續(xù)墻,有效阻止了基坑外地下水的進(jìn)入;采用多點棧橋式挖土方案對土層擾動很小,土層中的