综合楼深基坑开挖与支护结构设计方案.docx

某综合楼深基坑开挖与支护结构设计

一、工程概况
1. 环境条件概况
某综合楼是集购物、商住、办公于一体的综合性建筑，建筑面积70000m2。工程占地面积144×40m2。上部结构由三幢19~20层的塔楼组成，最大高度达81.5m，其中1号、2号楼带三层裙楼，三幢楼的裙房连在一起。塔楼群房采用框架剪力墙结构，钻孔灌注桩箱形基础，设两层地下室，挖深为8.9m，电梯井局部挖深达11.6m。该建筑物西侧剧长宁街仅5m，且在路面下埋有电缆线、煤气管道、自来水管道及污水管道等市政公用设施。南边是xx施工现场，其围墙局开挖最小距离为4m，xx小区土方开挖时，xx施工现场正处于打钻孔灌注桩阶段。东侧大部分为一片已完成拆迁的空地，其中有一幢xx服装厂的四层厂房，间距约13m，北侧距xx街约12m。建筑场地平面位置见下图。
建筑场地平面图
2. 工程地质概况
该场地为原住宅及厂房等拆除后整平，场地基本平坦。根据地质勘测勘料，地下水位埋藏较浅，平均深度为1.15m，其中上部土层透水性较好。
该场地30m深范围内土层的主要物理力学指标如下：
层序
土层名称
层厚/m
天然含水量w(％)
重度γ
（kN/m3）
内摩擦角
φ(º)
内聚力C(kPa)
渗透系数
K(cm/s)
1
杂填土层
3.0~4.8
30.5
18
10.0
5
5.4×104
2
粉土层
3.5~4.0
31.7
18.9
35.0
10
5.52×104
3
粉土夹沙层
3.5
30.6
18.7
35.5
6.5
5.25×104
4
淤泥质粉
质粘土层
3.5
34.1
18.9
11.2
15.6
4.50×104
5
粉土层
3

18.4

6
粉土层
1

17.3
43.0

7
粉质粘土层
8

19.1
30.65

二、降水设计
根据本地的工程地质水文条件以及周围环境，设计采用喷射井点降水系统。由于上部透水性较好，采用环圈形式布置井点，并配抽水设备。方案为潜水完整井。

1． 井点系统布置
井点管呈长方形布置，总管距沉井边缘1.5m。沉井平面尺寸为144×40m2，水力坡度取1/10。
1) 井点系统总长度
[（144+1.50*2）+(40+1.50*2)]*2=380m
2) 喷射井点管埋深
H=11.6+IL1=11.6+1/10*43/2=13.75m
取喷射井点管长度为14m
3) 虑水管长度取L=1.5m ,φ38mm
4) 在埋设喷射井点时冲孔直径为600mm，冲孔深度比滤水管深1米.
即：14.50+1.50+1.00=17.00m
井点管与滤水管和孔壁间用粗砂填实作为砂滤层，距地表1.00m处用粘土封实以防漏气。

2. 基坑排水量计算
2) 渗透系数的确定
土的渗透系数用第二层和第三层的加权平均值
=*10-4
=5.36*10-4cm/s
=0.46m/d
2) 含水层厚度Hw
Hw=3.9+3.8+3.5+3.5+3+1-1.15=17.55m

2) 基坑要求降低水位深度S′
S′=11.6-1.15+0.5=10.95m
2) 地下水位以及井管长度，即井管内水位下降深度S
S= S′+i L1=10.95+1/10*43/2=13.1m
2) 影响半径R
R=10s=10*13.1*=88.8m
2) 引用半径r
r===44.87m
2) 基坑总排水量Q
Q=
=
=239.8m3/d

3. 单根井点管的出水量
q =65πdl
=65*3.14*0.038*1.5*
=8.98m3/d

4. 单根井点管数及间距
N=1.1Q/q=1.1*239.8/8.98=29.4
实际用30根井点管
D=(147+43)*2/30=12.67m
实际间距取12米， 实际布置图见图2。
注意：在井点系统抽水期间应加强地面沉降的观测，防止由于地面沉降而引起的环境问题。
按此喷射井点设计方案降水在沉井施工过程中降水效果好，满足设计要求。

三、 土层压力计算
因墙背竖直、光滑，填土面基本水平，符合郎金条件计算时假定附加荷载q=10kp
个填土层物理力学性质该书中已给，不再赘述。计算过程如下：
Ka1 =tan2(45。-10。/2)
=0.7
σa0 =qKa1-2c1
=10*0.7-2*5*
=-1.37kp
σa1 =(10+18.1*1.15)*0.7-2*5
=13.2kp
σa2 =(10+18.1*1.15+8.1*3.35)*0.7-2*5
=32.2kp
Ka3 =tan2(45。-35。/2)
=0.27
σa2’=(10+18.1*1.15+8.1*3.35)*0.27-2*10
=5.25kp
σa3=(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4)*0.27-2*10
=14.86kp
Ka4= tan2(45。-35.15。/2)=0.27
σa3’ =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4)*0.27-2*6.5
=18.5kp
σa4 =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4+8.7*3.5)*0.27-2*6.5
=26.7kp
Ka5 = tan2(45。-11.2。/2)
=0.67
σa4’ =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4+8.7*3.5)*0.67-2*15.6
=57.5kp
σa5 =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4+8.7*3.5+8.4*3.5)*0.67-2*15.6
=77.2kp
Ka6 = tan2(45。-17.3。/2)
=0.54
σa5’ =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4+8.7*3.5+8.4*3.5)*0.54-2*43
=19.6kp
σa6 =(10+18.1*1.15+8.1*3.35+8.9*4+8.7*3.5+8.4*3.5+8.9*3.5)*0.54-2*43
=36.5kp
被动：
Kp4= tan2(45。+35.12。/2)
=3.7
σp4 =8.7*0.4*3.7+2*6.5
=37.9kp
Kp5= tan2(45。+11.2。/2)
=1.48
σp4’ =8.7*0.4*1.48+2*15.6
=43.1kp
σp5 =(8.7*0.4+8.4*3.5)*1.48+2*15.6
=86.6kp
Kp6 = tan2(45。+17.3。/2)
=1.85
σp5’ =(8.7*0.4+8.4*3.5)*1.85+2*43
=177.8kp
σp5’ =(8.7*0.4+8.4*3.5+8.9*3.5)*1.85+2*43
=235.4kp
土层水的压力：
σW=γW HW
10*（11.6-1.15）=104.5kp
不考虑渗流的影响

土层水土压力图

四、 基坑护围及支护方案设计
1. 方案选定
1) 东侧和北侧采用放坡另加适当的土钉墙；基坑开挖深度为9米，采用1:0.577即坡角60度放坡开挖，中间设1.5米平台。
2) 南侧采用人工挖孔桩配合对拉锚杆支护结构。
3) 西侧由于对基坑侧壁变形稳定性要求较高，宜采用土钉墙支护。
2. 方案设计及计算
1) 东侧和北侧放坡段

板面：C20喷射混凝土，厚度100mm
钢筋网：φ6@200mm*200mm
土钉：共设4排土钉，水平间距与垂直间距为2米
土钉规格：φ28L8000mm@2000mm
分布见图纸
① 内部稳定分析
为方便计算土层力学性质采用加权平均值。附加荷载为10kp，临界破坏面为楔性破坏面，破坏面倾角为：45○+φ/2
计算时可用下式：
K= [CL+（W+Q）Sin(45。+φ/2)tanφ+Tsin(45。+φ/2+Θ)tanφ+ Tcos(45。+φ/2+Θ)]/(W+Q) cos(45。-φ/2)
公式说明：
φ为土层平均内摩擦角
取φ=
=22.4。
c为土层平均粘聚力
取c =
=7.3kp
γ为土层平均重度
取γ=
=18.5kN/m3
w为土层自重
取w=0.5γH2tan(45-φ/2)-0.5γ*H2cot60
=0.5*18.5*8.92tan33.8-0.5*18.5*8.9*8.9*0.58
=65.5kn/m
H为井深8.9m
L为楔形滑移面长度
L =H/cos(45-11.2)
=8.9/cos33.8。
=10.7m
Q为地面载荷
Q =10*8.9tan(45-11.2)
=59.6kn/m
T为土钉的支撑力
T =*20/1.5
=32*20/15
=426.7kN/m
Θ为土钉与水平面的夹角10度
将以上数据带入公式中
K=
=4.2
② 抗滑稳定计算
安全系数KH=FT/Eax
公式说明：
KH为抗滑安全系数;
FT为墙底断面上产生的抗滑力;
Eax为墙后主动土压力。
Eax=（0.5γH+q）Htan2(45-φ/2)-2cH tan(45-φ/2)+2c2/γ
=(0.5*18.5*8.9+10)*8.9tan233.8-2*7.3*8.9tan33.8+2*7.32/18.5
=287kN/m
FT=(W+qB)tanφ
B=11/12*8cos10=7.2m
FT=(18.5*8.9*7.2+10*7.2)tan35.15○=885.4kN/m
KH=885.4/287=3.1
满足稳定要求

③ 抗倾覆稳定计算
安全系数：KQ=MW/M
MW=(W+qB)*0.5B
=(18.5*8.9*7.2+10*7.2)*0.5*7.2=4526.9kN/m
M=Eax*1/3H=287*1/3*8.9=851.4kN/m
KQ=4526.9/851.4=5.3
满足稳定要求
2) 西侧土钉墙支护设计
板面：C20喷射混凝土，厚度100mm
钢筋网：φ6@200mm*200mm
土钉：共设8排土钉，水平间距为2米, 垂直间距为1米。
土钉规格：前三排：φ28L4000mm@1000mm
下五排：φ28L10000mm@1000mm
内部稳定分析
为方便计算，土层力学指标采用加权平均值，临界破坏面为楔形划移面
破坏面倾角为 （45+）
楔形划移面长度 ==10.6 m

土层平均加权内摩擦角

==24.263
土层平均加权粘聚力c

c==7.354

土层自重W
W=γH[tg(45-φ/2)-2.38]
=0.5*18.87*8.9* =283.05 kN/m
地面附加载荷Q
Q==20*8.9tan(45-)=67.41 kN/m

==10.6 m
土钉与水平面的夹角 = 10
土钉锚固力T
T =*20/1.5= 29.6*20/15= 493.3kN/m
土钉内部稳定系数K

=2.06

抗滑稳定计算
KH=
KH ————抗滑安全系数
FT ————墙底断面上产生的抗滑力
Eax ————墙后主动土压力

=(0.5*18.87*8.9+20)*8.9tan233.8-2*7.354*8.9tan33.8+2*7.3542/18.87
=307.5 kN/m
F=(W+q) Btg
B=*cos10=4.74
F=(18.87*8.9*4.74+10*4.74)tan24.263= 401.5kN/m
KH =401.5/307.5=1.31

满足稳定要求

抗倾覆稳定计算
KQ=
MW=(W+q) B*0.5B
=(18.87*8.9*+10)4.74*0.5*4.74=2111.3kN/m
M= = 307.5*1/3*8.9=912.5kN/m
KQ=2111.3/912.5= 2.31
满足稳定要求
3）南侧段
² 基坑下土压力零点：
设土压力零点距基坑下x米:

x= 0.51m
=229.6 KN/m
计算合力点：

=4.8 m

由布鲁姆理论的计算曲线可查得：

桩总长 8.9+9.99=18.89 m
² 求最大弯距
最大弯距位置：在剪力Q=0处，设从地面往下处Q=0，则有：

最大弯距

² 截面配筋
选 32
钢筋总抗弯能力

桩间距 取b=1.0 m
为了减少竖向钢筋的用量，可考虑受压区（靠基坑一侧的半圆截面）砼的抗压作用，
砼用C20

受压区每根钢筋截面积为

按构造选配 25
为进一步减少钢筋用量，宜在桩身上部减半配筋。
求弯距点，试算地面下7.5m处的主动土压力强度值

=29.6 Kpa

因此，挖孔桩钢筋笼中，竖向钢筋的配置为：
上部 7.5m： 5 32mm + 5 25mm
下部 10.8m： 10 32mm +10 25mm
25mm钢筋全部配置在桩身砼受压区，即在面向基坑内侧的半圆内
布置图见图纸。
² 验算
①整体稳定性验算
由于围护桩插入深度比较大，且布置较密，在施工中为增强整体稳定性，在桩与桩之间设圈梁，提高边坡抗滑移能力。根据经验，可不验算整体稳定性。
②桩墙底地基承载力验算

满足要求
③基坑底部土体抗隆起稳定性验算

其中
为基坑底面处墙体的极限抵抗弯距，可采用该处的墙体设计弯距

抗隆起安全系数

满足要求
④抗管涌稳定性验算
由于进行了人工降水，桩底部两侧水位相差不大，水力坡度较小。根据经验，可以不验算。
五、 基坑开挖
由于基坑北面和东面场地较为宽阔，故采用放坡形式。西面和东面由于距离街道、施工场地较紧，不宜采用放坡，故采用土钉墙和挖空灌注桩。开挖土方量总计60536.8m3。由于基坑较深，又不允许分块分段施工混凝土层，且地基土制较软弱，故采用分层机械开挖。此基坑深度为83.9m，即可分为三层，层厚为3.0m、3.0m、2.9m。
开挖顺序视工作面与土质情况，可从基坑东边向西边开挖。最后一层土开挖后，应立即灌注混凝土垫层，避免基底土暴露时间过长。
挖运土方方法采用设坡道开挖方法。土坡道的坡度视土质、开挖深度和运输设备情况而定，一般为1：8~10，破道两侧要求采取挡土或其他加固措施。由于场地东面较为宽阔，可以将坡道设在基坑外空地上，便于挖土机械正常运行。根据场地条件、挖土深度可采用反铲挖掘机，操作灵活，挖土卸土均在地面作用，不用开运输道。
土方开挖是深基坑工程施工的关键工序，必须十分慎重，除应因地制宜地选择好开挖方法和安排好开挖顺序外，还应注意：
1． 做好施工与材料准备及技术措施准备；
2． 要重视打桩效应问题；
3． 要尽量减慢开挖过程中的土体应力释放速度；
4． 要做好坑内外的降水、排水；
5． 要注意减少基坑顶边缘地面荷载，严禁超载；
6． 基坑开挖必须遵守“由上而下、先撑后挖、分层开挖”的原则；
7． 要做好保护工作；
8． 要做好对深基坑工程的监测和控制；
9． 做好验槽工作；
10．要确保施工安全。

六．设备及工艺
Ⅰ。设备：
土钉墙施工设备：电动钻孔机（如KHYD-40A型）、液压注浆泵（如SYB50-50型）、转子式混凝土喷射机、柴油机驱动空压机
挖孔灌注桩施工设备，根据谁及尺寸，选用KO系列潜水钻机或者回转钻
挖土机械：液压反铲挖掘机、履带式推土机、自卸汽车（中型2t~8t）
降水设备：钻孔可采用螺旋钻孔机，根据设 喷射井点系统设备的技术参数如下：
井点管直径（mm） 38
井点管总长度（m） 12.5
滤管长度（m） 1.5
喷嘴直径（mm） 3.5
工作压力（Mpa） 0.3
抽水高度（m） 13
每个井点出水量（L/s） 0.4
电动机功率（kw） 40
滤网采用多层滤网 空隙率20%
Ⅱ。施工工艺
1．降水施工工艺
根据施工场地周围构筑物以及水文地质条件，采用喷射井点降水。环形井点布置，总管
中间应安置一闸阀或将其断开，使集水总管内水流分在基坑开挖前降水，分层开挖，采地下
水位降于本开挖层0.5m。保证水位持续下降，严格控制水位，保证地面沉降不超过允许值。
（见井点布置图）
在人工降水施工中，为了防止流土和管涌，应设置反滤层，喷射井点反滤层尤为重要，
若质量不好会带入细砂，磨损喷嘴。
具体喷射井点施工
1）井点布置
由于该工程基坑面积较大，井点采用环形布置，进出口（道路）出的井点间距可扩大5~7m。
2） 施工
（1） 井点埋置与使用
①为保证质量应用套管法，冲孔加水及压缩空气排泥，当套管内含泥量及测定<5%时下井管及灌砂，然后再拔套管，因为喷射井点管大于10cm，采用吊车下管，下管时，水泵先运转，以便每下好一根井点管，立即与总管接通（不接回水管），及时单根试抽排泥，让开管内出来的泥浆从水沟排出，并测定真空度，待井管出水变清后地面测定真空度不宜小于93.3Kpa。
②全部井点管沉没完毕后，再接通回水总管全面试抽，然后是工作水循环，进行正式工作。各套进水总管均应用阀门隔开，各套回水管应分开。
③防治喷射器损坏，安装前对喷射井管逐根清理。
④工作水应保持清洁，试抽2d后，更换清水，之后定期更换清水，减轻对喷射嘴及水泵叶轮的磨损。
注意：①扬水装置的质量非常重要；
②工作水要清洁，减轻磨损；
③设逆止球阀，防止反灌；
运行时注意观测地下水位变化、井点抽水量、井点真空度等。同时，施工中要对
地下水位进行观测，坑外观测井的埋置，一般为5~8m，宜沿坑周边布置，间距一般
大于20，坑内地下水位井与降水井点埋置相同，数量不小于3个，也可利用短期内不抽水的降水井代替。
2．钻孔灌注桩施工工艺
采用潜水钻机（根据土质情况）
² 施工机械设备
⑴潜水钻机，特点是动力、减速机构与钻头紧紧相连，共同潜入水下工作，钻孔效率相对提高，噪声小，劳动条件好。
⑵潜水电钻，体积小，重量轻，结构轻便简单，机动灵活，成孔速度较快，已用于地下水位高的轻便土层（如淤泥质土、粘性土及砂质土）。
⑶钻头，可选用管式、简式或两翼钻头。
² 施工
⑴将电机变速机构加以密封，并同底部钻头连接组成一个专用钻具，潜入孔内工作，钻削下来的土块被循环的水或泥浆带出孔外。
⑵程序
设置护筒，内径1100mm，深度>1m，在护筒顶部开1~2个溢浆口；
安装潜水钻机；
钻进直至要求深度；
第一次处理空地虚土（沉渣）；
移水潜水钻机；
测定孔壁；
放钢筋笼；
插入导管；
第二次处理空地虚土；
水下注砼，拔出导管；
拔出护筒
简而言之，施工准备 测量放线 护筒埋设 钻孔定位 钻进成孔 清孔 吊放钢筋笼 二次清孔 浇筑水下砼
潜水成孔排渣有正、反循环两种
3．土钉墙施工工艺：
（1） 施工工艺流程
本工程施工工艺流程为：施工准备→土方开挖，休整边坡→钻孔→喷射底层混凝土→土钉制作安装→注浆→绑扎钢筋网，放排水管→喷射面层混凝土。
（2） 土方开挖
本土钉墙支护的特点是边开挖，边支护，所以与土方开挖相互密切协调是施工成败的一个重要方面。由于地质情况的变化，有时要求紧跟开挖面，迅速做混凝土面层。本工程在施工组织设计中，计划第一层开挖深度为2m，以后每层开挖深度为1—5m，不得超挖。
（3） 支护施工
1） 按照设计图纸进行土钉加工，焊接定位架，绑扎排气管，注浆管等；
2） 开挖出工作面后，立即休整边坡，放线，定出土钉位置；
3） 钻孔全部用小型麻花钻机和洛阳铲相结合，钻孔直径为110m，钻孔深度按设计要求；
4） 插入土钉，同时插入注浆管至孔底约100mm距离，边压力注浆边拔注浆管，当孔口流出水泥浆后即停止，6—8天后，等水泥浆收缩终凝，孔口封堵再进行，等二次补浆，直至饱和为止，注浆水灰比为：0.4—0.45；
5） 绑扎Φ6@200×200钢筋网；
6） 喷射C20混凝土至120mm厚；
7） 再开挖第二层，循环以上作业至基坑完成。

七．总结
本工程基坑面积达m2，挖深为8.9m。基坑面积较大，跨度较宽。地下水位埋藏较浅，且透水性好。南侧离新华联现场教近，只有4m，且开挖时正在进行钻孔灌注桩。西面紧挨着长宁街，且街下面布有管道线路。而东面和北面则场地较为宽阔，达到了12-13m的宽度。
针对以上特点，采取了如下措施
（1） 南面距离较短，且在灌注桩，所以采用了钻孔灌注桩悬臂式挡土墙。该施工方法具有震动小对环境影响小强度大等特点。在施工时不会对临近工地的灌注桩有影响。且4m距离不适合打锚杆或土钉。因此采用了悬臂自立式。但同时自立式挡土墙的桩顶位移变形较大，因此要做好桩的位移监测。
（2） 西侧由于空间和管线等的影响，且长度较长，考虑到钻孔灌注桩的时间长和在如此长范围内做桩的不经济性，所以经过比较采用了土钉墙结构。考虑到空间的狭小，为减短土钉长度，所以采用了放75度坡和密排土钉的措施，基本实现了把土钉长度控制在要求范围内。
（3） 在北侧和东侧有较大的空间，且基坑不是很深，考虑到经济性，所以采用了放坡措施，实现了经济效益的结合，经演算，满足施工要求。
（4） 由于本工程采用了放坡和灌注桩不加制水帷幕的措施，所以降水在本工程至关重要，为保证降水质量采用了环形降水，并且考虑到轻井两级降水的不经济性和施工中的复杂，所以采用了喷射井方案。经演算满足降水要求，工程合格。
（5） 基坑面积较大，周围场地空间较大，因此在土方开挖方面采用了分层开挖的方式。为加快施工进度全部采用机械开掘的方式。

通过本次设计培养了自己综合解决问题的能力，使自己有了一定的提高。在一个月的课程设计中，真正的使自己以前学过的知识得到应用。