广西某医院项目深填土深基坑支护方案优化设计.pdf

第 35 卷第 3 期湖南文理学院学报(自然科学版)Vol.35 No.32023 年 9 月Journal of Hunan University of Arts and Science(Science and Technology)Sep.2023doi:10.3969/j.issn.16726146.2023.03.007广西某医院项目深填土深基坑支护方案优化设计陈孔1,蓝玉华2,黎金龙1,黄之鸣1(1.中国建筑第八工程局有限公司南方公司,广西 南宁,530000;2.华蓝设计(集团)有限公司,广西 南宁,530011)摘要:以广西某医院项目深基坑支护设计为例,针对该项目存在场地狭小、填土深、周边公共建筑紧邻且水文地质条件复杂、概算缺漏项等诸多先天不足的条件,介绍了 EPC 总承包单位如何运用联合体合作模式,发挥技术与管理优势,将支护设计与主体设计充分融合,从而将一个超概严重的深基坑支护工程成功进行优化,节省造价约 1 800 万,节省工期 3 个月。该项目成功优化的案例,可为同类型深基坑支护工程优化设计提供参考依据。关键词:深基坑支护;EPC 总承包;优化设计中图分类号:TU 753文献标志码:A文章编号:16726146(2023)03003707Optimization design of deep foundation pit support scheme for deep filling soil ina hospital project in GuangxiChen Kong1,Lan Yuhua2,Li Jinlong1,Huang Zhiming1(1.China Construction Eighth Engineering Division Corp.,LTD.,Southern Company,Nanning 530000,China;2.Hualan Design(Group)Co.LTD,Nanning 530011,China)Abstract:In the case of the deep foundation pit support design of a Guangxi hospital project,there existeddeficiencies such as narrow site,deep filling soil,close proximity to public buildings and complex hydrogeologicalconditions,and omissions in the budget.To overcome these challenges and optimize the support design and maindesign,a case study was presented of how the EPC general contractor used the joint venture cooperation model,andsuccessfully delivered a super-budget deep foundation pit support project,saving approximately 18 million yuan and3 months of construction time.The successful optimization of this project can provide reference for the optimizationdesign of similar deep foundation pit support engineering.Key words:deep foundation pit support;EPC general contract;optimal design过去20年,随着社会经济发展,城市建设热潮兴起,但由于城区土地范围与配套资源有限,用地紧张,加上地价不断攀升,于是兴建高层建筑、大型地下购物中心等成了解决用地紧张的一个有效方式。不可否认,我国大中城市高层建筑的快速发展,为城市居民提供了更为优越的生活环境及工作条件1,同时,也能够反映一个城市的综合实力及经济发展水平23,并且能够利用城市有限的土地资源发挥更大的利用空间4。但城市发展建设的同时,建筑物越来越多,而建筑设计使用周期较长,从而导致后期项目建设时,往往周围建筑密集,市政管网交织,从而导致城市的深基坑作业越来越多。通信作者:陈孔,。收稿日期:20230326基金项目:湖南省自然科学基金面上项目(2022JJ30423)。38湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年深基坑工程存在风险性大,区域性强等特点。场地不同,周围建筑不同,地质条件不同,地下水深度及承压情况等不同,都会对基坑工程产生不一样的影响5。一个好的深基坑支护设计,既要保证支护结构施工过程和周围环境安全,又要在满足安全的前提下节约造价,方便施工5。深基坑支护方案的选择直接决定着基坑整体的安全性和经济性,因此选择一种合适的支护方案显得尤为重要6。常见的支护方式主要有放坡开挖、板桩支护、排桩支护、土钉墙支护、地下连续墙和内支撑支护等78。在城市城区进行基坑作业,周边有着较为密集的建筑物,内支撑支护结构可以严格控制基坑变形量且不受基坑开挖深度的影响910,因此,在城区深基坑工程中应用较多。此外,随着近年来 EPC 工程总承包模式的不断改进与完善,EPC 工程总承包模式下,设计管理对项目的全过程管理具有重要影响11。当前市场大部分 EPC 项目都是建设单位在完成初步设计方案之后,才进行施工图设计与工程施工的联合招标,这就导致后续进场的联合体单位,需要在初步设计以及根据初步设计所编制的投资估算框架范围内,进行下一步的深化与实施工作。初步设计的不完善,也往往为后续工作的开展埋下了不小的陷阱,从而考验着后续总承包单位的管理能力。1工程概况该项目位于南宁市厢竹大道59号广西壮族自治区妇幼保健院厢竹院区对面地块。项目用地面积 19 754.33 m2(合29.63 亩),建筑为门诊医技病房综合楼主楼地上 12 层,结构总高 51.20 m,裙房地上28层不等,裙房结构最高处35.20m,设置 3 层地下室,负一到负三层层高分别为 5.05、4.80、4.80 m。室内外高差0.30 m,建筑总面积为 114 335 m2。基础形式采用筏板+下卧式柱墩,筏板厚度1 200 mm。场地位置见图 1。本工程场地狭小,东西方向长约167.8 m,南北方向宽约 120 m。场地北侧为兴宁区政府办公所在地,西侧为自治区统计局所在地,东面紧邻厢竹大道,南面为建宁路,对面为已投入使用中的广西区妇幼保健院。西侧与北侧现状标高与项目设计地面标高高差大,西侧统计局围墙离地下室外墙水平距离仅6.5 m而地面高差达 4.0 m。场地现状地面北高南低,西高东低,总体较建宁路路面高约 5.0 m。地面开挖至首层支护标高后的现场航拍图见图2,图中西侧与北侧已做完永久支护。2场地工程地质与水文地质条件2.1场地岩土层分布及特征项目场地曾经为填土区,平均填土在 1020 m 深度范围。根据地勘报告,在钻探深度范围内揭露的地层从上到下依次分布有:素填土、黏土、强风化泥岩、中风化泥岩、泥质粉砂岩互层。其中素填土主要由黏性土、圆砾、碎石等组成,部分区域有少量建筑垃圾(碎砖块、废砼块等)富集,填图 1项目地理位置示意图图 2首层支护施工阶段航拍图第 3 期陈孔,等:广西某医院项目深填土深基坑支护方案优化设计39土时间 10 年左右,欠压实,结构疏密不均,工程性能差,抗剪强度低,基坑开挖时对基坑壁的稳定性有一定影响,同时将可能对桩产生负摩阻力;黏土黄色,灰黄色,稍湿,硬塑状,分布于场地部分地段,层厚 0.702.70 m,平均厚度 2.15 m,厚度较薄;主体结构筏板持力层以强风化粉砂质泥岩为主,超挖部分采用素砼换填。各岩层物理力学性状见表 1,典型工程地质剖面见图 3。表 1各地层岩土物理学参数地层名称重度/(gcm3)压缩模量/MPa内摩擦角/粘聚力/kPa承载力特征值/kPa素填土2.054.506.517.080黏土2.067.8013.531.5220强风化泥岩2.149.8014.033.5270中风化互层2.30600图 3典型工程地质剖面图2.2场地水文地质条件根据钻探结果,本场地范围无明显承压水,仅有 1 层上层滞水,主要赋存于素填土中,水量不大,根据现场环境及开挖情况判断,主要是周围办公区域生活用水及雨污水从高处渗漏下来,汇集于低洼处,向下部岩层或更低洼的区域排泄,部分通过蒸发方式排泄。地下水整体排泄方向为自北向南排泄。勘察期间其初见水位一般位于素填土中下部,本次勘察测得稳定水位埋深 2.8014.60 m,对应高程84.5795.73 m,其水位受季节影响较大,水量较小,无统一水位。2.3地下水不良作用建议处理措施在基坑开挖与支护及地下室施工过程中,采用集水明排的方法,在基坑周边砌筑排水沟,使上层滞水汇集到集水坑,再集中抽排。雨季施工,更应注意对基坑侧壁的保护,在基坑顶部周边做好疏排水措施,并及时进行抽排,减少雨水对基坑壁的冲刷。场地处于老城区,周边地下管线、低层建筑密布,基坑施工疏干上层滞水可能会引起周边地面不均匀沉降,危害到周边地下管线、低层建筑物的安全,要加强监测并及时处理。3支护方案设计3.1支护方案比选本工程系临时性工程,设计使用年限 12 个月,基坑安全等级为一级。在支护设计正式开始之前,首先进行了一轮方案比选,针对常规常见的几种支护方式,主要从经济40湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年性、适用性、安全性等方面进行对比分析:(1)采用桩锚的支护形式,锚索会超出用地红线且会扰动已有建筑物基础,不符合南宁市相关规定,且不安全,不适用;(2)由于本工程基坑开挖不具备大放坡空间,且基坑开挖深度较大,采用土钉墙不适用;(3)采用“地下连续墙+砼内支撑”形式,经商务测算造价较高,且项目场地受限,不具备施工作业面,可行性不高;综合考虑经济适用与安全,最终决定采用“钻孔灌注桩+砼内支撑”的支护形式。3.2支护方案设计初步设计方案将第一道支撑与冠梁标高定在主体正负零位置,以减少与外围现状地面高度差。在西侧及与西侧临近的南北两侧,高差超过 3 m 的位置,采用双排桩支护方案。外侧支护桩为永久支护桩,内侧支护桩为基坑临时支护桩,两排支护桩通过联系梁连接,共同作用,桩径 1 200 mm,采用钻孔灌注桩形式;高差小于 3 m 的区域则采用放坡加喷锚或者挡土墙的方式。坡面及桩间采用喷射混凝土面层保护,100 mm 厚细石砼,配单层双向钢筋网。支撑梁采用 C30 标号砼,截面以 1 000 mm1 200 mm 与800 mm 1 200 mm 为主。支护设计方案平面布置与场地红线分布见图 4,西侧支护剖面图见图 5。4基坑支护方案优化设计4.1基坑支护第一轮方案优化设计作为 EPC 项目,设计方案出来后,即提交各方进行审核并同步进行造价测算,因为造价才是最终影响业主决策的关键。本项目支护设计方案经初步测算,预算达到 6 000 多万,远超参建各方预期。究其原因,本项目投标阶段无支护设计方案图,投资估算单位对现场复杂情况考虑不足,合同约定基坑支护与土方及地基处理共用暂估价,扣除土方与地基处理后,剩余仅 800 万左右,对于一个回填土地区的深度超过 15 m 的深基坑支护工程,该项估算严重不足,单项超概近 5 000 万。考虑到本项目场地狭小,填土很厚,工期紧张,为节约成本,节省工期,降低造价,控制超概风险,项目团队经仔细研究图纸并咨询行业专家,找到设计优化思路,联合设计院首先进行了如下优化:(1)优化角撑和对撑的布置方案,增大斜撑间距,减少支撑梁数量和立柱数量,增大了施工作业出土及吊装空间。(2)降低冠梁标高 2.5 m,同时结合周边放坡,取消南边永久支护桩 37 根。图 4首层支护设计平面布置图图 5西侧支护剖面图图 6首次优化后支护平面布置图第 3 期陈孔,等:广西某医院项目深填土深基坑支护方案优化设计41(3)外排桩调整为挡墙,与基坑临时支护分开,优化永久支护桩桩长和桩径。经过第一轮优化后的支护平面布置图见图 6。对比优化前后平面图纸可以发现,优化后的基坑支护内支撑砼梁布置更加规整,受力更加合理,经测算,本次优化后节省造价约 800 万。4.2基坑支护第二轮方案优化设计项目支护设计方案虽经过第一轮优化,但节省的造价有限,超概数额仍然很大,建设单位仍不同意实施,项目也迟迟不得正式开工。为控制超概风险,争取项目早日正式开工,项目团队继续从设计图纸与勘察报告入手,进行了第二轮方案优化。经对比支护设计和主体结构地下室施工图,靠近兴宁区政府一侧的 6#汽车坡道只下到地下负二层,7#汽车坡道只下到地下负一层,6#、7#汽车坡道平面与剖面对应关系见图 7。车道与主体关系明确后,第二轮优化思路也就清晰了。创造性的将该范围支护桩内收至紧贴地下室外墙,车道范围采取后开挖化内支撑布置。该方案不仅能缩小支撑范围,减小支撑宽度,而且可以减少土方开挖与回填,同时车道后施工范围可以作为基坑及主体施工阶段的钢筋加工与材料堆放场地,同步解决了现场场地狭小,缺少加工与堆场的限制,缩减总进度工期,为项目顺利交付业主使用创造有利条件。优化方案明确可行后,项目团队积极发挥 EPC 总承包优势,主动联系设计,阐述优化思路,并经设计复核验算通过后,再组织专家论证,最终,该方案获得专家及参建各方的一致认可。第二轮优化方案通过缩小内支撑梁对撑跨度,可以明显减少支撑梁与立柱装数量,立柱间距进一步增大,施工作业与出土空间也更加宽敞,且整个方案看上去更加整齐美观,提升品质形象。优化后的首层支护平面布置图见图 8,图中,号区域即为车道施工方案调整后收进的内支撑范围,号对撑区域砼支撑梁由四道主支撑梁继续优化为三道,支撑次梁也明显减少,四个角撑也得到了进一步的优化,支撑梁和立柱桩进一步减少。4.3车道范围支护设计主体范围的支护优化完成,6#、7#车道的支护也需要同步设计,虽然通过优化之后,车道开挖深度减少,但是下到负二层的车道及车道基础,仍然有 10 m 左右的开挖深度。由于车道是由浅入深,通过设计计算,对于开挖深度较浅的车道范围,采取“放坡+锚杆+钢板桩+钢板支撑”的形式,对于开挖深度超过一定深度的区域,采取“二排支护桩加钢管斜撑”的方式,二排支护桩与主体支护桩同步施工,后续施工车道时,再开挖破桩,做冠梁与钢管斜撑,剖面大样如图 9 所示。4.4基坑支护方案优化成果通过两轮大的支护方案优化,支护桩、内支撑结构梁及钢格构柱节省用量明显,拆除工程量也同步减少。主要材料工程量变化统计见表 2,由表 2 可知,经过两轮优化后,主要材料节省均在 30%左右,其中钢格构柱优化最明显,优化近 60%,其次是拆除工程量,优化 41%。图 76#、7#汽车坡道平面与剖面对应关系图 8二次优化后的首层支护平面布置图图 9车道范围后开挖支护设计典型剖面图42湖南文理学院学报(自然科学版)2023 年表 2主要材料工程量变化统计表方案版本泥浆护壁水下砼/m3结构及垫层砼/m3桩与支撑梁钢筋/t钢结构格构柱/t拆除钢筋砼量/m3原设计方案33 294.779 978.593 627.02760.456 987.64第一轮优化30 476.607 535.883 018.86537.894 789.26第二轮优化23 536.476 987.522 568.35305.654 102.96优化效益率29.31%29.97%29.19%59.81%41.28%经商务数据对比测算,两轮方案优化总计节省造价近 2 000 万,其中主材优化第一轮节省约 800 万元,第二轮节省约966万元,两轮优化主材节省近1 800万(见图10);同等投入与作业条件下,按工期计划推算,节省工期近百天。项目基坑支护方案优化成果不仅节省造价,节约工期,而且提升了项目前期建设的品质观感,为项目后续创优创奖创造良好的先决条件,同时以基坑优化为载体,BIM 技术相结合,申报发明专利 3 项。项目主体支护完成后的现场航拍图见图 11,图中右上角区域即为后开挖的 6#、7#车道所在区域。5结语本工程由于初步设计缺项造成支护工程单项超概严重,虽然是设计牵头的 EPC 工程,但是施工单位主动作为,利用管理优势,充分发挥系统联动,调动内外部资源,以设计为引领,以生产为主线,创造性的将单个基坑工程拆分优化,将主体工程与支护工程统筹考虑,结合周边地势情况分段采取最优支护方案,成功将一个超概严重的支护工程,顺利优化落地。既满足了设计规范要求,也节省了造价,加快了施工进度,充分发挥和体现了 EPC 联合体总承包模式的灵活性与适用性。本文的优化思路,可为后续同类型基坑支护工程设计与优化提供参考。(1)深基坑支护安全性要求高,所有优化的前提,安全性及规范要求必须保证。(2)基坑支护并不是一个单独的工程,不管是设计还是优化,都应该结合主体工程、基础形式以及周边环境同步考虑。(3)EPC 联合体应发挥 EPC 总承包模式的优势,设计方案能更好地指导现场实施,反过来,现场条件也能更有效更及时地反馈给设计,从而反向优化设计方案。(4)EPC 模式下,建立相应的设计管理人才队伍很有必要,拥有自己的设计管理团队,才能发挥设计引领作用,从而更好的结合现场实际困难与需求,主动提出更加合理的设计优化方案。参考文献:1王妙灵,王浩.高层房屋建筑深基坑支护承压结构局部抗震性试验分析J.地震工程学报,2022,44(2):299305.2李正农,林强.非同步采样的高层建筑模态识别J.自然灾害学报,2019,28(5):4858.3肖从真,刘鹏,徐自国,等.钢筋混凝土框架核心筒高层建筑结构中美规范设计对比J.建筑结构学报,2019,40(2):7076.图 11支护工程完成后的现场航拍图主要构件造价(万元)原设计方案 第一轮优化 第二轮优化图 10主要构件造价测算对比柱状图第 3 期陈孔,等:广西某医院项目深填土深基坑支护方案优化设计434周云,卢德辉,龚晨,等.昆明某高层建筑消能减震设计J.建筑结构,2019,49(7):116121.5袁志阳.深基坑开挖数值模拟与锚固优化研究J.施工技术,2011,40(350):5457,105.6杨小康,郑良锋,周铭嘹,等.深基坑支护设计及对周边环境的影响分析J.建筑结构,2021(S2):1 5141 516.7付旺平.江西某基坑支护方案及对周边建筑物影响研究D.南昌:南昌大学,2020.8李立飞.高层建筑基坑支护施工对周边建筑的影响及工艺优化J.建筑施工,2020,42(9):1 6361 637.9林春.某地铁车站深基坑支护方式的 FLAC3D模拟分析J.湖南文理学院学报(自然科学版),2018,30(1):7074.10 渠红霞,袁超,张宗堂.压力型锚杆锚固界面蠕变特性试验J.湖南文理学院学报(自然科学版),2016,28(2):464911 彭鸣,谢宏杰,毛雨薇.EPC 工程总承包设计管理优化研究J.工程总承包,2022,10:8690(责任编校:郭冬生)参考文献:1姬建,张哲铭,夏嘉诚,等.基于逆可靠度分析的隧道开挖面极限支护压力优化设计J.岩土工程学报,2021,43(10):1 8251 833.2彭学军,孙望成,饶永强,等.盾构施工对周边建筑物影响及其保护技术J.湖南文理学院学报(自然科学版),2020,32(2):7579.3HUANG M,LI S,YU J,et al.Continuous field based upper bound analysis for threedimensional tunnel face stability inundrained clay J.Computers and Geotechnics,2018,94:207213.4YU L,CHENG L,WANG M,et al.Threedimensional upper bound limit analysis of a deep soiltunnel subjected to porepressure based on the nonlinear MohrCoulomb criterion J.Computers and Geotechnics,2019,112:293301.5CHENG 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