结构工程师
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旋流沉淀池深基坑支护结构的设计及施工

  【摘 要】通过对工程实例的介绍,对混凝土排桩支护的设计和半逆作法施工在冶金工业大直径旋流沉淀池中的应用进行了论述,并提出在施工中应特别注意的问题。


  【关键词】旋流沉淀池;深基坑支护;半逆作法;设计;施工1 前言旋流沉淀池是汇集轧机在轧制生产过程中产生的大量冷却水及氧化铁皮的构筑物,是钢铁企业中废水处理和再利用的重要设施。旋流沉淀池一般属于圆筒结构体系,直径较大,基坑较深。大型旋流池的工艺带给结构工程师的问题是首先必须解决安全、可行、经济的地下结构空间支承体即支护体系,其次必须充分考虑在支护体系下建造满足工艺要求的结构,并结合支护的特点及沉淀池的结构特点,从施工全过程及使用过程各阶段综合考虑,以降低投资费用和建设周期。


  采用基于半逆作法的设计理论和方法进行设计施工的通钢转炉炼钢连铸系统水处理旋流沉淀池是在涟钢转炉及马钢转炉等工程经验积累的基础上,经过与业主方,施工方并结合现场实际情况及工期等方面的要求而最终确定的方案。


  2 工程概况本沉淀池位于炼钢连铸车间切割跨(C~D轴线)13与14线之间,14线之外为厂房外部三期预留场地。沉淀池由外筒池壁、泵站平台、吸水槽及底板组成。沉淀池筒体内径18m,池壁厚1.2m。筒体上有两层钢筋混凝土平台连接,平台板面的标高分别为-6.500m,0.300m。平台悬挑在筒壁上,悬挑长度为6.95m,这就需要筒壁有足够的刚度以支撑平台。外筒体底部为圆平板,底板厚度为2.5m,外筒体底部顶面标高为-21.700m,底板底标高为-24.2m,顶板顶部标高为+0.3米。


  该项目特点如下:


  (1)基坑深,直径大,基坑开挖深度达24.5m,基坑开口直径约21m。


  (2)施工场地狭小,邻近主厂房柱基础等障碍物,施工时既要考虑周边环境对自身的要求,同时又要考虑其对周边其他已施工项目的影响。


  (3)基坑-8.000m左右即到达圆砾,砾石层,在-20.000m左右到达强风化的泥岩层。


  (4)场地地下水丰富,施工过程中会有流砂出现。


  根据旋流沉淀池工程的规模及场地情况以及工程建设施工顺序,按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)规定,基坑安全等级为二级,即须考虑深基础施工支护的措施。深基坑支护结构设计必须充分考虑其结构水平变形、地下水的变化对周边环境的水平与竖向变形的影响及确定支护结构的水平变形限制。若按传统做法,会出现:1)基坑开挖、回填运输工程量大;2)混凝土用量大;3)投资大;4)工期长。因此,选择合理的基坑支护方式及施工方法是项目实施的关键。


  3 旋流沉淀池深基坑支护设计3.1 支护结构的选型(1)根据现场实际情况,旋流井中心位于连铸车间在13、14轴线中间,靠近C轴线11米, D轴19米;由于上述厂房柱基础已经施工完毕,无法采用大开挖的施工方案。


  (2)采用沉井方案,沉井下沉是通过侧壁刃脚切削土体而实现的。从地质情况看,地下 -8.00米就是砂砾层。此种地质情况将造成池壁不能下沉,此方案行不通。


  (3)采用地下连续墙作为基坑支护,方案可行,但是不能使用常规的抓铲成槽机(此设备对泥岩无能为力),必须使用双钻头钻抓式挖槽机和多钻头的钻削式挖槽机,此种机械能钻进砾石和泥岩。但这种设备较少,施工费用太高,不经济。


  经过各方面的考虑和研究,本着节约造价,加快施工进度,设备易找,工序简单,安全可靠实用的原则,在与业主及施工方充分沟通的基础上,我们采用:混凝土灌注排桩作为旋流沉淀池的基坑支护,桩顶冠梁及内层筒壁作为排桩的内支撑体系,采用半逆作法施工旋流沉淀池。支护桩采用Φ1000钻孔灌注桩,桩净距为100mm。桩长约30m,共约61根,桩顶标高约-4m,桩底标高约-34m,桩底锚入基坑开挖面以下泥岩层10m。桩顶设1700×1200mm钢筋混凝土冠梁与筒体连接。排桩起两个作用, 其一作为挡土支护桩;其二作为逆作筒体承重桩,承受池壁自重。在施工阶段,内支撑体系采用壁厚0.6m的外层筒壁与冠梁及桩一起构成直径21m的筒体结构,其强度和刚度都很大,不需另加横向支撑。该方案有如下特点:


  1)减少挖土面积,保护周边已施工完成的基础不受扰动。


  2)基坑支护桩起到保护沉淀池施工期间的安全和稳定。


  3)排桩方案能挡住地下基坑范围内的沙、砾石等散集料的坍塌。并减少基坑的积水,可以防止流沙的侵入,保证施工的正常环境。


  4)施工机械简单。既能保证成孔的质量又能保证工程进度。


  5)采用半逆作法,在桩及桩顶冠梁施工完后,从上到下逐段逆作施工外层筒壁,再从下至上顺序施工底板及内层筒壁。外层筒壁,冠梁与排桩的共同作用,可以改变排桩的力学计算模型,使排桩形成单层支点结构体系。同时又能保证各层悬挑平台与筒壁的有效锚固。


  3.2 支护结构设计基坑支护的设计重点在支护结构内力与变形的计算,可根据基坑开挖及地下结构施工过程的不同工况、根据受力条件分段按平面问题计算,本工程是按照支护桩排桩单层支点的方法进行计算的。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99),计算按照以下几个方面考虑:


  (1)确定土压力主、被动土压力应采用朗肯理论进行土压力计算。当按变形控制原则计算时,土压力可按支护结构与土体相互作用原理确定。工程中常用的土压力计算采用经典法土压力模型。其理论要点是支护结构的水平承载力与基坑内侧土体的水平抗力相平衡。


  (2)确定内力计算原则和计算方法目前基坑支护桩内力计算方法主要有两种:静力平衡法和弹性支点法。对于悬臂及单层支点结构的支点力Tc1截面弯矩计算值Mc,剪力计算值Vc可按静力平衡条件确定。静力平衡法便于工程人员进行手算从而估算支护桩的内力及截面大小。本工程采用的计算方法是静力平衡法  (3)确定结构内力及支点力的设计值排桩可根据受力条件分段按平面问题计算,排桩水平荷载计算宽度可取排桩的中心距;结构内力包括排桩的截面弯矩Mc,截面剪力Vc和支点力Tc1。


  (4)排桩支护稳定性计算排桩稳定性计算应包括抗倾覆,抗滑移,整体稳定,抗隆起及防渗漏等。根据理论分析及实践验证,满足抗倾覆要求,则其他各种稳定性基本得到了保证,可以根据抗倾覆稳定确定桩的嵌固深度。排桩支护稳定性计算的力学原理是主动土压力与被动土压力对所对应的嵌固点弯矩为零。


  (5)支护桩配筋计算:


  支护桩为压弯构件,配筋计算依据为《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002 )第7.3.8节及《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)附录D中的圆截面受压弯承载力计算。为便于施工,支护桩宜均匀配筋,最小配筋率ρmin=0.6%,最大配筋率ρmax=5%。本工程计算实际配筋率为1.1%。实际配筋为14Φ28,面积为8610 mm2。


  以上为计算支护结构桩长及配筋的理论计算过程,相关公式及要求均见《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-99)。根据本工程的实际情况,在冠梁及第一段池壁施工完后,冠梁及池壁即可作为支护桩上部的弹性支撑,而支护桩的下部锚入岩石层10m,也可以视为支护桩下部的弹性固定。此时,支护桩的力学计算模型则可简化为上端为弹性支撑,下端固定的压弯构件。有关参考文献的支护桩有限元计算结果也表明:冠梁与支护桩共同作用时的桩变形比支护桩单独抵抗土压力时的变形要小很多,且最大变形的位置在桩的中部而非桩的顶部。因此假定冠梁作为支点的单层支点支护结构体系应该符合实际的受力情况。 按公式计算的桩长30m,嵌入泥岩层的长度为10m也应满足实际需要。根据项目实施情况及随后的检测结果显示:上述取值是安全合理经济的。


  4 旋流沉淀池半逆作法施工4.1 半逆作法建议施工工艺流程旋流沉淀池半逆作法按以下流程进行施工:


  (1)施工钻孔灌注桩并养护。桩的施工顺序为隔桩跳挖。


  (2)设置降水井点并降水,充分降水后,进行第一次开挖。第一次开挖标高可根据工程实际情况确定,一般在地面下3~4m左右。


  (3)桩顶冠梁及第一段池壁施工。冠梁施工前应注意将桩顶预留钢筋锚入冠梁内。


  (4)在桩上钻孔植筋,清理工作面,绑扎外层筒体钢筋及下一层筒体连接钢筋,配设埋件,配置止水板,留二次浇灌口,配外模,浇混凝土,振捣,养护。在排桩上植筋的作用有三,一是作为模板对拉螺栓;二是作为固定逆作的井壁支撑和拉结。三是作为井壁在封底后防漂浮的固定连接。排桩是防止漂浮的锚固桩。


  (5)待上层筒体养护完成后,进行下一步开挖,绑扎钢筋,浇灌混凝土至完成最后一节外层筒体。 在施工外层筒体时,要注意预留与内层筒体连接的拉接筋。


  (6)石方爆破开挖,清理坑底。并进行钢筋混凝土圆底板施工。池底板厚2.5米,中间设计配温度筋一层。该基础混凝土等级为C30,并采用泵送混凝土浇筑;为了减少水化热的集中产生,以及防止底板受混凝土内外温差的影响产生裂纹。在底板厚度水平面,标高在地板底部往上1300mm处留置水平施工缝。待达到施工二次浇筑强度时,继续浇筑上部混凝土并找平压光。避免产生温度裂缝。


  (7)底板以上内圆筒体、泵站平台等主体结构顺作法施工。


  4.2 混凝土灌注排桩的施工(1)桩施工:采用机械钻孔泥浆护壁成孔,钢筋混凝土灌注桩,直径为1000mm;相连的混凝土桩之间净距约100mm。混凝土灌注桩按照隔桩跳打的施工顺序施工。 桩嵌固泥岩深度约10米;从地面打空桩4米,整个桩长约30米,桩底标高约地面以下34m. 混凝土灌注桩的嵌入岩层的深度也考虑到沉淀池上浮的巨大浮力对其产生的抗拔力。


  (2)冠梁施工:桩施工完后,从地面以下约4米深范围内大开挖,即可进行桩顶冠梁及第一段外筒施工。冠梁为一个环形梁,为灌注桩和外侧井壁相连形成。灌注桩的主筋插入冠梁中,桩顶冠梁尺寸为宽度1700mm,高度1200mm;混凝土等级C30,挑向井内700mm与井壁结合。冠梁内需预留插筋将下段井壁吊住以防下沉。冠梁和第一段井壁混凝土浇注完毕。强度达到80%即可开挖下步基坑土方。冠梁和第一段井壁混凝土浇注采用一次浇注完成,不留施工缝。同时要注意养护,防止收缩裂缝。


  (3)井壁逆作法施工前,在混凝土桩立面竖向间距600mm,设置固定两层井壁混凝土和模板的拉结筋,采用钻孔植筋技术,埋置深度300mm;植筋¢25螺纹钢,外伸长度同井壁外圆逆作井壁的厚度。在排桩上植筋的作用有三,一是作为模板对拉螺栓;二是作为固定逆作的井壁支撑和拉结。三是作为井壁在封底后防漂浮的固定连接。排桩是防止漂浮的锚固桩。同时,该拉结筋和冠梁同时起到防止沉淀池在未投入生产使用前,降水停止时地下水对其产生的上浮力。


  4.3 旋流沉淀池的施工旋流沉淀池采用外层井壁逆作法从上到下施工,内层井壁从井底板开始采用从下到上的正作法施工。内,外层井壁厚度分别为600mm.


  (1)冠梁施工完后,施工外层井壁。基坑开挖分7段,每3米为一个施工段。从-21.00m开始进入泥岩层,往下开挖要进行岩石爆破施工。岩体爆破时,需确保上部钢筋混凝土结构安全和围岩的稳定,爆破影响基岩深度不得超过1m。


  (2)开挖基坑和井壁施工期间,降水工作不停,采用深井降水将地下水位均降到-25m以下,保证井内水位低于设计的井底标高0.5米。降水时间持续到封底混凝土达到设计强度结束。降水时,施工现场要有良好的排水措施,保证畅通排水。 www.17net.net 论文网(3)顺序施工至基础底板,再由底板从下往上施工内层侧壁及泵站平台等。内层侧壁也可根据需要设置若干条施工缝,逆作法和正作法的施工缝留设的每段施工长度和施工顺序见下图。


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