結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對減小基坑深度的典型案例分析

周衛(wèi)國, 程文革, 劉新生

(武漢豐盈能源技術(shù)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

0 引 言

石灰石制備間為循環(huán)流化床鍋爐提供石灰石粉，進(jìn)行爐內(nèi)脫硫，屬于火力發(fā)電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的一個重要生產(chǎn)車間。其基礎(chǔ)埋設(shè)深度較大，施工基坑屬于深基坑[1]，施工過程中常常存在降水困難、施工期間易對周邊已施工完成的建筑產(chǎn)生安全隱患等問題，而且深基坑的施工費用較高。在不影響工藝目標(biāo)的前提下，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案減小深基坑深度，降低施工難度，減少施工安全隱患，減低施工費用，是一種高效解決問題的方法。

1 工程案例基本情況

1.1 原設(shè)計簡介

某國外2×300 MW火電廠項目，石灰石制備間地面以上采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總高度為42 m，共計6層，距周邊建構(gòu)筑物距離約25 m，地面以下為內(nèi)空尺寸為34.5 m×12.5 m×6.5 m(長×寬×深)的地下室。地下室中間設(shè)有承重結(jié)構(gòu)柱，室內(nèi)設(shè)有排水溝。石灰石制備間基礎(chǔ)地下室采用樁筏基礎(chǔ)，原設(shè)計如圖1所示。

圖1 地下室剖面圖

1.2 施工中遇到的實際困難

廠址地下水位高(旱季約為-5 m左右)，且有一定承壓。石灰石制備間地段土層自上而下依次為：填土、黏土、砂石層、基巖，砂石層頂標(biāo)高(即黏土層等不透水層底標(biāo)高)約為-8.6 m。原設(shè)計基礎(chǔ)底標(biāo)高為-9.3 m，要求基坑深度達(dá)-9.4 m，原設(shè)計基坑已穿透不透水層，進(jìn)入砂石層(透水層)約0.8 m。經(jīng)現(xiàn)場試開挖、降水試驗[1，2]等，地下水無法有效降低，施工極為困難。

大開挖施工方案受臨近建構(gòu)筑物的制約。距離石灰石制備間28 m處有一大型水池，其已施工、安裝完畢，水池為淺基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)沉降較敏感?；由疃热绯^9 m，開挖邊坡將影響到水池基礎(chǔ)，而且基坑地下水位降至9.4 m以下時，將對水池的地基產(chǎn)生較大影響，極易引起水池開裂。

經(jīng)多施工方案的比較，采用大開挖施工工藝的費用最低，如采用地連墻隔水、逆作法、沉井等其他可行的施工工藝，施工費用將大幅增加。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計可行性分析

減少或避免上述實際困難的較為理想的方案是減少基坑開挖深度。而根據(jù)原設(shè)計方案，石灰石制備間基坑深度為9.4 m包括：工藝設(shè)備要求的地下室深度6.5 m、 排水溝墊層厚度0.3 m、底板結(jié)構(gòu)厚度2.5 m、墊層厚度0.1 m。其中，工藝設(shè)備要求的地下室深度是必須滿足的深度要求，無法調(diào)整，因此減少基坑開挖深度的唯一途徑就是減少底板結(jié)構(gòu)厚度。

原設(shè)計結(jié)構(gòu)計算偏于保守。原設(shè)計底板結(jié)構(gòu)厚度為1.0 m，底板下另設(shè)承臺，厚度為1.5 m，總厚度達(dá)2.5 m，厚度偏大，存在優(yōu)化的余地。

經(jīng)與上游專業(yè)溝通，在室內(nèi)柱與底板相交部位可以設(shè)置柱帽，并不影響設(shè)備安裝與運行，因此在柱底(底板頂面以上)增加柱帽的改進(jìn)方案是可行的?？梢詫⒃装逑聵痘信_取消，相當(dāng)于將原樁基承臺“上翻”，從而達(dá)到減小基坑深度的目的。

將排水溝與底板結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行結(jié)合，將排水溝布置在底板受力較小的部位，不額外做墊層太高底板厚度，存在優(yōu)化的可能。上述幾種優(yōu)化設(shè)計思路均存在可行性，因此，通過優(yōu)化設(shè)計減少底板的結(jié)構(gòu)厚度是可行的。

3 優(yōu)化設(shè)計方案探索

為減少底板的結(jié)構(gòu)厚度，達(dá)到減少基坑深度的目的，根據(jù)上述可行性分析，對原設(shè)計底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整[3]，具體調(diào)整的項目詳見表1。由于樁基施工已實施完畢，原設(shè)計樁位布置圖沒有調(diào)整。

表1 調(diào)整匯總表

調(diào)整后的底板結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。調(diào)整底板結(jié)構(gòu)布置之后，采用結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算[4-8]，地下室底板計算結(jié)果的各項指標(biāo)仍屬規(guī)范規(guī)定的合理范圍;對底板進(jìn)行配筋，配筋結(jié)果也符合規(guī)范要求，具體配筋如圖3所示；樁基的反力的計算結(jié)果如圖4所示，地下室樁基反力最大值為1 323 kN(約等于132 t)，而石灰石區(qū)域樁基試樁報告顯示單樁豎向承載力特征值為160 t，最大樁基反力小于其承載力特征值，因此樁基布置仍屬合理范圍，不需要調(diào)整樁基布置。

圖2 調(diào)整后的地下室剖面圖

圖3 調(diào)整后的地下室底板配筋圖

圖4 調(diào)整后的地下室樁基最大反力圖

根據(jù)計算結(jié)果，可以看出優(yōu)化設(shè)計方案探索方向是正確的，調(diào)整后的底板結(jié)構(gòu)布置以及原有樁基布置完全能滿足上部結(jié)構(gòu)的荷載要求。

4 優(yōu)化設(shè)計方案實施效果

由于底板結(jié)構(gòu)總厚度減少了1.3 m，使得基坑的深度由原來的9.4 m，減小到8.3 m，基坑深度已比透水層頂標(biāo)高高出0.5 m，在未采用井點降水的情況也已能順利開挖，現(xiàn)場開挖情況如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場基坑開挖圖

原樁基承臺“上翻”為柱帽，在地下室底板上面形成了“凸起”。由于在優(yōu)化設(shè)計前已與工藝專業(yè)進(jìn)行了溝通，工藝專業(yè)對設(shè)備支腿以及樓梯進(jìn)行了調(diào)整，使得設(shè)備安裝得以順利實施。

在底板受力較小的部位布置排水溝，排水溝與底板結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行結(jié)合，沒有專門設(shè)混凝土墊層來布置排水溝，使排水溝的布置受到了一定的限制，排水溝的實際布置在一側(cè)側(cè)墻處，從實際運行來看，其并沒有對設(shè)備運行造成影響。

5 結(jié)束語

設(shè)計優(yōu)化不僅使石灰石制備間地下室本體節(jié)省了大約140 m3鋼筋混凝土，還由于減少了基坑深度，施工難度大大降低，施工安全隱患得到極大程度改善。施工單位采用大開挖施工，原施工設(shè)計中的井點降水改為了基坑內(nèi)排水，施工降水費用大為降低，施工費用比原設(shè)計下降了近200萬元。并且，由于施工難度降低，使地下室施工得以在雨季來臨前順利實施完畢，解除了需要在雨季施工的風(fēng)險。此次優(yōu)化設(shè)計獲得了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

這是一個設(shè)計配合施工，通過設(shè)計優(yōu)化降低施工難度、降低施工造價、減少施工安全隱患、節(jié)省施工工期的成功案例。

在工程實施過程中，遇到施工安裝困難，通過設(shè)計優(yōu)化來處理，應(yīng)該是有效途徑之一，往往會得到最佳效果。