結構設計優(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。其基礎埋設深度較大，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。在不影響工藝目標的前提下，通過優(yōu)化結構設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構，總高度為42 m，共計6層，距周邊建構筑物距離約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。地下室中間設有承重結構柱，室內(nèi)設有排水溝。石灰石制備間基礎地下室采用樁筏基礎，原設計如圖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，砂石層頂標高(即黏土層等不透水層底標高)約為-8.6 m。原設計基礎底標高為-9.3 m，要求基坑深度達-9.4 m，原設計基坑已穿透不透水層，進入砂石層(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，對基礎沉降較敏感。基坑深度如超過9 m，開挖邊坡將影響到水池基礎，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 結構優(yōu)化設計可行性分析

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)原設計方案，石灰石制備間基坑深度為9.4 m包括：工藝設備要求的地下室深度6.5 m、 排水溝墊層厚度0.3 m、底板結構厚度2.5 m、墊層厚度0.1 m。其中，工藝設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構厚度。

原設計結構計算偏于保守。原設計底板結構厚度為1.0 m，底板下另設承臺，厚度為1.5 m，總厚度達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置柱帽，并不影響設備安裝與運行，因此在柱底(底板頂面以上)增加柱帽的改進方案是可行的。可以將原底板下樁基承臺取消，相當于將原樁基承臺“上翻”，從而達到減小基坑深度的目的。

將排水溝與底板結構布置進行結合，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)化設計思路均存在可行性，因此，通過優(yōu)化設計減少底板的結構厚度是可行的。

3 優(yōu)化設計方案探索

為減少底板的結構厚度，達到減少基坑深度的目的，根據(jù)上述可行性分析，對原設計底板結構進行調(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)整后的底板結構圖如圖2所示。調(diào)整底板結構布置之后，采用結構軟件進行結構計算[4-8]，地下室底板計算結果的各項指標仍屬規(guī)范規(guī)定的合理范圍;對底板進行配筋，配筋結果也符合規(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)計算結果，可以看出優(yōu)化設計方案探索方向是正確的，調(diào)整后的底板結構布置以及原有樁基布置完全能滿足上部結構的荷載要求。

4 優(yōu)化設計方案實施效果

由于底板結構總厚度減少了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)化設計前已與工藝專業(yè)進行了溝通，工藝專業(yè)對設備支腿以及樓梯進行了調(diào)整，使得設備安裝得以順利實施。

在底板受力較小的部位布置排水溝，排水溝與底板結構布置進行結合，沒有專門設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，其并沒有對設備運行造成影響。

5 結束語

設計優(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險。此次優(yōu)化設計獲得了相當可觀的經(jīng)濟效益。

這是一個設計配合施工，通過設計優(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，通過設計優(yōu)化來處理，應該是有效途徑之一，往往會得到最佳效果。