城市狹窄空間復(fù)雜條件下的深基坑施工技術(shù)研究

朱 健

中鐵建工集團(tuán)有限公司 上海 200331

城市狹窄空間內(nèi)的深基坑工程施工因其特殊的地理位置和復(fù)雜的地質(zhì)條件，無一不面臨著外部交通協(xié)調(diào)、周邊建筑變形穩(wěn)定監(jiān)控、內(nèi)部狹窄空間合理布局和整體基坑支護(hù)圍護(hù)體系方案選擇等眾多難題。因此，如何實(shí)現(xiàn)上述問題的統(tǒng)一協(xié)調(diào)就顯得尤其重要。

本文通過對新建南昌鐵路調(diào)度所基坑工程中所采用的狹窄空間復(fù)雜深基坑快速施工技術(shù)、BIM基坑工程信息化和超深砂性土層止降水技術(shù)等進(jìn)行的研究總結(jié)，在確保復(fù)雜深基坑安全的前提下，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、安全、成本、進(jìn)度的協(xié)調(diào)管控，達(dá)到高效優(yōu)質(zhì)施工的目標(biāo)[1-3]。

基坑北側(cè)為南昌局集團(tuán)公司科技樓、新天地賓館（17層，樁基礎(chǔ)），距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最近距離4.5 m，基坑邊存在大量鐵路通信、信號電纜以及給排水等管線；基坑南側(cè)為6層磚混結(jié)構(gòu)居民住宅樓；東側(cè)為老城區(qū)進(jìn)入南昌火車站主干道的二七南路；西側(cè)為4層淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)幼兒園，距基坑圍護(hù)最近處僅為1.7 m，基坑開挖對其變形影響較大，開挖前對其進(jìn)行了安全評估（圖1）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

1 工程概況

中國鐵路總公司南昌局集團(tuán)公司新建鐵路調(diào)度所工程位于南昌市二七南路南昌局集團(tuán)公司大院內(nèi)，工程占地面積7 047 m2，地上9層，地下2層（局部3層），總建筑面積28 619.2 m2，基坑工程屬于一級深基坑，開挖深度14.1 m，局部開挖深度16.4 m，基坑面積5 240 m2。

基坑圍護(hù)采用外圍三軸攪拌樁止水帷幕止水，內(nèi)側(cè)鉆孔灌注圍護(hù)樁結(jié)合＋2道混凝土內(nèi)支撐方案，止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁，圍護(hù)樁采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，標(biāo)高－1.9 m處設(shè)1道圍檁，圍檁尺寸1 200 mm×600 mm；標(biāo)高－9.0 m處設(shè)置第2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，第2道混凝土支撐通過1 200 mm×800 mm腰梁與圍護(hù)樁連接。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 狹窄空間復(fù)雜深基坑快速施工技術(shù)

2.1.1 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化

1）在基坑北側(cè)，利用原設(shè)計(jì)基坑圍護(hù)樁、內(nèi)支撐梁以及格構(gòu)柱，在其之上增加梁板式棧橋，利用棧橋作為基坑施工階段土方開挖收口、結(jié)構(gòu)混凝土澆筑汽車泵停靠點(diǎn)、材料轉(zhuǎn)運(yùn)平臺以及周邊建筑消防通道。

2）將原設(shè)計(jì)第2道支撐及腰梁整體上調(diào)30 cm（調(diào)整后支撐梁底標(biāo)高－9.1 m），使得配套停車庫區(qū)域地下3層頂板施工時，無須拆除第2道支撐，延長第2道支撐作業(yè)時間，減少基坑及周邊建筑變形。

2.1.2 方案優(yōu)化

1）平面布置優(yōu)化。在基坑圍護(hù)、土方開挖、內(nèi)支撐施工、結(jié)構(gòu)底板和地下結(jié)構(gòu)施工階段，提前策劃平面布置，實(shí)現(xiàn)不同施工階段、不同工況平面布局的無縫銜接，保證現(xiàn)場安全文明施工和實(shí)現(xiàn)快速施工。

2）土方開挖優(yōu)化。利用BIM技術(shù)對土方開挖流程進(jìn)行施工模擬，確定土方開挖總體思路：基坑土方開挖采取先表層土開挖→抽槽施工第1道支撐→2層土方開挖（南、北兩側(cè)設(shè)置2個出土口，出土口處預(yù)留土平臺用于渣土車回轉(zhuǎn)，東西兩側(cè)向堆土平臺倒土）→抽槽施工第2道支撐→3層土方開挖（從南側(cè)向北側(cè)整體倒土）。

3）基礎(chǔ)及地下室結(jié)構(gòu)立體跳倉施工。本工程地下室底板及地下室結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)通過沉降后澆帶和溫度后澆帶分為A、B、C、D共4個區(qū)（圖2），4個區(qū)兩兩相連，只能流水施工，施工周期較長，無法達(dá)到快速施工的目的，底板長期無法快速封閉，對深基坑變形影響較大。

通過對整體施工區(qū)域分隔優(yōu)化，將原設(shè)計(jì)溫度后澆帶調(diào)整為加強(qiáng)帶，沉降后澆帶拉直，將原設(shè)計(jì)D區(qū)通過施工縫加強(qiáng)帶分為D、F共2個區(qū)，從而將整個基礎(chǔ)底板分為5個區(qū)（圖3）。根據(jù)本工程關(guān)鍵線路安排，配套區(qū)域的2個區(qū)A、B為地下3層，主樓區(qū)域的3個區(qū)C、D、F為地下2層。底板結(jié)構(gòu)施工時先施工B區(qū)，后同時施工A區(qū)、C區(qū)；接著再施工D區(qū)，最后施工F區(qū)。

底板結(jié)構(gòu)施工完成后，根據(jù)工程總體施工部署和施工關(guān)鍵線路，需保證主樓區(qū)域盡快出±0 m，故將主樓分為Ⅰ、Ⅱ共2個區(qū)，通過增加施工縫，先施工支撐梁不影響的區(qū)域，再利用拆撐的時間差進(jìn)行整個地下室結(jié)構(gòu)的立體跳倉施工。

圖2 原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)底板分區(qū)

圖3 調(diào)整后基礎(chǔ)底板分區(qū)

2.2 深基坑BIM信息化施工技術(shù)

2.2.1 基坑監(jiān)測信息實(shí)時查看

傳統(tǒng)基坑監(jiān)測信息需每天由專人收集、整理分析，基坑監(jiān)測是一個動態(tài)的過程，隨著基坑工程的施工，監(jiān)測信息各項(xiàng)數(shù)據(jù)的分析、對比工作日趨繁重。通過BIM信息化技術(shù)，將監(jiān)測信息與深基坑模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在Revit軟件中于圍護(hù)樁、支撐梁、坑外土體等構(gòu)件的對象特性中附加額外基坑監(jiān)測信息，將基坑監(jiān)測信息與基坑BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基坑監(jiān)測與模型工況同步。另外還可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場各方對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，實(shí)時查看基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且方便現(xiàn)場施工人員快速、準(zhǔn)確地找出應(yīng)力、變形速率變化和累計(jì)變化最大點(diǎn)。

2.2.2 進(jìn)度管控

將Project橫道圖導(dǎo)入至Navisworks基坑BIM模型中，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃與BIM模型雙向關(guān)聯(lián)，生成BIM 4D模型，模型根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃自動生成動畫視頻，并高亮顯示關(guān)鍵工序、關(guān)鍵線路，對進(jìn)度計(jì)劃中邏輯錯誤點(diǎn)可直觀顯示。根據(jù)工程進(jìn)展，將實(shí)際工程進(jìn)度錄入至模型中進(jìn)行掛接，利用BIM 4D模型進(jìn)行計(jì)劃時間形象進(jìn)度與實(shí)際形象進(jìn)度三維可視化對比，模型自動分析各道工序的實(shí)際進(jìn)度偏差值，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度偏差可視化分析，預(yù)判進(jìn)度風(fēng)險。

2.2.3 BIM 5D平臺協(xié)同作業(yè)

在BIM 5D平臺上通過手機(jī)APP移動端、電腦客戶端、云端進(jìn)行基坑工程的質(zhì)量、安全、材料、資金投入的協(xié)同作業(yè)。現(xiàn)場管理人員在基坑工程日常施工過程中發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量、安全等問題，采用手機(jī)拍照、錄視頻等形式，將發(fā)現(xiàn)的問題錄入手機(jī)APP移動端，平臺立即將該問題以手機(jī)短信任務(wù)的形式推送給責(zé)任人，項(xiàng)目管理人員可在任意電腦網(wǎng)頁客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程跟蹤，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)銷號管理。

同時基于BIM 5D平臺，將深基坑施工階段物資總控計(jì)劃量、實(shí)際進(jìn)場量、現(xiàn)場盤點(diǎn)量以及資金計(jì)劃與BIM模型進(jìn)行掛接，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，利用移動端實(shí)時錄入現(xiàn)場照片、供需計(jì)劃，客戶端同步云端，云端遠(yuǎn)程即可查看現(xiàn)場物資使用、資金投入情況，實(shí)現(xiàn)企業(yè)后臺管理。

2.3 超深砂性土層止水、降水施工技術(shù)

本工程基坑開挖范圍內(nèi)上層滯水，主要賦存于上部雜填土中，粉質(zhì)黏土為其相對隔水層底板。第四系松散巖類孔隙潛水主要賦存于砂礫層中，穩(wěn)定水位埋深5.90～6.80 m，由于離贛江較近，豐水期地下水主要接受贛江的側(cè)向補(bǔ)給，枯水期向贛江排泄，基坑底部為近20 m砂層，含水量豐富。

2.3.1 降水方案

本工程降水方案采取基坑外設(shè)止水帷幕＋坑內(nèi)設(shè)降水井的方式進(jìn)行降水。降水井采用深井降水，基坑內(nèi)共布置20口降水井（含4口備用井），坑外設(shè)置12口備用降水井，兼作坑外觀測井。

降水井開孔孔徑600 mm，井管采用φ273 mm×3 mm鋼管；濾管為與井管同規(guī)格的橋式濾水管，外包80目錦綸濾網(wǎng)，濾料采用粗中砂回填至初始地下水位附近，其上采用鉆渣或場地土回填固井。

本次采用的橋式濾水管是一種有橋形孔眼的濾水器材，由于橋式濾水管通過橋高來控制進(jìn)水?dāng)嗝妫懿幕緵]有損失，濾水管的強(qiáng)度基本沒有降低，其孔隙率能達(dá)到25%以上，回填濾料后，孔隙率只降低5%左右。同時，該管材能有效防止地層中的細(xì)顆粒流失，在砂性地層降水中得到廣泛的使用。

2.3.2 降水信息監(jiān)測

本工程基坑降水采用全自動水位監(jiān)測系統(tǒng)對基坑內(nèi)外水位進(jìn)行監(jiān)控，該系統(tǒng)由微功耗測控終端、監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)、測控設(shè)備、計(jì)量/測量儀表組成。其主要功能為通過井內(nèi)水位計(jì)自動采集降水井內(nèi)水位、累計(jì)流量，自動開啟水泵，通過GPRS或短信方式實(shí)時上報坑內(nèi)水位，現(xiàn)場施工人員可通過手機(jī)APP對坑內(nèi)水位情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[4-6]。

2.3.3 降水井封井方案

1）封井時間。坑內(nèi)降水井封井主要分為3個階段：

① 底板施工前，對部分坑內(nèi)降水井（備用井）可以先進(jìn)行封井，在澆筑底板時直接采用混凝土回填，不穿過底板，剩余降水井應(yīng)能保證地下水位控制在基坑底板以下。

② 底板完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，考慮基坑的抗浮要求，留部分坑內(nèi)降水井抽水，其余坑內(nèi)降水井進(jìn)行封井。

③ 基坑滿足抗浮要求后，對剩余降水井進(jìn)行封井。

第2、第3階段封堵的降水井需要穿過底板，在底板施工時，需要考慮井管外底板防水問題，需在井管外焊接止水鋼板。

2）封井工藝。除第1階段封堵的降水井直接采用混凝土回填外，第2、第3階段封堵的降水井需采用注漿工藝封堵，特別是第3階段封井時，需在靜水狀態(tài)下進(jìn)行，即所有降水井均停止抽水，使井管內(nèi)水位上升至靜止?fàn)顟B(tài)（圖4）。

圖4 降水井封井示意

3 結(jié)語

本工程通過對以上技術(shù)的研究與應(yīng)用，在保證安全、質(zhì)量的情況下，大大提高了施工工效、節(jié)約施工工期、降低安全風(fēng)險、減少安全措施費(fèi)支出，基坑工程節(jié)約工期32 d，節(jié)約成本約300萬元。

另外，本工程深基坑施工中采用的BIM技術(shù)應(yīng)用先后榮獲了第二屆中國建筑業(yè)協(xié)會中國建設(shè)工程BIM大賽一等獎、第三屆上海市建筑施工行業(yè)BIM技術(shù)應(yīng)用大賽一等獎。科研小組研制的“鉆孔灌注樁鋼筋籠吊筋”獲得實(shí)用新型專利，編寫的“鋼筋混凝土支撐拆除——繩鋸切割施工工法”成為集團(tuán)級工法，“城市狹窄空間復(fù)雜深基坑施工技術(shù)研究”科研總結(jié)獲集團(tuán)公司科技進(jìn)步獎。