無內(nèi)撐大型深基坑大體積混凝土溜槽澆筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

姚海明

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

1 工程概況

某超高層建筑基坑面積61 250 m2，大面挖深15.1 m。2棟塔樓深坑位于基坑北側(cè)，塔樓底板厚4 m，局部深坑底板厚7 m，單個(gè)塔樓底板混凝土澆筑量達(dá)到16 000 m3（圖1）。基坑長(zhǎng)邊采用排樁加5道預(yù)應(yīng)力錨桿的支護(hù)形式，在底部增設(shè)1道斜拋撐用于換撐；基坑角部采用3道鋼筋混凝土角撐并在第1道角撐設(shè)置棧橋板（圖2）。按照常用52 m臂長(zhǎng)的混凝土布料機(jī)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通情況布設(shè)布料機(jī)（圖3），每臺(tái)布料設(shè)備澆筑效率按照50 m3/h計(jì)算，每小時(shí)澆筑量200 m3，澆筑完成需要超過80 h，難以保證在下層混凝土初凝前完成上層混凝土的澆筑和振搗工作，底板混凝土質(zhì)量難以控制。需結(jié)合實(shí)際情況設(shè)計(jì)新的混凝土澆筑系統(tǒng)，以加快底板混凝土澆筑速度，控制振搗質(zhì)量。

圖1 基坑概況

圖2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面示意

2 支撐式溜槽試驗(yàn)與選型

圖3 混凝土布料機(jī)布置情況

混凝土溜槽體系設(shè)計(jì)包括溜槽支撐設(shè)計(jì)、溜槽布料設(shè)計(jì)、布設(shè)位置設(shè)計(jì)和混凝土配合比設(shè)計(jì)等4個(gè)部分內(nèi)容。溜槽支撐設(shè)計(jì)涉及支撐架體荷載確定，溜槽布料設(shè)計(jì)涉及溜槽角度和防離析裝置選擇，混凝土配合比設(shè)計(jì)主要確定混凝土初凝時(shí)間和流動(dòng)性能。上述內(nèi)容均需通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行確定，在背景工程現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了溜槽澆筑混凝土試驗(yàn)。

2.1 溜槽截面與材料選擇試驗(yàn)

為保證混凝土順利沿溜槽下滑，溜槽截面設(shè)計(jì)主要考慮的因素是平整度、槽壁摩擦力、制作與施工難易。常用溜槽截面形式有方槽形、半圓管形、圓管形。

2.1.1 方槽形溜槽

1）鋼板焊接加工，管段間法蘭連接。此種槽體的主要問題是彎角處鋼板焊接質(zhì)量不易控制，容易產(chǎn)生焊接變形，造成槽體表面不平整。

2）成形鍍鋅鋼板附木模板骨架，管段間搭接連接。此種槽體的缺點(diǎn)是鍍鋅鋼板厚度薄，平面外剛度不足，需采用木模板搭設(shè)骨架。鍍鋅板與木模板開孔采用扎繩連接，在澆筑過程中易損壞；若采用整段槽體，則無法周轉(zhuǎn)。

2.1.2 半圓管形與圓管形溜槽

1）采用成型鋼管，管段間法蘭連接。此種槽體的主要問題是法蘭接口處有間隙，增大了混凝土下滑阻力；槽體與支撐架接觸形式為點(diǎn)接觸，對(duì)架體橫桿受力不利。

2）采用成品HDPE雙壁波紋管，管段間公母卡口連接。此種槽體的主要問題是管段接頭部位有高差坎，增大了混凝土下滑阻力；槽體與支撐架體連接只能采用扎繩固定，連接不牢固；內(nèi)壁厚度較小，在混凝土骨料長(zhǎng)時(shí)間的接觸摩擦下，管壁易磨損。

綜合上述分析與加工試驗(yàn)，因圓管形槽體無法觀察到管內(nèi)混凝土性狀，發(fā)生堵管后不易處理，故最終選定半圓管形成型鋼管槽體形式進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

2.2 溜槽下傾角度選擇試驗(yàn)

溜槽下傾角度會(huì)影響到混凝土能否順利下滑布料和溜槽的覆蓋范圍。溜槽角度過小，混凝土下滑力不足，可能導(dǎo)致混凝土在槽內(nèi)局部堆積；溜槽角度過大，混凝土可能溢出槽體垂直下落產(chǎn)生離析，且覆蓋范圍小。本文選擇了15°、20°、25°、30°等4種溜槽下傾角度在現(xiàn)場(chǎng)各進(jìn)行了3次混凝土澆筑試驗(yàn)。采用同樣型號(hào)的混凝土罐車以最大卸料速度進(jìn)行混凝土卸料，試驗(yàn)情況記錄如表1所示，卸料時(shí)間如表2所示。

表1 不同溜槽下傾角度混凝土滿溢程度記錄

表2 不同溜槽下傾角度混凝土卸料時(shí)間記錄

根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果，當(dāng)溜槽下傾角度為25°時(shí)基本沒有出現(xiàn)滿溢現(xiàn)象，混凝土跌落量很少且澆筑速度與下傾角度為30°時(shí)相差不多，考慮到角度減小可以增長(zhǎng)溜槽覆蓋范圍，確定選用溜槽下傾角度為25°±3°。

2.3 混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

溜槽澆筑方法對(duì)混凝土性能的主要要求為流動(dòng)性（由坍落度控制）和初凝時(shí)間。較大的混凝土流動(dòng)性有利于混凝土的擴(kuò)散，但過大的混凝土坍落度在溜槽澆筑過程中容易造成離析。設(shè)計(jì)4種不同的混凝土配合比坍落度進(jìn)行澆筑試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。當(dāng)混凝土坍落度小于160 mm時(shí)，底層混凝土黏滯導(dǎo)致上層混凝土積聚較多，發(fā)生分層涌浪現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土從溜槽跌落。當(dāng)混凝土坍落度大于200 mm時(shí)，局部會(huì)產(chǎn)生離析現(xiàn)象。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選用混凝土坍落度為180～190 mm。

表3 不同坍落度混凝土澆筑試驗(yàn)記錄

3 支撐式溜槽的設(shè)計(jì)與布置

3.1 溜槽支撐體系設(shè)計(jì)

3.1.1 支撐架體設(shè)計(jì)

溜槽支撐架體系采用扣件式鋼管腳手架（圖4）。搭設(shè)高度最大14.0 m，最小0.5 m，立桿搭設(shè)高度超過溜槽底面1.2 m作為人員上架防護(hù)，架體水平投影長(zhǎng)度30 m。由于溜槽支撐架體高寬比大于3，不滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術(shù)規(guī)范》6.9.7條對(duì)于滿堂支撐架的規(guī)定，屬于獨(dú)立支撐塔架形式，規(guī)范中關(guān)于支撐架計(jì)算長(zhǎng)度選取的規(guī)定不適用，因此采用有限元的方法對(duì)溜槽支撐架進(jìn)行建模分析。

圖4 支撐式溜槽剖面示意

立桿縱向間距為1.5 m，步距為1.5 m，橫距分別為1.20、0.55 m，考慮到橫桿承受溜槽傳來的豎向荷載，其跨度不宜過大，最終決定取0.55 m；支架側(cè)向滿布剪刀撐，角度45°～60°，垂直于溜槽方向，每隔4跨滿布剪刀撐；架體短邊尺寸小，平面外剛度弱，沿架體長(zhǎng)度方向每隔4跨設(shè)置1道斜拋撐。計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 支撐架體有限元計(jì)算模型

立桿底部按一般支承制作考慮，約束x、y、z三個(gè)方向位移。考慮扣件連接為半剛性節(jié)點(diǎn)，桿兩端約束轉(zhuǎn)動(dòng)剛度按20 kN·m/rad取值[1-2]。首先進(jìn)行架體的屈曲模態(tài)分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 架體1階屈曲模態(tài)

將最不利的1階屈曲模態(tài)變形絕對(duì)值取為架體高度1/50（最大偏移量為280 mm），將初始變形施加到原始計(jì)算模型后，在重力與混凝土荷載下進(jìn)行屈曲承載力分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 最終桿件應(yīng)力

架體桿件最大應(yīng)力出現(xiàn)在架體順坡向剪刀撐處，最大應(yīng)力為156 MPa；槽體支撐橫桿最大應(yīng)力為75 MPa，架體立桿最大應(yīng)力為77.2 MPa，均小于鋼管抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值205 MPa，滿足要求[3-6]。

3.1.2 槽段固定設(shè)計(jì)

為保證槽體與架體固定牢固，在槽段法蘭連接處設(shè)置擋板，固定在架體支撐橫桿上，以防止槽體下滑。同時(shí)，在槽段法蘭連接處開孔，設(shè)置鋼絲繩穿孔與支撐架拉結(jié)，如圖8所示。

圖8 槽段與支架連接示意

3.2 溜槽布料體系設(shè)計(jì)

3.2.1 料斗轉(zhuǎn)料管設(shè)計(jì)

為增大混凝土從料斗下滑時(shí)的動(dòng)能，在料斗與溜槽轉(zhuǎn)接部位設(shè)置落差為2 m的L形轉(zhuǎn)料管（圖9），從而可滿足GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》8.3.6條的規(guī)定，避免混凝土離析。在轉(zhuǎn)料管末端設(shè)置彎頭，可減小混凝土對(duì)溜槽的沖擊，避免混凝土濺溢槽外。

圖9 料斗轉(zhuǎn)料管設(shè)計(jì)

3.2.2 槽尾分配槽設(shè)計(jì)

由于溜槽混凝土的下落點(diǎn)為固定點(diǎn)，在底板混凝土澆筑后期，混凝土易在落點(diǎn)處產(chǎn)生堆積，致使溜槽無法使用。為此，在溜槽落點(diǎn)處設(shè)置混凝土二次分配槽，分配槽水平投影長(zhǎng)度2 m，傾斜角度15°，由人工搬運(yùn)調(diào)整角度，可以擴(kuò)大溜槽的覆蓋范圍并避免在溜槽下料點(diǎn)處形成混凝土的堆積，如圖10所示。

圖10 槽尾二次分配槽

3.2.3 防離析串筒設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)底板澆筑時(shí)應(yīng)先封閉局部深坑位置，本文背景工程局部深坑距底板面層高度超過7 m。在溜槽落點(diǎn)局部深坑位置設(shè)置防離析串筒，在底板面層鋼筋上開孔，串筒采用掛鉤與料槽固定，以方便拆除，如圖11所示。當(dāng)混凝土面與板面距離小于6 m時(shí)便可拆除串筒，對(duì)鋼筋開孔處進(jìn)行封閉。

圖11 防離析串筒設(shè)計(jì)示意

3.3 溜槽布置位置選擇

3.3.1 溜槽布置位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，在混凝土坍落度達(dá)到180 mm時(shí)，混凝土的自流擴(kuò)散距離為15～20 m，擴(kuò)散方向可用振搗棒輔助控制，基本可以做到四周均勻擴(kuò)散。因此溜槽應(yīng)盡量布設(shè)于基坑四周，溜槽落點(diǎn)間距控制在1.5～2.0倍的混凝土自流擴(kuò)散距離。

3.3.2 落點(diǎn)位置選擇

溜槽落點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在底板電梯坑密集處，以便深坑混凝土快速澆筑，并延長(zhǎng)混凝土擴(kuò)散距離。

4 混凝土澆筑流程與質(zhì)量控制

基于背景工程實(shí)際使用情況，對(duì)支撐式溜槽澆筑混凝土流程與質(zhì)量控制進(jìn)行如下總結(jié)：

1）底板澆筑前期，溜槽全部投入使用，配合二次分配槽與防離析串筒首先將局部深坑部位進(jìn)行封閉。

2）局部深坑基本封閉后，按照100 m2設(shè)計(jì)1根振搗棒，保證混凝土分層振搗質(zhì)量并擴(kuò)大混凝土自流范圍。

3）混凝土全面澆筑過程中，根據(jù)實(shí)際情況配備汽車泵與固定泵，對(duì)溜槽覆蓋不到的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充澆筑。

4）當(dāng)溜槽落點(diǎn)混凝土無法形成坡度自流，產(chǎn)生堆積后，停用溜槽，以汽車泵和固定泵為主進(jìn)行混凝土收面工作，并及時(shí)覆蓋塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

根據(jù)背景工程單個(gè)塔樓底板的實(shí)際應(yīng)用情況，將傳統(tǒng)采用汽車泵搭配固定泵的澆筑方法與采用支撐式溜槽的澆筑方法的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行比較，如表4所示。

表4 混凝土澆筑技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對(duì)比

對(duì)于背景工程，不考慮溜槽周轉(zhuǎn)使用時(shí)，相較于傳統(tǒng)泵送方法，單個(gè)塔樓底板采用支撐式溜槽體系澆筑混凝土可節(jié)省施工成本27.2萬元，減少施工時(shí)間54 h。

6 結(jié)語

1）本文針對(duì)支撐式溜槽混凝土澆筑系統(tǒng)，從試驗(yàn)選型、分析計(jì)算、構(gòu)造設(shè)計(jì)、實(shí)際應(yīng)用等4個(gè)方面進(jìn)行了分析和研究，研究成果對(duì)后續(xù)類似工程應(yīng)用支撐式溜槽系統(tǒng)進(jìn)行底板混凝土施工有指導(dǎo)和借鑒意義。

2）對(duì)于無內(nèi)撐深基坑工程，采用支撐式溜槽混凝土澆筑系統(tǒng)，在施工速度、混凝土質(zhì)量控制和施工成本節(jié)約方面均較傳統(tǒng)泵送方法有較大提高，值得推廣和應(yīng)用。