復(fù)雜條件下緊鄰既有建筑深基坑關(guān)鍵技術(shù)研究

鄭 憧

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

1 概述

隨著城市迅速發(fā)展，超大型深基坑的施工伴隨產(chǎn)生一系列的問題，如：基坑開挖深度大、周邊保護(hù)建筑物多、施工場地狹小等。為保證項(xiàng)目工程施工的安全，以及周邊建筑物的穩(wěn)定性，對(duì)基坑工程的要求也越來越高，隨之出現(xiàn)的問題也越來越多，這給特別是緊鄰既有建筑或保護(hù)建筑的基坑施工帶來了很大的困難。目前為充分利用土地資源，地下室一般用足紅線，在這種情況下，若地下室深基坑仍采用明挖順作支撐方案施工，由于整體面積較大且施工場地狹小，就減緩了塔樓的施工進(jìn)度。導(dǎo)致施工周期長，而且對(duì)周邊環(huán)境影響大，經(jīng)濟(jì)性也差。針對(duì)目前超大深基坑的特點(diǎn)，為加快深基坑施工進(jìn)度，同時(shí)做好坑邊既有建筑的保護(hù)工作，解決施工場地狹小的難題，同時(shí)使業(yè)主合理安排資金投入，當(dāng)前超大型深基坑采用逆作法設(shè)計(jì)與施工的優(yōu)勢也日益凸顯，也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)[1]。復(fù)雜條件下緊鄰既有建筑深基坑關(guān)鍵技術(shù)研究的推廣、應(yīng)用及發(fā)展是勢在必行的。

2 背景工程概況

2.1 工程概況

背景工程位于昆明市五華區(qū)，建設(shè)內(nèi)容為商業(yè)建筑及公園，整個(gè)地塊設(shè)置三層地下室。基坑總面積為15 000 m2，普遍區(qū)挖深16.5 m，工程平面布置圖見圖1。

2.2 周邊環(huán)境概況

本工程周邊道路下埋藏有較多市政管線。工程北側(cè)毗鄰市文物保護(hù)單位。

2.3 地質(zhì)概況

開挖范圍內(nèi)主要涉及③1層黏土層、④1層強(qiáng)風(fēng)化巖和④2中等風(fēng)化灰?guī)r。

基地內(nèi)土層分布如表1所示。

在勘探深度范圍內(nèi)，均揭露穩(wěn)定地下水的分布，據(jù)現(xiàn)場實(shí)測成果，工程場地孔內(nèi)穩(wěn)定混合地下水位受場地地形標(biāo)高變化影響，為現(xiàn)有地表下0.5 m～4.0 m。根據(jù)本次勘察成果，場區(qū)內(nèi)地下水類型以上層滯水、第四系孔隙潛水和基巖裂隙、巖溶水為主。

表1 土層物理性質(zhì)參數(shù)

3 基坑難特點(diǎn)及方案選型分析

3.1 基坑難特點(diǎn)

1)本工程上部人工填土層及沖湖沉積層，強(qiáng)度較低，對(duì)基坑側(cè)壁穩(wěn)定性不利。底部殘坡積層和下伏灰?guī)r受基巖起伏影響，厚度變化較大，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，分布不均，且層間多分布溶洞(或?qū)挻罅严?，受地質(zhì)構(gòu)造、巖溶作用等綜合因素影響，對(duì)本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選型及止水性能提出了較高要求。

2)場地內(nèi)存在巖溶不良地質(zhì)。本場地巖溶分布規(guī)律性較差，總體形態(tài)表現(xiàn)上以垂向溶洞、石芽等為主，場地巖溶發(fā)育程度總體為中等發(fā)育。加大了本項(xiàng)目基坑支護(hù)進(jìn)行有效止、截水的難度。

3)本工程場地內(nèi)地下水水系發(fā)達(dá)，深層基巖裂隙、巖溶水主要為場地下伏二疊系碳酸鹽巖形成的裂隙和巖溶水，考慮到擬建項(xiàng)目周邊廣泛分布市政道路、管網(wǎng)和已建成住宅小區(qū)等情況，同時(shí)考慮到擬建項(xiàng)目場地地下水位相對(duì)較高、水量較為豐富，因此擬建項(xiàng)目基坑的地下水控制不宜采取直接大規(guī)模抽排降水的方式，應(yīng)該主要采取止、截水的方式。

4)擬建項(xiàng)目場地位于昆明城市核心地帶，人口較為密集，且歷史文物保護(hù)建筑緊鄰基坑，與本項(xiàng)目地下室邊界線距離一般約為6 m～10 m，其巖層起伏幅度較大，③層黏土層較厚，壓縮模量相較巖層相差較大，故需要采用剛度較大的支護(hù)體系。

3.2 基坑方案選型

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，“逆作法”施工利用結(jié)構(gòu)樓板作為基坑內(nèi)部的水平支撐構(gòu)件，對(duì)基坑位移變形控制較強(qiáng)，且可節(jié)省大量臨時(shí)支撐構(gòu)件的工程造價(jià)，一柱一樁的使用又加大了臨時(shí)立柱樁作為結(jié)構(gòu)工程樁的利用率[2]。“逆作法”對(duì)于本工程具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)提供大量施工空間，可更好周轉(zhuǎn)場地用于臨時(shí)棄土。2)整體剛度大，大量堆載不影響基坑安全。3)逆作時(shí)可同時(shí)進(jìn)行東側(cè)景觀的施工，加快與周邊環(huán)境的和諧統(tǒng)一。同時(shí)對(duì)順作法、逆作法造價(jià)進(jìn)行了對(duì)比，本工程逆作法對(duì)比順作法可節(jié)省造價(jià)約-4.41%[3]。

工程從圍護(hù)實(shí)施的可靠性、造價(jià)、工期方面綜合比較，逆作法的形式對(duì)于本基坑更有優(yōu)勢，故對(duì)本基坑推薦采用逆作法進(jìn)行施工。基于以上對(duì)本工程特點(diǎn)、支護(hù)選型、支撐選型等的分析，本基坑工程采用咬合樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，豎向支撐體系采用結(jié)構(gòu)梁板逆作。

4 基坑設(shè)計(jì)

4.1 逆作結(jié)構(gòu)采用咬合樁體系技術(shù)要點(diǎn)

1)大跨度圍護(hù)樁變形控制。

本工程普遍區(qū)挖深達(dá)16.5 m，普遍區(qū)域咬合樁樁徑采用φ1 200 mm@1 800 mm。在故居保護(hù)區(qū)域，由于③層土較厚，④層巖層相對(duì)較深，開挖過程中支護(hù)樁剛度過小容易導(dǎo)致上部土體沉降，造成房屋變形開裂，故在文物故居保護(hù)區(qū)域采用加大樁徑的方式，咬合樁樁徑采用φ1 500 mm@2 400 mm(如圖2所示)。

2)咬合樁與外墻處理。

本工程咬合樁與外墻間保持200 mm凈距，后期基坑開挖至基底結(jié)構(gòu)外墻回筑階段，咬合樁表面找平，掛網(wǎng)噴漿后鋪設(shè)防水毯作為外防水，完成防水后再利用咬合樁作為外模板進(jìn)行外墻鋼筋綁扎及混凝土澆筑，混凝土澆筑時(shí)遇樓板處設(shè)置澆搗喇叭口，外墻相應(yīng)樓板圈梁上設(shè)置振搗孔(如圖3所示)。

4.2 一柱一樁節(jié)點(diǎn)

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次結(jié)構(gòu)柱采用鋼管，兼作為一柱一樁，不再外包混凝土。本工程中地下室結(jié)構(gòu)框架梁主梁截面尺寸為450 mm×800 mm，而鋼管立柱的截面為φ550 mm，而且由于首層結(jié)構(gòu)作為施工場地使用，因此梁板配筋需根據(jù)施工要求進(jìn)行加強(qiáng)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋的數(shù)量也較多，因此逆作施工階段必然存在梁柱節(jié)點(diǎn)位置梁鋼筋難以穿越鋼立柱的困難。

根據(jù)逆作施工階段的一柱一樁承載力計(jì)算的需要，本工程擬對(duì)上部結(jié)構(gòu)下承載力較高的立柱采用φ550 mm的鋼管混凝土立柱，由于鋼管混凝土立柱直徑大于梁截面，考慮到框架梁鋼筋的穿越，本方案考慮鋼管混凝土立柱位置和框架梁鋼筋連接方法首層區(qū)域采用鋼筋籠的方式連接，B1及B2層采用環(huán)梁節(jié)點(diǎn)。

首層板采用在鋼管內(nèi)插入鋼筋籠的方式，鋼筋籠底部埋入鋼管混凝土內(nèi)，頂部與頂板鋼筋進(jìn)行連接，達(dá)到連接目的，該方式水平鋼筋易在鋼筋籠內(nèi)穿越。

B1，B2層環(huán)梁寬度目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)暫定300 mm，高度比穿越的梁高50 mm，方便底部鋼筋穿越，并設(shè)置鋼牛腿加強(qiáng)混凝土梁與鋼管的抗剪。

對(duì)于建筑洞口區(qū)域，環(huán)梁影響建筑洞口尺寸，為此采用鋼環(huán)板的方式，在鋼管柱與梁交界區(qū)域設(shè)置鋼環(huán)板并加勁，主梁鋼筋焊接于鋼環(huán)板處，通過環(huán)板節(jié)點(diǎn)與各梁、柱進(jìn)行豎向力的傳遞。節(jié)點(diǎn)見圖4。

在本工程的設(shè)計(jì)中，存在較多設(shè)計(jì)難點(diǎn)，如疊合梁設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)錯(cuò)層處理、結(jié)構(gòu)構(gòu)件不連續(xù)、后期與相鄰地塊的連接問題，我們采用了以下方法進(jìn)行處理。

1)出土口設(shè)計(jì)。

由于逆作法是先施工結(jié)構(gòu)梁板再進(jìn)行土方開挖，因此暗挖土方的出土效率對(duì)逆作施工的影響較大。利用首層結(jié)構(gòu)梁板作為施工機(jī)械的挖土平臺(tái)及車輛運(yùn)作通道，利用電梯井、樓梯等結(jié)構(gòu)永久開口位置預(yù)留空間較大的出土口，給逆作施工階段的出土帶來極大的方便，有利于加快施工進(jìn)度縮短工期。小型挖土機(jī)在逆作結(jié)構(gòu)梁板下進(jìn)行土方開挖并將土方駁運(yùn)到出土口附近，再通過垂直運(yùn)輸設(shè)備將大量土方運(yùn)輸出首層結(jié)構(gòu)，由土方車輛將土方運(yùn)輸出場。由于首層結(jié)構(gòu)梁板上將布設(shè)車輛運(yùn)輸路線，運(yùn)土車等施工機(jī)械頻繁往來，因此車輛運(yùn)輸路線的結(jié)構(gòu)梁板和臨時(shí)出土口周邊的結(jié)構(gòu)梁需進(jìn)行加強(qiáng)處理，并盡量以利用消防通道結(jié)構(gòu)樓板為原則，取土口間距盡量保證下層小挖機(jī)土方駁運(yùn)距離在30 m內(nèi)。

2)施工后澆帶位置傳力桿件。

根據(jù)與結(jié)構(gòu)單位溝通，本工程地下室頂板由于覆土及施工機(jī)械行走的原因不設(shè)置后澆帶，在B1B2層樓板位置，后澆帶位置由于結(jié)構(gòu)梁板僅鋼筋連通，混凝土后澆，無法達(dá)到逆作階段的傳力要求。本方案擬采用在后澆帶位置設(shè)置型鋼傳力桿件，型鋼錨入后澆帶兩側(cè)的結(jié)構(gòu)梁和板內(nèi)一定長度，并在錨入部分設(shè)置圓柱頭抗剪栓釘，以確保錨固效果和傳力的可靠性(見圖5)。

3)一柱一樁設(shè)計(jì)要求。

一柱一樁作為基坑開挖階段，逆作結(jié)構(gòu)梁板的豎向支承構(gòu)件，承擔(dān)施工過程中的全部豎向荷載，其沉降量直接關(guān)系到其連接的結(jié)構(gòu)梁板的豎向變形，由變形產(chǎn)生的次應(yīng)力可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁板的開裂，影響施工質(zhì)量。根據(jù)以往的大量工程實(shí)踐，一柱一樁的沉降控制指標(biāo)為差異沉降小于2 cm且不大于結(jié)構(gòu)梁跨的1/400。在施工中要控制嵌巖樁的沉渣厚度，清除孔底沉渣。為此，本工程一柱一樁樁端必須進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的巖層(④2層中等風(fēng)化灰?guī)r(較破碎))，并進(jìn)行樁端后注漿，盡可能減少施工階段產(chǎn)生的不均勻沉降，確保逆作施工的結(jié)構(gòu)梁板的施工質(zhì)量。本工程鋼管柱垂直度控制在1/500以內(nèi)。

5 對(duì)保護(hù)建筑專項(xiàng)設(shè)計(jì)保護(hù)措施

5.1 保護(hù)建筑區(qū)域確保支護(hù)樁樁底嵌入巖層

保護(hù)建筑區(qū)域該層巖層揭露面較淺，而巖層的強(qiáng)度高，不易變形，支護(hù)樁嵌巖后底部成為固結(jié)端，而頂部為樓板支撐可作為固結(jié)考慮，兩端固結(jié)的支護(hù)樁其變形相對(duì)而言較小。同時(shí)采用盆式開挖，保護(hù)建筑側(cè)土方開挖至B0層梁底標(biāo)高，采用土模澆筑頂板，減小支護(hù)樁懸臂高度，以控制該側(cè)變形。

5.2 保護(hù)建筑區(qū)域加大支護(hù)樁樁徑

對(duì)于保護(hù)建筑區(qū)域，該區(qū)域巖層起伏大，故將該區(qū)域樁徑加大，考慮到當(dāng)?shù)厥┕ぬ淄驳目蛇x擇性，選用大直徑的φ1 500 mm咬合樁，樁底插入深度13.5 m，增加整體剛度來減小基坑側(cè)向變形。

5.3 合理布置出土洞口，根據(jù)時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行開挖

基坑施工的長短對(duì)周邊環(huán)境也有一定影響，時(shí)間越長時(shí)空效應(yīng)越明顯，支護(hù)樁的累計(jì)變形就越大。逆作基坑受制約的主要因素為出土速度，為加快基坑施工速度，本次布置時(shí)以盡量加大出土口面積為原則，保證大多數(shù)出土口距離在30 m以內(nèi)，加快整個(gè)基坑的施工節(jié)奏，以進(jìn)一步減小基坑周邊的變形。

5.4 減少保護(hù)建筑周邊的行車動(dòng)載

本工程場地狹小，若重車直接在保護(hù)建筑附近施工，容易因?yàn)轭l繁的動(dòng)載及重載導(dǎo)致底部土體擾動(dòng)，從而降低土體強(qiáng)度，導(dǎo)致房屋沉降，另外，周邊的大量荷載也會(huì)增加基坑的側(cè)向變形，導(dǎo)致坑外土體沉降，增加房屋沉降量。根據(jù)我院類似工程的成功經(jīng)驗(yàn)，可將頂板行車面積加大，重車直接從出入口行走至頂板上，避開保護(hù)建筑區(qū)域，可有效減小周邊環(huán)境的變形，同時(shí)頂板行車范圍的加大也有利于提升機(jī)械的施工效率，加快土方開挖及支撐、換撐的速度，減小變形的累計(jì)量。

5.5 保護(hù)建筑側(cè)支護(hù)樁增加注漿孔

咬合樁樁間施工不當(dāng)時(shí)易產(chǎn)生滲漏點(diǎn)，為保證咬合樁的止水效果，在保護(hù)建筑側(cè)增加注漿孔，孔深同咬合樁樁長，在降水試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)有漏點(diǎn)或開挖過程中出現(xiàn)滲漏時(shí)，在該側(cè)支護(hù)樁樁間區(qū)域進(jìn)行雙液注漿處理，水泥中摻入水玻璃加快水泥的凝結(jié)，止住漏水點(diǎn)，防止水土流失對(duì)保護(hù)建筑產(chǎn)生影響。

5.6 保護(hù)建筑處設(shè)置跟蹤注漿管

在基坑開挖過程中，保護(hù)建筑可能產(chǎn)生局部沉降，沉降的產(chǎn)生原因很多都是土體擾動(dòng)，為此，在沉降超過報(bào)警值時(shí)，需要對(duì)地基土進(jìn)行填充加固，減小該側(cè)土體持續(xù)變形，從而控制不均勻沉降，跟蹤注漿孔僅在沉降較大側(cè)設(shè)置，根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整壓力、速度及注漿量，保證房屋結(jié)構(gòu)的安全(見圖6)。

5.7 保留古樹進(jìn)行專項(xiàng)保護(hù)

在保留古樹處，咬合樁采用套管施工，隔絕水泥等體系對(duì)其的污染，在施工過程中若發(fā)現(xiàn)古樹產(chǎn)生沉降，采用跟蹤注漿對(duì)其下部土體進(jìn)行加固，注漿采用純水玻璃；另外，聯(lián)系園林部門對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行踏勘，了解古樹情況，在古樹生命體征出現(xiàn)異常時(shí)由園林部門出具方案，采取打吊針等方案保證其安全。

6 結(jié)語

1)對(duì)于傳統(tǒng)的混凝土支撐體系，整體剛度較小。而梁板系統(tǒng)由于樓板的水平剛度十分大，故采用梁板結(jié)構(gòu)作為支撐后，對(duì)于支護(hù)樁的水平支撐效果較好，可大大減小支護(hù)樁的水平位移，從而減小保護(hù)建筑的豎向沉降。

2)本工程采用了確保支護(hù)樁樁底嵌入巖層、加大支護(hù)樁樁徑、合理布置出土洞口、減少保護(hù)建筑周邊的行車動(dòng)載、增加注漿孔、設(shè)置跟蹤注漿管等多種措施保證了保護(hù)建筑的安全性。

3)采用咬合樁體系作為逆作法的圍護(hù)體系，加快了設(shè)計(jì)進(jìn)度，節(jié)省了工程造價(jià)。在設(shè)計(jì)中采用的咬合樁與外墻處理節(jié)點(diǎn)，加強(qiáng)了整體剛度，減小了滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

4)通過總結(jié)本工程的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給保護(hù)建筑緊鄰既有建筑深基坑設(shè)計(jì)提供新的思路，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。