超大深基坑快速生產(chǎn)組織及施工技術(shù)應(yīng)用分析

徐洪強(qiáng)，羅支貴，馬奎 （中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

1 引言

隨著城市人口的持續(xù)增多，城市病逐漸凸顯，建設(shè)用地越發(fā)趨于緊張，深大基坑開(kāi)挖已經(jīng)成為建構(gòu)筑物的重要施工環(huán)節(jié)。這使得基坑規(guī)模不斷擴(kuò)大，并向著超大、超深的方向發(fā)展。基坑設(shè)計(jì)受到地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、基坑尺寸、主體結(jié)構(gòu)、施工工期等多種因素的影響。在超大深基坑施工中，由于開(kāi)挖土方工程量巨大，不可避免地將遇到更為復(fù)雜的技術(shù)難題，這對(duì)圍護(hù)體系、主體結(jié)構(gòu)以及施工組織提出了更高的要求。如何保證深大基坑安全引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并形成了一系列較為成熟的解決方案。馬宏健系統(tǒng)介紹了既有鐵路線旁深大基坑的建設(shè)方案，通過(guò)優(yōu)化施工順序，實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)計(jì)施工，能夠大幅降低施工風(fēng)險(xiǎn)，有效控制基坑變形。李韜等依托上海國(guó)際金融中心深大軟土基坑項(xiàng)目，探究了順逆結(jié)合工法的工程適用性，分析了基坑開(kāi)挖時(shí)空效應(yīng)和土體彈塑性流變效應(yīng)對(duì)地連墻安全性的影響規(guī)律，進(jìn)而提出了信息化智慧施工的安全控制措施。

在超大深基坑尚未普遍應(yīng)用的階段，技術(shù)人員較多關(guān)注施工安全，而隨著施工工藝的日臻完善，業(yè)內(nèi)更關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)超大深基坑快速施工。任望東結(jié)合天津軟弱土基坑的工程實(shí)踐，得出綜合采取不同支護(hù)形式，能夠達(dá)到快速施工的目的。郭彥兵系統(tǒng)介紹了拱北隧道深基坑的工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)總體施工的精細(xì)化管理和實(shí)時(shí)調(diào)整施工方案，大幅縮短了計(jì)劃工期。韓春峰以上海五角場(chǎng)深基坑為工程背景，動(dòng)態(tài)優(yōu)化了施工工序并合理布置了施工棧橋，滿足了優(yōu)先且快速建造的工程需求。本文依托淮安東站站前廣場(chǎng)超大深基坑，針對(duì)超大深基坑全套施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，尤其是引入跳倉(cāng)法來(lái)澆筑混凝土，可以為類似工程提供參考和借鑒。

2 工程簡(jiǎn)介

淮安東站站前廣場(chǎng)深基坑位于淮安高鐵東站西側(cè)，是淮安高鐵站配套工程，長(zhǎng) 260m，寬 230m，占地面積約60000m，平均開(kāi)挖深度15.9m，開(kāi)挖最深達(dá)到18.9m。該基坑總共地下三層，施工采用框架結(jié)構(gòu)+樁基礎(chǔ)。基坑施工區(qū)面積為5.98萬(wàn)m，出土量高達(dá)106萬(wàn)m，總建筑面積為 18.7m，是當(dāng)時(shí)亞洲在建項(xiàng)目體量最大的深基坑。

3 施工組織優(yōu)化

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工優(yōu)化

圍護(hù)結(jié)構(gòu)及樁基施工體量大工序復(fù)雜，各個(gè)施工之間會(huì)存在互相干擾的情況，為了高效率的施工，保證工序上合理銜接，選擇了分區(qū)、分塊進(jìn)行施工。

針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，采取了攪拌樁先行，地連墻與TRD同步施工的工序；針對(duì)基坑樁基，制訂了從中間向四周發(fā)散、先施工基坑中間的樁基、后施工靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)的原則。

3.1.1 格構(gòu)柱及工程樁施工優(yōu)化

現(xiàn)場(chǎng)北部設(shè)有鐵路箱梁預(yù)制場(chǎng)，前期如果一次性全部施工則需要等待預(yù)制梁場(chǎng)拆除，為了避免拆除預(yù)制場(chǎng)影響工期，特將格構(gòu)柱以及工程樁分為兩步施工。

第一步施工如圖1所示，鉆機(jī)由南向北推進(jìn)施工。其中橫軸預(yù)留3個(gè)軸和縱軸預(yù)留1個(gè)軸的樁基暫不施工，作為場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸通道使用。待其他軸施工5-6個(gè)承臺(tái)后，再緊跟施工預(yù)留軸樁基。

圖1 第一步主體結(jié)構(gòu)樁基施工

第二步施工如圖2所示，此時(shí)梁場(chǎng)已經(jīng)拆除完成，鉆機(jī)從北向南平行推進(jìn)，從東到西向前推進(jìn)。和第一步相同，橫軸預(yù)留3個(gè)軸和縱軸預(yù)留1個(gè)軸的樁基暫不施工，作為場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸通道使用。待其他軸施工5-6個(gè)承臺(tái)后，再緊跟施工預(yù)留軸樁基。預(yù)留軸的施工先三個(gè)橫軸，施工方向從北向南。最后施工預(yù)留縱軸，與此同時(shí)施工格構(gòu)柱樁基和降水井。

圖2 第二步主體結(jié)構(gòu)樁基施工

3.1.2 地連墻外側(cè)及便道樁基施工優(yōu)化

為了盡快完成施工任務(wù)，需要加大人材機(jī)的投入。取舍人材機(jī)資源的投入和施工的方式需要謹(jǐn)慎的考慮。

如圖3所示，地連墻外側(cè)樁基沿基坑四周進(jìn)行施工，南北兩側(cè)同時(shí)施工以縮短工期進(jìn)度。

圖3 地連墻外側(cè)樁基施工順序

如圖4所示，臨時(shí)便道處樁基從場(chǎng)地中央向兩側(cè)施工。調(diào)派2臺(tái)鉆機(jī)向東、西2個(gè)方向同步推進(jìn)。

圖4 臨時(shí)便道處樁基施工順序

3.2 土方開(kāi)挖施工優(yōu)化

大體積開(kāi)挖土方是基坑施工過(guò)程中的控制性工程，由于開(kāi)挖卸荷，地層不可避免將發(fā)生較大變形和潛在滑移。為了保證開(kāi)挖的安全，在土方開(kāi)挖過(guò)程中，必須高度重視基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，土方開(kāi)挖應(yīng)在可靠的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施作完成后再進(jìn)行。淮安東站基坑開(kāi)挖區(qū)域面積遠(yuǎn)超同類工程，基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外輪廓線東西向?qū)挾冗_(dá)到230m，南北向長(zhǎng)度達(dá)到260m，土方開(kāi)挖量超過(guò)100萬(wàn)m。由于土方開(kāi)挖體量巨大，常規(guī)施工方法將造成嚴(yán)重的成本增加和工期延誤，因此可以考慮利用預(yù)留土方來(lái)提供支撐。本工程在施工環(huán)向內(nèi)支撐的過(guò)程中，保留施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)以外的土體，依靠預(yù)留土體的穩(wěn)定承載作用，首先進(jìn)行中心區(qū)域土體的開(kāi)挖，達(dá)到圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土方開(kāi)挖同時(shí)施工的效果。

預(yù)留土體的范圍需要謹(jǐn)慎地考慮，施工過(guò)程中使用BIM技術(shù)進(jìn)行建模，可視化推演基坑土方開(kāi)挖和環(huán)形支撐梁施工工序。考慮各種施工順序，最后選擇環(huán)撐內(nèi)上下層土方交替采用“盆式開(kāi)挖”和“島式開(kāi)挖”法，如圖5所示。首層土開(kāi)挖使用中心島式開(kāi)挖法，第二層、第三層土均采用盆式開(kāi)挖法。實(shí)現(xiàn)了環(huán)撐施工與土方開(kāi)挖的同步施作。

圖5 土方開(kāi)挖方式示意圖

在運(yùn)輸過(guò)程中，為了最大化運(yùn)輸效率，減少車輛之間的堵塞情況，借助環(huán)形基坑的特點(diǎn)，道路設(shè)置為環(huán)形棧橋道路，物流車輛進(jìn)出單向行駛，極大地提高了物流效率。

3.3 環(huán)撐拆除方案優(yōu)化

基坑混凝土環(huán)撐共2層，混凝土方量3.1萬(wàn)方，鋼筋5600t，每層環(huán)撐的工期為5天。為了保證提供施工效率的同時(shí)不降低施工質(zhì)量。施工前通過(guò)對(duì)支撐拆除受力變形特征的分析，確定最佳拆撐方案，實(shí)現(xiàn)支護(hù)體系快速轉(zhuǎn)化。其中部分支撐拆除的計(jì)算云圖見(jiàn)圖6。

圖6 第二道支撐拆除的計(jì)算云圖

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，得到拆除支撐的方案。拆撐按間隔、對(duì)稱進(jìn)行，遵循“先次要構(gòu)件、后主要構(gòu)件”的原則，先拆角部后拆中部的順序，先拆角撐，角撐拆除結(jié)束后再拆除圓環(huán)支撐，保證支撐應(yīng)力安全有序調(diào)整、轉(zhuǎn)移、再分配，平穩(wěn)地傳遞到換撐結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)基坑變形有效控制。圈梁在無(wú)施工操作面的地方適量拆除，地下室結(jié)構(gòu)施工階段盡可能保留冠梁，待室外回填至冠梁高度時(shí)再拆除冠梁（圖7）。拆撐時(shí)，每個(gè)構(gòu)件由小到大，由中間到兩端的順序進(jìn)行。該種工序施工情況下，既滿足安全質(zhì)量的要求，又可以添加更多的機(jī)械設(shè)備來(lái)加速施工。

圖7 環(huán)撐拆除施工現(xiàn)場(chǎng)

4 跳倉(cāng)法優(yōu)化底板施工

4.1 “品”字型跳倉(cāng)法

“跳倉(cāng)法”就是人為將建筑物區(qū)分為數(shù)量不等的若干段或塊，并采取間隔性施工的一種工程方法。“跳倉(cāng)法”工藝最早是針對(duì)超大型混凝土一次性澆筑施工而提出的，通過(guò)主動(dòng)對(duì)混凝土澆筑范圍進(jìn)行分割，并間隔性施做澆筑，以防止混凝土大面積澆筑帶來(lái)的施工裂縫的困擾，同時(shí)也能達(dá)到便于施工的目的。

跳倉(cāng)法施工充分利用了混凝土在初期尚未凝固，可將內(nèi)應(yīng)力分階段釋放的特點(diǎn)，通過(guò)合理布置倉(cāng)的數(shù)量和順序，前期能夠加速混凝土應(yīng)力的釋放，后期還可以借助混凝土應(yīng)力來(lái)將不同的倉(cāng)緊密牢固地連接在一起。

4.2 跳倉(cāng)法的優(yōu)點(diǎn)

作為大體積混凝土澆筑施工的優(yōu)化方法，跳倉(cāng)法具有如下優(yōu)點(diǎn)：

①相比較于“后澆帶”施工，“跳倉(cāng)法”施工效率更高，在大面積混凝土澆筑工況下，可以有效加快施工進(jìn)度；

②“跳倉(cāng)法”施工將大體積混凝土澆筑質(zhì)量控制轉(zhuǎn)化為小體積混凝土澆筑質(zhì)量控制，更有利于控制混凝土振搗不密實(shí)等工藝缺陷，更有利于防止產(chǎn)生裂縫；

③“跳倉(cāng)法”施工能夠在不同倉(cāng)之間形成分倉(cāng)縫，通過(guò)混凝土應(yīng)力釋放特性來(lái)提高澆筑質(zhì)量和施做速度，代替了傳統(tǒng)的永久變形縫與后澆施工縫。

4.3 工藝技術(shù)要點(diǎn)

4.3.1 分倉(cāng)原則

①綜合考慮上部結(jié)構(gòu)，在受力較小處設(shè)置分倉(cāng)施工縫。把超長(zhǎng)、超寬的混凝土結(jié)構(gòu)分成若干塊，按“品”狀跳倉(cāng)澆筑混凝土，間隔7天后，再進(jìn)行倒“品”狀填倉(cāng)澆筑混凝土。

②由于“跳倉(cāng)法”工藝不需要再設(shè)置傳統(tǒng)的后澆帶，難以避免將產(chǎn)生或多或少的分倉(cāng)施工縫，后期需要依靠混凝土的抗拉能力來(lái)粘合。若相鄰施工縫距離過(guò)近，將導(dǎo)致嚴(yán)重的應(yīng)力集中，不利于控制澆筑質(zhì)量。根據(jù)既有工程經(jīng)驗(yàn)，分倉(cāng)縫之間至少需要錯(cuò)開(kāi)1m。

③考慮到混凝土硬化特性，封倉(cāng)間隔時(shí)間必須要等待混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度值，根據(jù)以往工程案例，該時(shí)期通常為7～10d。

4.3.2 底板施工順序

在本次施工過(guò)程中，倉(cāng)位分為25個(gè)，具體倉(cāng)號(hào)設(shè)置如圖8所示。混凝土澆筑分兩次進(jìn)行，綜合考慮混凝土澆筑設(shè)備，本次澆筑分為兩次澆筑，跳倉(cāng)和封倉(cāng)的間隔為7d。

圖8 基坑跳倉(cāng)法分區(qū)示意圖

跳倉(cāng)法結(jié)合施工班組及工序的安排，選擇采用由中間向四周依次推進(jìn)、平行施工的方式進(jìn)行施工，跳倉(cāng)的具體順序如表1所示。

跳倉(cāng)法順序表 表1

4.3.3 倉(cāng)位施工縫處理

分倉(cāng)澆筑時(shí)就已提前將分倉(cāng)縫做粗糙處理，后期混凝土即使未進(jìn)行常規(guī)鑿毛清洗，也能夠滿足正常的粘結(jié)需求，具體施工時(shí)僅需處理表面灰塵即可再次澆筑。此外，施工縫采用快易收口網(wǎng)封堵混凝土，在相應(yīng)位置應(yīng)安裝止水鋼板和附加鋼筋（圖9）。

圖9 基坑跳倉(cāng)法倉(cāng)位施工縫處理示意圖

5 結(jié)論

①針對(duì)既有預(yù)制梁場(chǎng)影響下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，分步施工格構(gòu)柱以及工程樁，預(yù)留橫縱軸運(yùn)輸通道以加速物資運(yùn)輸速度。地連墻外側(cè)樁基考慮支護(hù)要求，同步施工地連墻與TRD兩種不同支護(hù)結(jié)構(gòu)，極大地提升了施工效率。

②針對(duì)環(huán)形基坑大體積土方開(kāi)挖，采取環(huán)形支撐與預(yù)留環(huán)土，將環(huán)形棧橋設(shè)置為渣土運(yùn)輸?shù)缆罚瑢?shí)現(xiàn)了環(huán)撐施工與中心土方開(kāi)挖的同步進(jìn)行，提升了物料的運(yùn)輸效率。

③針對(duì)環(huán)撐拆除，通過(guò)數(shù)值分析精確分析不同方案下結(jié)構(gòu)的受力變形特性，優(yōu)化得出了縮短工期的拆撐方案。

④針對(duì)底板施工，引入跳倉(cāng)法來(lái)澆筑大面積混凝土，同時(shí)將分倉(cāng)縫取代后澆施工縫與永久變形縫，實(shí)現(xiàn)了30天澆筑8萬(wàn)方混凝土的預(yù)期目標(biāo)。