大型深基坑工程群施工技術

顧偉文

(上海建工四建集團有限公司,上海 201103)

隨著城市化進程的加速,建筑物不斷向高層發展,深基坑施工也越來越常見。深基坑工程是一個非常復雜的系統工程,其施工具有技術難度大、安全隱患多等特點。而為了滿足大型工程的建設需求,往往會出現在一個區域內同時或依次進行多個深基坑工程,如地下商業街、地鐵站、高層建筑等工程。

這些工程通常由不同的建設單位、施工單位和設計單位共同參與,在施工過程中不僅僅需要考慮單個基坑常規的施工問題,更需要考慮多個基坑之間的相互影響、施工順序、施工協同以及施工安全等方面的問題。因此,如何保證深基坑工程群的安全、協同和高效成為當前研究的熱點。研究深基坑工程群施工技術對于提高施工效率、提高工程質量、降低工程成本、保障施工安全、促進城市建設可持續發展具有重要意義。

本文依托于實際工程,對大型深基坑工程群在設計及施工中所采取的施工技術措施進行研究與分析。

1 項目概況

1.1 項目背景

九星城項目地處上海市閔行區七寶核心板塊,由九個地塊組成,占地面積16.07 hm2,總建筑面積100萬m2,地上6層,建筑面積52.83萬m2;地下3層,建筑面積47.17萬m2。九星城聚焦家居建材產業全產業鏈,旨在打造國際國內互聯互通的一站式家居建材貿易中心,成為中國乃至亞太地區國際級家居建材貿易重要基地[1-2]。

9個地塊共分為3個標段,由北向南依次為一、二、三標段(見圖1),建設單位為一家、施工總承包單位為三家,圍護設計單位為一家。

1.2 基坑概況

本工程大小基坑共計14個,基坑總面積約18.35萬 m2,開挖深度約10.05 m～14.1 m,局部深坑最大開挖深度約17.9 m。基坑安全等級為一級,環境保護等級為二級。

基坑周邊現狀主要為空地,其中東側距虹莘路約190 m,西側距環東一路約88 m,距S20外環高速約130 m。

場地內大部分范圍布有古河道,古河道區域⑤2-1層與⑦層相連。基坑不滿足微承壓水的穩定要求,⑦2層與⑤2-1,⑤2-2或⑤2-3層連通的局部區域存在承壓水突涌風險。基底主要位于砂質粉土③2層中[3-4]。

1.3 水文地質概況

潛水:穩定水位埋深在0.60 m～1.10 m之間,穩定水位標高在3.19 m～3.99 m之間。

微承壓水:⑤2-1,⑤2-2,⑤2-3層屬微承壓水含水層;實測⑤2-1層水位埋深為3.60 m左右。

承壓水:⑦1及⑦2層屬承壓水含水層;⑦1層承壓水水位埋深為4.65 m～4.74 m之間。

2 關鍵技術分析

2.1 基坑工程群基坑概況分析

2.1.1 基坑設計概況

基坑安全等級為一級,環境保護等級為三級。將基坑分區為12個(詳見圖1),1號—9號分坑面積約17 650 m2～22 000 m2,10號—12號分坑面積較小,各基坑開挖面積和分布詳見基坑分坑圖。分坑開挖順序為一階段四角4個分坑(1號、3號、7號、9號分坑)和中部5號坑同步開挖→二階段開挖四邊中部4個分坑(2號、4號、6號、8號分坑)同步開挖→三階段開挖10號、11號、12號分坑及連通道1,2。

本工程基坑周邊圍護結構采用0.8 m厚的地下墻,場地內部圍護采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+φ850 mm三軸攪拌樁,場地內各分坑之間的中間臨時分隔墻采用φ1 000 mm鉆孔灌注樁+外側φ850 mm三軸攪拌樁和內側φ800 mm旋噴樁止水帷幕(相對于先開挖基坑),豎向設三道鋼筋混凝土水平支撐。其中11號分區和東蘭路下中間的兩個連通道開挖深度10.05 m,坑內設兩道鋼筋混凝土支撐。基坑周邊地下墻深度加深至36 m或42 m,分隔墻止水攪拌樁和旋噴樁深度縮短至坑底以下7 m。

設計的整體思路為利用小基坑(10號、11號、12號基坑及連通道1,2)隔開原大基坑,以確保一、二階段基坑開挖的相對獨立性,小基坑放在三階段開挖,不處于關鍵路線,不影響整體工期,以實現9個大基坑能夠在兩階段內實施。

2.1.2 分析

綜合各方面因素考慮并結合基坑設計方案的分析,對圖紙的學習以及和設計師的溝通,總結出以下幾點:

1)基坑工程群的施工需要分先后順序進行,大面積開挖和泄土存在較大風險,不適合上海地區的地質情況。

2)同時開挖的基坑盡量保持2倍挖深范圍,這對周邊基坑的影響是處于較為可控范圍內。倘若對角基坑相鄰較近,則會造成基坑角部的支撐受力比較復雜,受力分析比較困難。

3)盡管周邊環境較為簡單,理論設計上采用排樁作為圍護即可,但是涉及群坑施工,相互影響較大,外圍一圈圍護仍需提高,采用地下連續墻更為安全。

2.2 基坑工程群施工方案分析

2.2.1 棧橋布置方案對比

棧橋的布置體現不同的施工組織思路,影響棧橋布置的因素常見的有施工大門位置、土方開挖順序、基坑大小、交通組織等。

1)一標段:“艸”型棧橋。該標段的棧橋布置基本全部采用“艸”型(見圖2上三個地塊),該標段外圍一圈均有施工便道,可實現道路環通,因此棧橋布置偏節約。分坑之間(東西向)未聯通,主要以南北向棧橋將南北的道路聯通,可滿足現場施工及交通組織要求。

2)二標段:多坑統籌考慮。該標段棧橋布置比較富裕(見圖2中間三個地塊)。標段周邊南側是沒有施工便道的,因此南北向棧橋均未到南面端頭。由于東西向棧橋僅北側道路,所以將基坑中間的棧橋實現東西向貫通,以便于現場交通組織。在三階段基坑開挖時,北側的唯一施工便道會被四個小基坑斷開,因此在小基坑上布置棧橋,以彌補現場無法進行交通組織的缺陷。

3)三標段:“H”型棧橋。該標段的棧橋布置基本全部采用“H”型(見圖2下三個地塊)。和二標段相反,該標段北側是沒有施工道路的,因此在棧橋布置時考慮將北側棧橋聯通,而且比較有利的是,該棧橋位于上部主樓結構外,在上部結構施工時可保留利用。基坑中布置較少的東西向棧橋,主要以南北流向進行交通組織。值得注意的是,10號基坑經過優化后,采用蓋挖法,10號基坑支撐棧橋可節省(詳見后文2.2.4節)。

在工程實際開展過程中,棧橋并非越多越好,布置較多的棧橋在土方開挖時,對挖機的操作空間限制還是比較多的,因此在考慮棧橋布置需要進行多因素的考慮,要全面考慮實用性、經濟性和適用性。

2.2.2 群坑施工順序及相互制約條件

1)一階段基坑開挖。開挖范圍:開挖1號、3號、5號、7號、9號共五個基坑。

相互關系:各基坑間挖土方案及時序相互獨立,互不影響。在1號、3號、5號、7號、9號分坑同步開挖中,需貫徹5號坑先挖一步,其余四個坑同時跟上的原則展開。

開挖前置條件:除常規單獨基坑開挖前置條件外,另外需要滿足外圍地墻(所有基坑的)全部施工完畢,該坑第一道圈梁延伸至隔壁基坑10 m以上,且施工完成。

2)二階段基坑開挖。開挖范圍:開挖2號、4號、6號、8號共四個基坑。

相互關系:4號、6號、8號基坑土方同時開挖高度要求相差不超過一道支撐。2號坑與4號、6號、8號坑、4號坑與6號坑挖土方案及時序互相獨立,互不影響。

開挖前置條件:除常規單獨基坑開挖前置條件外,另外需要滿足前一階段相鄰基坑頂板(地下2層頂板并達到設計強度)澆筑完成,且換撐牛腿完成并達到強度的80%。

3)三階段基坑開挖。開挖范圍:開挖10號、11號、12號及連通道1,2基坑。

相互關系:挖土方案及時序互相獨立,互不影響。

開挖前置條件:前一階段相鄰基坑頂板(地下2層頂板并達到設計強度)澆筑完成,且換撐牛腿完成并達到強度的80%。

2.2.3 圍護、降水施工技術點

本工程地質條件較為復雜,對圍護降水作業要求高。

1)根據地勘報告,場地內雜填土局部厚度較大,局部地段有暗浜分布,地質土層多為粉性及砂性土,且由于古河道影響,場地內不同區域地質條件差異較大,因此對雜填土較厚和暗浜部位進行標識,必要時進行換填土。

2)施工前,做好試成孔,確定工藝參數后再開展大面施工。

3)降水作業中關注承壓水頭變化,提前做好古河道區域承壓水突涌應對預案。

4)減壓井保證一定的有效過濾器深度,⑦層減壓井不進入⑦2層,并做到“按需減壓”。

5)降水施工過程中,除了關注單個基坑的降壓需求,相鄰基坑的降壓也會互相影響。因此在實際施工過程中,如果采用同一家降水單位對群坑降水進行優化,會減少降水工程的造價。而本工程的降水方案為一家專業單位進行實施,可從基坑工程群的全局安全進行考慮和日常管控。

6)后施工的工程樁破壞的三軸止水帷幕的止水效果技術處理考慮:

標段間,工程樁由后開挖基坑施工方施工,三軸攪拌樁由先開挖基坑施工方施工(見圖3)。故需要采取措施,先施工三軸攪拌樁,5 d內移交工作面由后施工方施工工程樁,工程樁上部回填,再移交先施工方補兩個高壓旋噴樁進行止水加固。

7)施工界面及施工先后順序影響圍護的完整性,尤其是轉角處施工,影響安全性,因此對界面的策劃(如圖4所示)、分工以及先后施工順序和時間間隔極其重要。

2.2.4 土方開挖技術措施

土方開挖根據“時空效應”的原則,分層分塊盆式開挖,預留坑邊土體護坡,減少圍護體無支撐狀態的暴露時間,并對稱、平衡開挖形成支撐[5]。

基坑邊30 m左右為坑邊留土,其余中間為盆中土,盆中土首先開挖棧橋兩側的土方,隨后小挖機下基坑開挖棧橋底部土方,待盆中區域的支撐形成后再開挖盆邊留土,形成對撐。

專人指揮挖土,嚴禁超挖,基坑開挖時機械挖土寧淺勿深,并經常復測坑底標高。基底土層最后200 mm～300 mm采用人工扦土,確保基底表面平整、墊層厚度均勻。最后一層土方從分塊開挖到墊層澆筑完畢必須控制在24 h內,隨挖隨澆墊層,各分塊墊層面積應控制在200 m2內。

局部落深坑開挖工況:局部落深坑必須待周邊普挖區的墊層形成后,方可進行落深坑的開挖。落深坑開挖完成后,要及時形成邊坡及坑底墊層,減少基坑底部暴露時間。

2.2.5 蓋挖法技術措施

1)方案概述。10號基坑采用蓋挖法施工基坑,在B1層頂板(即地下室頂板)蓋挖法施工時,同時拆除地下室頂板區域圍護排樁,將5號、7號、8號、9號基坑地下室頂板直接連通,利用消防車道下結構頂板作為場內施工道路,盤活地上結構階段交通組織,減少后期拆除與再連通的施工難度。具體施工步驟:

a.第一步:開挖第一層土方至-7.600 m標高,施工10號坑地下室頂板(水平向結構),與相鄰坑頂板連接。

b.第二步:頂板強度達到80%后,施工格構柱間剪刀撐,開挖土方至底板墊層底,再施工底板與相鄰坑底板連接。

c.第三步:按照順作法施工地下三層結構與相鄰坑梁板連接,樓板達到設計強度80%后拆除柱間支撐。

d.第四步:補全地下二層豎向結構(與頂板相連)及運輸口位置梁板等結構。

2)通風排氣。為保證10號基坑土方順利開挖,施工前應查明地下有毒、有害氣體的分布情況,需要確保基坑的通風。

10號基坑內空氣量為66 604 m3,按照每日三次的換氣次數,取漏風系數為1.1,計算得到換氣量為9 158 m3/h,加通風機的備用風量得到最終通風量為13 737 m3/h。因此采用CBF500軸流風機,其換氣量為5 700 m3/h,布置三臺在現場出土口位置。

3)混凝土澆筑措施。框架柱的中間利用鋼管預留混凝土澆搗孔,澆搗孔徑大小為100 mm,每個框架柱澆搗孔數量為4個,呈對角布置,鋼管標高應低于板標高3 mm,保證鋼管不遭到銹蝕。現場澆筑施工時通過預留鋼管澆搗孔澆筑混凝土。模板中部設置臨時澆搗口。

柱、墻水平施工縫留置距梁底下1.3 m。施工縫處預留10d長度的鋼筋以及半數鋼筋35d的錯接長度。鋼筋為套絲加工完成的鋼筋以便日后豎向結構進行機械連接,施工完成后對鋼筋端部進行成品保護措施以保證套絲部分的完整性。預留柱鋼筋彎錯部分與梁筋焊接固定,下部預留的10d長度柱筋通過與多肢箍焊接形成整體并通過箍筋與梁焊接對柱筋進行定位,保證柱筋位移在規范合理范圍內。

3 施工數據分析及措施

3.1 圍護測斜變形規律

圍護樁測斜數據能較直觀地表現基坑施工中變形規律,是施工過程中關注較多的監測數據之一,也能夠從中總結一些變形規律。選取其中測點CX67,CX69,CX77,CX113進行曲線繪制(詳見圖5—圖9)。

通過對變形曲線的分析,可得出以下結論:

1)二階段基坑開挖卸載時,圍護回彈速率較一階段的圍護變形速率要快,和圍護往相反方向變形有關,可以與鋼筋的疲勞變形類比,在施工過程中應重點關注。

2)二階段基坑開挖時,圍護變形略有起伏,整體向二階段基坑內變形,一方面與三層土開挖的周期較長有關,另一方面是二階段基坑變形的一個規律。

3)從圖8,圖9中可以體現,二階段基坑在二層土方開挖的過程中,圍護的變形較為不穩定,尤其是首道支撐處,會給基坑帶來一定的風險。

4)從圖8,圖9中可以體現,二階段基坑在四層土方開挖過程中,圍護的變形朝向一階段基坑,與二階段基坑底卸載有關。

3.2 圍護變形注意點

從上述變形規律的最后一點中,二階段基坑在最后一皮土方開挖過程中向一階段基坑變形,以8號坑為例,四階段土方開挖時,圍護在四層土方開挖時向7號、9號基坑變形,8號基坑支撐的軸力就會變小,有脫落的風險。實際基坑變形數據反映,該階段的支撐軸力的確變小;從現場實際的基坑情況,圍檁和排樁之間出現了縫隙(詳見圖10,圖11),存在一定的安全隱患[6-9]。

4 結語

通過工程案例的淺要分析,總結出了大型深基坑工程群施工技術控制點以及注意事項,包括基坑設計分析、棧橋方案對比、圍護降水施工技術點、土方開挖技術點以及監測數據的分析總結等關鍵技術點。同時,還總結提出了一些實用的施工技術和經驗,如合理安排施工順序、采用合適的開挖方法和支護方式等。這些技術和經驗對于提高大型深基坑工程群的施工質量和安全具有重要意義,對后續類似工程的施工提供一些借鑒,主要體現在以下幾點:

1)充分理解設計意圖,全方位分析基坑設計,可以更好地把握基坑工程群施工過程中的把控要點,更好地提高工程的穩定性和耐久性。如設計時較難計算的轉角部位,評審專家要求提高的地墻設計等,需要在施工過程中投入更多精力管控。

2)通過合理的施工順序和施工協同,可以最大限度地減少重復勞動和浪費,降低工程成本。棧橋的不同布置方式需要根據工程特點進行決定,方案的選擇尤其重要;逆作法和順作法的合理利用、相互結合,會對工程群的施工起到出乎意料的支撐效果。

3)保障施工安全深基坑工程施工過程中存在多種安全隱患,如土方坍塌、地下水涌入等。工程群的施工尤其需要關注圍護、降水施工對相鄰基坑的影響,交叉節點部位的止水效果以及圍護樁的施工先后順序均是基坑安全控制的關鍵點。

4)基坑圍護變形作為傳統的監測手段,在基坑工程群的施工過程中更應該加強運用,關注前后階段共用圍護的變形特點,是基坑工程群施工中的一個容易忽視的點,需要更加關注,例如二階段基坑圍護朝向基坑外的變形趨勢。

促進城市建設可持續發展隨著城市化進程的加速,城市地下空間資源越來越寶貴。深基坑工程群施工技術的應用可以最大限度地減少對城市環境的影響,促進城市建設的可持續發展。