深基坑條形分割法施工新技術(shù)

1、新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備深基坑“條形分割法”施工新技術(shù)李友強(qiáng) ，鄭大榕隨著城市的大規(guī)模發(fā)展，地下空間的開發(fā)建設(shè)也日益增多，出現(xiàn)了大量的地下建筑如高層建筑的地下室、地下軌道、地下商場(chǎng)、地下停車場(chǎng)和人防工程等。總結(jié)某地鐵車站與民用地下建筑相結(jié)合的工程實(shí)例，提出了“條形分割法”的設(shè)計(jì)施工新方法。通過科學(xué)研究和工程實(shí)踐證明，對(duì)大型盆式深基坑工程進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工，能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，對(duì)加快工程進(jìn)度和保護(hù)周圍環(huán)境能發(fā)揮重要作用。1 工程概況1.1 工程地質(zhì)和周邊環(huán)境本工程地處長(zhǎng)江低漫灘，屬典型的軟土地層地區(qū)。地層自上而下主要分為人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂層、粉細(xì)砂層和細(xì)砂層等?；?

2、0m以上地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，其特點(diǎn)為高含水量( w =43.1 %)、大孔隙比( e0 = 1.22)、高壓縮性( a1-2 =0.74)、低強(qiáng)度( f ak = 65kPa)，易于觸變和流變；基坑10m以下地層主要為砂層，由粉砂及細(xì)砂組成，總厚度達(dá)54.2m。粉細(xì)砂層不均勻系數(shù)Cu 為3.099.09，滲透系數(shù)k 一般為10-3 cm/s 級(jí)。地下水位埋深在地面下約2m，地下水量豐富。本工程位于城市主干道(雙向六車道) 路中心下，西側(cè)有大型的體育場(chǎng)館建筑群，東南側(cè)為在建的38 層超高層民用建筑。1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況本工程包括1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的一級(jí)地下車站及1個(gè)地下商場(chǎng)。車站主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)192

3、.1m，寬21.3m，為地下2層三跨島式車站，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度約17m。地下商場(chǎng)緊鄰車站主體結(jié)構(gòu)東側(cè)(兩者間距1m) ，全長(zhǎng)165.50m，寬49.7m，為地下1層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度約10m。地下商場(chǎng)的南、北兩端各設(shè)一條車站風(fēng)道，為地下1 層單柱雙跨結(jié)構(gòu)。車站主體結(jié)構(gòu)、地下商場(chǎng)和車站南、北風(fēng)道共同組成一個(gè)長(zhǎng)192.1m，寬72m，深度不等的大型基坑，地下總建筑面積約20 000m2 。2“條形分割法”介紹2.1 工藝原理按“變大為小、化繁為簡(jiǎn)”的原則，在盆式基坑中間縱向設(shè)2道臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，將基坑沿縱向分割為3 個(gè)長(zhǎng)條形基坑單元。兩側(cè)長(zhǎng)條形基坑單元的土方開挖及早期主

4、體結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的內(nèi)支撐體系施工，由于跨度較小，不需設(shè)臨時(shí)立柱與臨時(shí)橫梁，其工藝和施工方法按通常的做法即可。中間的長(zhǎng)條形基坑單元施工時(shí)，利用兩側(cè)已完成的主體結(jié)構(gòu)和大基坑外側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同抵抗基坑外側(cè)水土壓力，可以在不設(shè)橫向支撐的條件下進(jìn)行中間基坑內(nèi)的土方開挖，并破除中間臨時(shí)圍護(hù)樁，然后進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)的施工。中間基坑兩端圍護(hù)結(jié)構(gòu)在寬度較小的情況下宜采用角撐形式，在寬度較大的情況下，宜再利用“條形分割”原理，設(shè)置臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，先進(jìn)行基坑兩端主體結(jié)構(gòu)的施工，在基坑四周主體結(jié)構(gòu)均完工的條件下，再施工基坑中央的主體結(jié)構(gòu)。3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 平面設(shè)計(jì)本基坑長(zhǎng)19211m，寬72m，深度不等，平面上為規(guī)則的

5、矩形?？紤]到基坑深度不等，在深淺基坑變化處設(shè)置一道臨時(shí)圍護(hù)樁，構(gòu)成兩側(cè)單元基坑A ，寬2113m?？紤]到施工方便、支撐的合理長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)的合理分區(qū)分段，兩側(cè)基坑單元B 寬度取20m。這樣，整個(gè)基坑劃分為寬度分別為2113 、3017m 和20m 的3 個(gè)長(zhǎng)條形基坑。由于中間基坑較寬，且端頭斜支撐無支承反力點(diǎn)，故沿中間基坑南、北兩端車站風(fēng)道與地下商場(chǎng)分界處各設(shè)一道臨時(shí)圍護(hù)樁墻。整個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖1 所示。圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況，并考慮到中間臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除的方便性，主要采用SMW工法圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)，只在車站主體結(jié)構(gòu)端頭井較深部位采用柱列式鉆孔樁+ 止水帷幕圍護(hù)結(jié)

6、構(gòu)。3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)基坑圍護(hù)樁設(shè)計(jì)參數(shù)： 基坑深17m 部分的樁(A型)采用SMW樁，長(zhǎng)30m，樁徑850mm，咬合250mm，內(nèi)插HN700×300型鋼，“三插二”；基坑深10m 部分的樁(B 型) 采用SMW 樁， 長(zhǎng)1611m， 樁徑650mm， 咬合250mm，內(nèi)插HM500 ×300 型鋼，“二插一”， 或內(nèi)插HM500 ×200 型鋼，“三插二”，SMW 樁水泥摻量18 %；基坑車站主體結(jié)構(gòu)端頭井處采用鉆孔樁，長(zhǎng)31m，樁徑1 000mm，樁間距1 100mm，外設(shè)樁徑850mm 600mm的三軸攪拌樁止水帷幕； 圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐均采用<6

7、09mm 鋼管，壁厚14mm，水平間距316410m，豎向間距315410m，圍囹采用3 根40c 拼合。經(jīng)計(jì)算，圍護(hù)樁最大彎矩- 572kN·m，最大剪力-412kN ，最大側(cè)向變形22mm。整體穩(wěn)定安全系數(shù)2.01> 1.4 。鋼管支撐最大軸力1 889kN ，穩(wěn)定性安全系數(shù)2.9 ，圍護(hù)樁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性滿足要求，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖2 所示。圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)（深16.5m部分） 內(nèi)力包絡(luò)圖4 施工技術(shù)4.1 施工工藝流程施工準(zhǔn)備基坑周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、基坑中間分割臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工兩側(cè)單元的條形基坑內(nèi)挖土及支撐兩側(cè)單元的條形基坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)施工中間基坑內(nèi)臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)拆除及無支撐土

8、方開挖中間基坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)施工附屬結(jié)構(gòu)施工工程竣工驗(yàn)收。4.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工SMW工法樁施工采用DH6582135M和DH5582110M型三軸攪拌機(jī)，間隔式雙孔全套復(fù)攪式連接，以保證型_鋼的插入、墻體的連續(xù)性和接頭的施工質(zhì)量，水泥攪拌樁的搭接止水質(zhì)量依靠重復(fù)套鉆來保證。按圖3 所示的順序進(jìn)行施工，其中陰影部分為重復(fù)套鉆，施工順序1、2、4、6為大幅注漿，施工順序3、5、7為小幅注漿，依次連續(xù)進(jìn)行。當(dāng)施工順序3部位的小幅注漿完畢后，移動(dòng)樁機(jī)的同時(shí)吊機(jī)就位，按設(shè)計(jì)要求吊放，插入位于施工順序1和3重復(fù)套鉆部位的H型鋼，依次連續(xù)進(jìn)行。鉆孔樁采用GSP15型鉆機(jī)施工，止水帷幕采用DH658-135M型三

9、軸攪拌機(jī)施工。圖3 SMW樁施工順序4.3 降水施工施工要求地下水位降到基坑開挖底面下1.0m 左右。根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料，水文地質(zhì)模型概化為二元結(jié)構(gòu)，降水設(shè)計(jì)參數(shù)為：含水層厚度54m，地下水埋深約2m，車站地下水水位降深15m，地下商場(chǎng)水位降深10m。通過降水試驗(yàn)，測(cè)得地下水流水力坡度為0.52 % ，滲透速度為0.156mPd ，承壓含水層綜合滲透系數(shù)為15.0m/d ，單井最大涌水量為960m3/d。通過水力學(xué)計(jì)算，設(shè)計(jì)車站區(qū)域布井38 口，井深30m，井距10m；地下商場(chǎng)區(qū)域布井20口，井深25m，井距20m。降水井采用管井方式(無砂混凝土管) ，濾水部分為混凝土無砂管，濾料為直

10、徑0.152.5mm 的砂礫混合料，抽水采用715kW的潛水泵。正式降水在基坑開挖前15d進(jìn)行，在降水過程中需保證水位下降的幅度控制在基坑開挖面下2.00m以上?；邮┕み^程中應(yīng)詳細(xì)記錄降水情況，及時(shí)分析整理降水監(jiān)測(cè)資料，用以反饋指導(dǎo)降水工作，提高降水運(yùn)行的效果。4.4 土方開挖與支撐施工施工過程中，基坑兩側(cè)坡頂堆土、堆料不得超載(一般不應(yīng)超過20kN/m2 ) ?；油练介_挖在降水效果明顯后開始，分層分段、均勻?qū)ΨQ進(jìn)行，在開挖過程中掌握好“分層、分步、對(duì)稱、平衡、限時(shí)”5個(gè)要點(diǎn)，遵循“豎向分層、縱向分段、先支后挖”的施工原則?；油馏w開挖空間和開挖速率須相互協(xié)調(diào)配合，土體開挖綜合縱坡13 ，

11、開挖臺(tái)階高度或?qū)雍癫灰?gt; 2m。基坑開挖時(shí)應(yīng)遵循“時(shí)空效應(yīng)”原則，開挖至支撐設(shè)計(jì)標(biāo)高后及時(shí)施工支撐系統(tǒng)。內(nèi)支撐體系必須嚴(yán)格遵守先撐后挖的原則，及時(shí)架設(shè)圍囹，安裝鋼支撐。圍囹與圍護(hù)樁的間隙采用強(qiáng)度等級(jí)C20 的細(xì)石混凝土填充。支撐安裝應(yīng)確保支撐軸心受壓，偏心距控制在30mm以內(nèi)，安裝完畢后及時(shí)檢查各節(jié)點(diǎn)連接狀況，經(jīng)確認(rèn)后方可施加預(yù)加力。預(yù)加力應(yīng)分級(jí)施加，重復(fù)進(jìn)行，加至設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)再檢查各節(jié)點(diǎn)連接狀況，必要時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，待預(yù)加力穩(wěn)定后鎖定鋼支撐。中間基坑開挖采用無內(nèi)支撐體系，仍應(yīng)嚴(yán)格控制好土體開挖綜合縱坡和開挖速率，不要突然集中卸載。4.5 監(jiān)控量測(cè)監(jiān)控量測(cè)對(duì)于條形分割法施工至關(guān)重要。除進(jìn)

12、行基坑施工通常的監(jiān)測(cè)如地表沉降和樁體變形、支撐軸力等項(xiàng)目外，還應(yīng)特別加強(qiáng)監(jiān)測(cè)兩側(cè)單元基坑內(nèi)先建結(jié)構(gòu)的沉降和水平位移。施工中要對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)收集、整理、分析和反饋，保證信息化施工。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為： 周圍地下管線變形、基坑周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂沉降用四等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)，精度為±2mm/km，采用S2 水準(zhǔn)儀，銦鋼尺等監(jiān)測(cè)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平位移采用極坐標(biāo)或交會(huì)的方法觀測(cè)，精度±2，采用J2-1 經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)；圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層位移、深層土體測(cè)斜采用在樁體或土體內(nèi)埋測(cè)斜管，配合測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)，精度±4mm/30m，所用儀器為CX-01 型測(cè)斜儀，測(cè)斜管；鋼支撐和腰梁應(yīng)力用振弦式

13、軸力計(jì)測(cè)量， 精度±0.1Hz ，所用儀器為表面應(yīng)變計(jì)； 坑底回彈用分層沉降儀觀測(cè)，精度±1mm，采用儀器為磁性分層沉降儀；用水位儀測(cè)量地下水位到水位管管口的距離，精度±1cm，采用電測(cè)水位計(jì)監(jiān)測(cè)； 先建結(jié)構(gòu)水平位移采用極坐標(biāo)或交會(huì)的方法觀測(cè)，精度±2，儀器為經(jīng)緯儀；圍護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)觀察每次開挖后進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)已施工區(qū)段每天至少觀察1 次，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂、突出、滲水等異常應(yīng)立即采取應(yīng)急措施，目測(cè)觀察。在取得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，應(yīng)整理繪制位移或應(yīng)力的時(shí)態(tài)變化曲線圖。在取得足夠的數(shù)據(jù)后，還應(yīng)根據(jù)曲線圖的數(shù)據(jù)分布狀況，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，預(yù)測(cè)該點(diǎn)可能出現(xiàn)的最大位移值或應(yīng)力

14、值，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和建筑物的安全狀況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施。5 注意事項(xiàng)1) 中間單元基坑施工時(shí)，利用基坑兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和已建主體結(jié)構(gòu)來抵抗水土壓力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算中間基坑無內(nèi)支撐施工時(shí)，兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)偏壓的抗傾覆、抗滑移和抗扭能力。但目前還沒有很成熟的計(jì)算模型，因此，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)兩側(cè)結(jié)構(gòu)的變位監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取措施。2) 如果驗(yàn)算兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和已建主體結(jié)構(gòu)不足以抵抗水土壓力，可采取以下兩種措施之一： 中間基坑施工時(shí)，分段(分段長(zhǎng)度不宜> 30m) 進(jìn)行土方開挖和破除中間臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)分段施工，減少中間基坑暴露的區(qū)域，利用中間基坑內(nèi)未開挖的土體來平衡兩側(cè)已建成的主體結(jié)構(gòu)； 在中間基坑

15、內(nèi)，兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置適量支撐。3) 應(yīng)根據(jù)整個(gè)基坑的平面形狀、剖面特征、場(chǎng)地條件、施工要求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，合理設(shè)置中間臨時(shí)圍護(hù)樁的位置。4) 中間臨時(shí)圍護(hù)樁使主體結(jié)構(gòu)形成了2 道縱向施工縫，梁板主筋接頭宜采用套筒機(jī)械連接方式?？v向施工縫必須嚴(yán)格按防水施工工藝處理，特別注意預(yù)留防水搭接部分的保護(hù)。5) 兩側(cè)單元基坑同步施工時(shí)，應(yīng)注意基坑間的相互作用和影響。6) 由于SMW樁具有廉價(jià)、破除容易、內(nèi)插型鋼可拔除重復(fù)利用的特點(diǎn)，在可能的條件下宜采用SMW樁作為臨時(shí)分割樁墻。6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較以本工程為例，條形分割法與一般采用的全寬過河支撐大開挖方式技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較如下：1) 施工方法條形分隔法圍護(hù)樁采用S

16、MW工法樁，內(nèi)支撐采用鋼管支撐和圍囹，中間設(shè)2 道臨時(shí)圍護(hù)樁墻；而大開挖方法圍護(hù)樁采用SMW工法樁，內(nèi)支撐采用鋼筋混凝土支撐和圍囹，中間設(shè)臨時(shí)立柱樁。2) 技術(shù)難度條形分隔法通過合理的設(shè)計(jì)，將寬大基坑轉(zhuǎn)化為幾個(gè)較小的條形基坑進(jìn)行施工，工藝較為成熟，技術(shù)難度降低；而大開挖方法支撐體系復(fù)雜，開挖出土不便，混凝土支撐拆除困難，技術(shù)難度大。3) 投資估算條形分隔法8 476萬(wàn)(含結(jié)構(gòu)施工) ；大開挖法9 162萬(wàn)(含結(jié)構(gòu)施工) 。4) 風(fēng)險(xiǎn)性條形分隔法風(fēng)險(xiǎn)較低；而大開挖法風(fēng)險(xiǎn)較高。5) 工期條形分隔法需11個(gè)月； 大開挖法需18個(gè)月。6) 占用場(chǎng)地條形分隔法主要利用基坑自身場(chǎng)地；“大開挖”法施工場(chǎng)地全部布置在基坑以外。7) 為提高可比性，兩種方