国家大剧院超深基坑支护施工技术.pdf

施 工 技 术 2005 增刊 construction technology 33 国家大剧院超深基坑支护施工技术 陈 新 ( 北京城建集团，北京 100088) 摘要 国家大剧院超深基坑工程经过多方案的比选、论证，确定了桩、锚、墙多级支护，抽、渗、隔、减压多种方 式相结合的地下水控制方案，在施工前，进行施工方法的实地试验、分析与总结，确定了高承压水卵石地层中的地 下连续墙施工方案、高承压水卵石地层中大吨位锚杆的施工方法以及高承压水卵石地层中的成井、封井施工技术。 关键词 深基坑;支护;施工技术 中图分类号 t u 753. 1 文献标识码 a 文章编号 1002- 8498( 2005) s0- 0033- 05 construction technology of super deep foundation pit support of the national great theater project chen xin ( beijing urban construction group，beijing 100088,china) abstract: by comparing and discussing，it was assured that multi- layer support methods of pile，anchor arm and underground diaphragm wall and underground water control method of pumping，seeping，isolation and reducing pressure used in super deep foundation pit support engineering of the national great theater project. before the construction， engineers carried the on- site test，analyses and sum- up to assured the construction methods of underground diaphragm wall，anchor arm and drilling well and seal well off. key words: deep foundation pit;support; construction technology 国家大剧院地处北京天安门地区，为一多功能特 大型公共建筑，由椭圆穹形结构的主体建筑( 202 区) 及南北两侧( 201 区、 203 区) 的地下通道、 车库及其它 附属配套设施组成，总占地面积8 万余 m2，总建筑面 积 19 万 m2， 其中 202 区中心主体建筑占地面积25500 m2，大部分基础埋深为- 26m，歌剧院台仓基础埋深为 - 32.5m，戏剧院台仓基础埋深为- 29.1m，音乐厅基础 埋深为- 27m。如图 1 所示。 工程地质情况：本施工场区处于永定河冲积扇中 部，地层土质以粘性土、粉土与砂、卵石交互层为主 并存在多个沉积旋回。场区在新近沉积层以下至基岩 板之间为粘性土与砂土、碎石土( 卵石、圆砾) 交互沉 积的第四纪沉积土层，具有良好的成层性。在第层 土以下分布的卵砾层，均被一定厚度的粘土层、粉质 粘土层隔开，形成第层、第层、第层和第层 卵石含水层。如表 1 所示。 该建筑因其特殊的地理位置、周边环境及复杂的 工程地质情况，使该基坑成为施工难度很大的基坑。 图 1 国家大剧院基坑开槽示意 1 施工难度 收稿日期 2005- 09- 30 作者简介 陈 新( 1966) ，女，河南郑州人，北京城建集团 工程总承包部高级工程师，北京市海淀区北太平庄路 18 号 100088 34 施 工 技 术 2005 增刊 表 1 卵石层分布、状态和主要特征一览 地层 厚度/m 粒径 d 含砂率/% 密实度 级配 夹层情况 备注 卵砾石 层 4.187.85 d 大为 8cm， d长为10cm， 一般为 24cm 2535 中密 良好 消防通道基础 落在该层中 卵砾石 层 14.917.8 d 大为 10cm，d 长为 12cm，一般为 35cm 2030 密实 良好 层顶为厚约2m 的中砂、 细砂1层， 层中分 布着粉质粘土、重粉质粘土2层和粘质粘 土、砂质粉土3层，这些土层分布不均， 最大厚度仅 2m 左右 歌剧院、 戏剧院 和音乐厅等基 础落在该层中 卵砾石 层 9.112.6 d 大为 10cm，d 长为 12cm，一般为 69cm 20 左右 密实 良好 层顶为细砂、粉砂1层，其间夹粘质粉土、 砂质粉土2层，粉质粘土、重粉质粘土3 层 卵砾石 层 d 大为 14cm，d 长为 10cm，一般为 69cm 25 左右 密实 良好 ( 1) 主体 202 区设计的基坑边线距离人民大会堂 45m，距离西侧的石碑胡同仅有 10m，距离人民大会 堂西侧路仅 15m，人民大会堂西侧路上分布有许多市 政管线，基坑北侧的长安街及中南海与其相望。在这 样一个心脏地区进行深30m 的基坑施工， 施工难度非 常大。 ( 2) 在基坑深度范围及支护结构施工范围内有三 层卵石层， 厚度达30m， 且卵石粒径大( 最大达12cm) ， 密实，给支护结构的施工带来了很大的难度。 ( 3) 地下水十分丰富 基坑深度范围及基底不仅 受到老城区丰富的上层滞水、层间潜水的影响，还受 到第 1、2 层承压水的影响，水头可达 15m 高度。这 样高的承压水头对 202 区深基坑，尤其对歌剧院台仓 的基底稳定和边坡支护均形成了很大的难度。 ( 4) 202 区- 26.0m 主体结构外墙即为外围- 12.5m 消防通道的内墙，因此，地下连续墙结构必须设在消 防通道的基础下面，这就对连续墙支护结构的垂直度 以及变形量的控制提出了较高的要求。如何在高承压 水超厚卵石地层中保证连续墙的施工精度和控制水平 位移量，将是面临的一项难题。 ( 5) 在高承压水卵石地层进行锚杆施工， 国内尚无 成熟技术，且设计锚杆轴向抗拔力达 920kn，如何保 证大吨位锚杆的施工质量和满足设计要求的抗拔力需 要进行大量的工作。 2 基坑设计方案 202 区主体深基坑经过多方案的比选，最终采用 桩、墙多级支护，抽、渗、隔及减压多种方法有机结 合的支护及地下水控制方案( 见图 2、3) 。具体方案如 下： 第 1 步：202 区消防通道- 12.5m 范围，600mm 护坡桩+2 道锚杆+基坑外600mm 抽渗井。 方案要点：护坡桩桩顶设置 370mm 厚砖挡墙 22.5m 高，以利地下结构中的各种管线的埋设； 图 2 柱、锚、地下连续墙联合支护方案 图 3 202 区台仓地下水控制 锚杆为预应力锚杆， 预加应力为锚杆设计抗拔力的1.1 倍，锁定值为锚杆设计抗拔力的0.850.9 倍；第2 道锚杆设计倾角为2530，并要求锚固段进入砂 层不少于 6m， 以提高锚杆的设计锚固力和减少软土地 层的蠕变量；基坑外设置的渗水井和抽水井间隔布 设，井间距 10m，净深20m，防止雨季地下滞水及潜 水水位升高，导致地下水流入基坑；在基坑内间隔 布设渗水井和抽水井( 兼做观测井) ， 间距15m15m， 井深 18m。 第 2 步：202区大面积- 26.0m范围，800mm 厚地 2005 增刊 陈 新：国家大剧院超深基坑支护施工技术 35 下连续墙+1 道锚杆+基坑内600mm 疏干井+基坑外 600mm 水位观测井。 方案要点：连续墙顶设置 20cm 厚、1.5m 高的 导墙，兼做挡土和挡水墙使用；连续墙设置 1 道锚 杆，从连续墙受力合理的角度考虑，将锚杆设在承压 水头标高( - 17m) 以上 50cm 处的连梁上，倾角不大于 15，从而避免了在连续墙墙体上预留孔，使导墙、 墙顶连梁和锚杆三者得到了有机的结合；连续墙墙 底的嵌入确定深度既要满足支护结构整体稳定性的要 求，又要同时满足基坑底抗渗流稳定性验算的要求； 锚杆水平间距根据地下连续墙的成槽设备( 德国宝 峨公司进口的 bh640 型抓槽机) 确定，其每抓均为 2.8m， 采用 “两钻一抓” 施工工艺， 则每槽长度为 5.6m， 确定每个槽段设置2 根锚杆， 锚杆的水平间距为 2.8m， 为保证每个槽段的受力均匀，两根锚杆对称布置。为 了减少槽段接头的剪切力，增强连续墙接头的抗渗性 能， 在接头两端锚杆的预应力设计中， 力求均衡设计， 统筹考虑；为了确保连续墙支护结构的水平位移量 控制在 20mm 内，适当提高锚杆的预应力施加值，为 锚杆轴向受拉承载力设计值的 80%90%；202 区 周圈设置的地下连续墙既起到挡土作用，又起到挡水 作用，因此，- 26.0m大面积基坑仅需将槽内的“滞留 水”疏干至- 29.0m以下( 基坑抗渗流稳定的需要) ，即 在基坑内按 30m30m 间距梅花型布设疏干井，井深 23m。考虑到在结构施工过程中还将对越流补水加以 控制，以防水位上升，所以管井采用 2 种形式：一种 为235mm 钢质桥式滤水管，另一种为400/ 300mm 水泥滤水管， 管外充填24mm 豆石做过水滤 料至孔口。 第 3 步：202区歌剧院- 32.5m范围，薄壁 300mm 厚连续墙隔水帷幕+帷幕外600mm 减压井+帷幕内 600mm 疏干井。 方案要点：歌剧院台仓基坑外围设置的素混凝 土连续墙隔水帷幕起到隔离台仓内外地下水的作用， 目的是既保证将台仓隔水帷幕内的地下水控制在基底 以下 1.0m 处，又维持大面积- 26m 基坑的基底水位不 受影响和基底抗渗流的稳定。隔水帷幕墙顶标高设计 为- 29m，与大面积- 26m 基槽底的疏干水位相当。隔 水帷幕的底端标高设计为- 39.2m，进入相对隔水层 2m， 起内疏干水位与大面积- 26m 基坑的- 29m 槽底的 疏干水位水头差的作用；台仓周围设置的减压降水 井，主要是将影响到台仓基底稳定的第 2 层承压水的 水头降低至基底稳定的水头标高，为此需要验算使台 仓既保证基底稳定，又满足抗浮和抗管涌安全系数要 求的第 2 层承压水的水头标高。由于台仓减压井是为 降第层内的第 2 层承压水的水头，而不降其它层位 的水， 因此减压井在经过的其它地层应采取封井措施。 在距台仓基坑上口 1m 处按 9m 间距布设减压井，井 上口标高为- 15.7m，下口标高为- 51m。井径600mm， 管径325mm钢管， 在- 42m以上为井管壁( 壁厚5mm) ， 以下为桥式滤水管( 壁厚5mm) 。滤水管必须进入第2 层承压水层 4m，滤水管外包缠 60 目尼龙纱布并填充 24mm 豆石滤料。 - 41m 以上采用粘土球封孔止水至 - 25m。 3 基坑施工技术 3.1 高承压水卵石地层地下连续墙施工 ( 1) 机械选型 在高承压水、超厚卵石地层中进行连续墙的成槽 施工， 如何保证成槽的垂直度和成槽施工的顺利进行， 抓斗设备的选择将至关重要。考虑到该工程的特殊性 和施工难度，确定采用宝峨 bs640 设备，如果工期需 要再考虑土力 bh7/12 抓斗进行补充。 ( 2) 泥浆配置 高承压水的存在， 影响槽壁稳定的因素主要有： 在抓槽揭穿承压水顶板的一刹那，地下水会涌入槽孔， 严重破坏这一高度的槽壁稳定； 高水头地下水的涌速 不仅会稀释槽内的护壁泥浆， 而且会很容易从卵石地层 中渗漏，影响到泥浆的护壁效果，导致槽壁坍塌。 从以上分析，在施工中采取以下措施：导墙顶 面标高须高于承压水头标高，也即槽内泥浆面高程应 满足平衡水压力的要求；配置比重大和较高粘度的 泥浆；缩短槽段长度，缩短单槽作业时间。 按表 2、3 所示参数配置的泥浆护壁，经超声波检 测，槽壁未发现明显塌方，并可静置 12d。 表 2 新配置泥浆参数 项次 项目 新泥浆 成槽泥浆 槽底泥浆 回收泥浆 1 密度/( g/cm3 ) 1.21 1.21.3 1.19 1.125 2 粘度/s 2627 2633.5 36.5 37 3 失水量/( ml/30min) 9.4 920 17.6 16.6 4 泥皮厚度/mm 0.5 0.41.8 1.3 1.2 5 砂率度/% 510 5 0.8 6 ph 值 9 8.5 8.5 8.5 备注 新泥浆掺重晶石 26%，沉渣厚度 200300mm 表 3 回收调整后泥浆参数 项次 项目 新泥浆 成槽泥浆 槽底泥浆 回收泥浆 1 密度/( g/cm3) 1.11 1.111.19 1.19 2 粘度/s 25 2730 28 3 失水量/( ml/30min) 25 1830 27 4 泥皮厚度/mm 2 1.42.5 2.5 5 砂率度/% 1.0 1.54 9 6 ph 值 11 910.5 12 备注 回收泥浆+新泥浆未掺重晶石，加入纯碱改良，沉渣厚度 200300mm 36 施 工 技 术 2005 增刊 ( 3) 施工工艺 在该工程中成槽工艺采用的是“两钻一抓”工艺， 即在划分的 1 个槽段中拟进行 2 抓，就在每抓的两端 利用与槽深相同的钻孔形成导孔，以保证抓槽的快捷 及成槽垂直度的精度。在整个大剧院的地下连续墙工 程中， 由 2 台 bh12 型旋挖钻机配合34 台液压抓斗 施工，在流水作业的条件下，达到 1 套机组日均完成 一槽的施工速度，比传统的直接抓槽方法提高工效进 3 倍，每槽成槽时间平均缩短 2d。 垂直度控制方面，由于旋挖钻机成孔形成的导孔 一般情况下有扩孔现象，因此抓斗能对导孔形成的偏 差进行调整，成槽精度易保证，大剧院工程 610m 长 地下连续墙， 约103 个单元槽段， 槽段长度 5.66.1m， 经 ggx- 3 测斜仪检测，槽壁 x 方向垂直度1/200，y 方向垂直度1/200，均能满足设计垂直度的精度要 求。 ( 4) 质量控制措施 槽段间防渗流措施 在选择连续墙接头形式时， 着重考虑以下几个方面： 为保证连续墙在高承压水、 负责荷载作用下的稳定和小的位移量，接头宜选择刚 性接头，保证接头范围的刚性和抗剪性能；为防止 接头的渗漏，宜选择渗水路径或路径拐点多的接头形 式，保证抗渗性能；选择施工质量能保证的接头形 式，增大接头的抗渗的合格率；综合考虑接头的经 济性和施工简便性。 在综合各种接头形式的特点后，选择工字钢接头 形式，并辅以接头迎土面的阴角处埋设注浆管，进行 压力注浆，填充因接头清理不干净，混凝土灌注不密 实等原因而造成的缝隙，进而阻止地下水的渗漏。工 字钢接头采用 10mm 厚钢板焊接成“工”字形，翼缘 宽 500mm，腹板高 960mm。注浆管包在混凝土里面 的采用聚乙烯塑料管，露在外面的采用钢管，塑料管 上呈梅花形竖向划开注浆孔。为保证工字钢接头吊放 位置的准确，接头与钢筋笼一起吊入槽内。 接头的清刷，采用与接头形式相吻合的接头刷， 上下反复刷 510 次。 为防止混凝土绕流到工字钢外侧，在工字钢两侧 全高包裹 0.6mm 厚宽度为1m 的铁皮，工字钢的二期 槽段内采用石子充填，防止在混凝土浇注时钢筋笼移 位或变形。在浇注过程中，先在二期槽段添石子，然 后边浇注混凝土，边填石子，保证石子高度始终高于 混凝土上升高度。 3.2 高承压水卵石地层大吨位锚杆施工 地下连续墙的锚杆设计抗拔力为 920kn，极限抗 拔力达 1100kn，设计吨位非常大，且锚杆锚固的地层 多为砂卵石地层，卵石厚度大，卵石粒径最大高达 12cm，平均 35cm，含砂率 25%，经现场测试大于 15mm 的颗粒含量达 74%，且地下水丰富，锚杆穿透 的第一层承压水头高6m。 在这种情况下施工锚杆， 经 多方比选选择采用水冲孔双套管钻进成孔工艺，锚杆 钻机选用 kr80302 型锚杆钻机成孔， 并采取孔口设置 “充浆止水袋”的方法封闭高水头的承压水外渗。 3.2.1 锚杆成孔工艺 ( 1) 钻机就位，钻头中心对准锚位，调整好钻杆垂 直方向角度，采用角度仪测量钻杆角度，角度误差为 1， 调整好钻杆水平方向角度， 使钻杆与连续墙面垂直。 ( 2) 射水缓缓钻进， 钻进过程中的水土混合物排入 集水坑，待泥土沉淀后用潜水泵排除。当遇到大卵石 时，采用锚杆钻机本身的锤击功能将其破碎。 ( 3) 钻孔使用套管全程跟进成孔， 当钻机进尺到卵 石含量较多处，停止钻进，用高压水不停旋转喷射切 削土体，并不停地来回拉动套管与钻杆，将稍小粒径 的砂砾冲出，坍塌后腾出一部分空间，采用振动锤击 将坍塌剩余的卵石挤向锚杆杆体以外空间，从而减少 成孔进尺阻力。在成孔最后，用高压水切削土体为锚 杆做扩大头处理。 3.2.2 杆体安放与注浆 ( 1) 锚杆杆体安放前清除钻孔内的石屑与砂砾， 检 查注浆管、排气管是否畅通。为解决锚杆孔端头易塌 孔，杆体下放不到位的情况发生，钻孔时将成孔深度 加长 0.5m，在用高压水洗孔后及时将钢绞线插入到 位。 ( 2) 采用6根1860型钢绞线， 在锚固段每间隔1.5m 设 1 个隔离架，用火烧丝绑扎牢固。钢绞线每根长度 误差不得大于 50mm，每束长度误差不得大于 0.95 倍 锚杆设计长度。 ( 3) 为保证自由段发挥功能，自由段采用 2 根 90mm 聚乙烯塑料管保护， 并用棉纱等材料封堵口部。 在锚束的两端设置充浆布袋，布袋由两层无纺布扎制 而成，沿锚束方向长 1m、宽 0.6m，充浆及注浆用塑 料管均沿绞线中间引至孔外，与注浆泵相连。 ( 4) 注浆液采用水泥净浆，水灰比 0.450.5，掺加 0.3%的 rh- 6 早强剂，用强制式搅拌机搅拌2min后， 泵入储浆机，用 1mpa 压力注浆至孔口溢浆 1min止。 ( 5) 锚杆灌浆通常分为常压注浆及高压注浆两种， 常压注浆压力一般为 0.6mpa 以下，高压注浆一般为 2.0mpa以上。在该高承压水卵石地层，由于土层的渗 透系数较大，采用高压注浆会加大用浆量，使造价增 加，因此，采用连续二次中压注浆，即同样在常压注 浆并拔完最后 1 节套管时，向绑扎在锚束头部的布袋 2005 增刊 陈 新：国家大剧院超深基坑支护施工技术 37 进行中压充浆，待浆液达到 1.5mpa 时，用中压对杆 体进行补浆，补浆压力亦控制在 1.5mpa内。 ( 6) 在承压水卵石地层中施工锚杆， 一次拔套管数 量过多易导致孔壁坍塌，为此，在拔套管时按 3 次拔 管，每次拔完后及时补浆。 3.2.3 锚杆头部位止水处理措施 为防止高承压水沿着锚体从锚头部位渗出，采取 “充浆止水袋”的方法。充浆止水袋由抗压防水的无 纺布制成，长 500mm、直径大于钻孔直径 3050mm 为宜。将止水袋绑牢于杆体前端，距孔口 500mm 左 右。止水袋内留有注浆管，待注浆、补浆完成后立即 对止浆袋进行充浆，充满后对注浆管口封堵，利用膨 胀的水泥浆袋封堵孔口， 达到阻止承压水外溢的目的。 另辅助防水混凝土封闭处理。 3.3 高承压水卵石地层成井及封井技术 ( 1) 成井 在高承压水卵石地层成井采用冲击反 循环钻机，该钻进工艺同于反循环钻钻进工艺，但遇 到大卵石地层，又具有冲击钻的功能，因此钻进过程 中具有使用粘土少，便于洗井，成井速度快的优点， 保证了成井的质量和速度。 ( 2) 下井管 采用钢管时要求焊接牢固且保持上 下垂直，采用无砂管时要求上下节管对口垂直，且将 对口处用塑料布封严，用竹片将各节井捆实。在需要 抽水的含水层滤水管采用 6070 目的尼龙纱网， 需要 封井的范围采用死管。 ( 3) 填粒料 根据含水层的地层情况， 过水滤料采 用 24mm 的豆石，填料量不能小于计算量的 95%， 填料高度应在含水层顶板以上 35m。为了消除井壁 上的泥皮，可在滤料中拌入焦磷酸钠，填料时要均匀 缓慢填入，避免出现桥架现象。 ( 4) 管外封井 减压抽水井壁管外必须进行封孔， 位置位于滤料顶面以上， 至- 25m 标高， 封孔材料选用 粘土球。粘土填至要求高度后，填入粘土球。 ( 5) 洗井 采用风量在 17m3或以上的空压机，要 求上下水位连通， 水清砂尽， 若井壁上下含泥量太多， 可采用双隔离风管注清水上下移动冲洗。 ( 6) 下泵 在连续墙内的疏干井选用 2032m3/h 的潜水泵