深基坑“条形分割法”施工新技术.doc

新技术、新工艺、新材料、新设备深基坑“条形分割法”施工新技术李友强 ，郑大榕随着城市的大规模发展，地下空间的开发建设也日益增多，出现了大量的地下建筑如高层建筑的地下室、地下轨道、地下商场、地下停车场和人防工程等。总结某地铁车站与民用地下建筑相结合的工程实例，提出了“条形分割法”的设计施工新方法。通过科学研究和工程实践证明，对大型盆式深基坑工程进行合理的设计和施工，能带来显著的经济和社会效益，对加快工程进度和保护周围环境能发挥重要作用。1 工程概况1.1 工程地质和周边环境本工程地处长江低漫滩，属典型的软土地层地区。地层自上而下主要分为人工填土、淤泥质粉质粘土、粉砂层、粉细砂层和细砂层等。基坑10m以上地层主要为淤泥质粉质粘土层，其特点为高含水量( w =43.1 %)、大孔隙比( e0 = 1.22)、高压缩性( a1-2 =0.74)、低强度( f ak = 65kPa)，易于触变和流变；基坑10m以下地层主要为砂层，由粉砂及细砂组成，总厚度达54.2m。粉细砂层不均匀系数Cu 为3.099.09，渗透系数k 一般为10-3 cm/s 级。地下水位埋深在地面下约2m，地下水量丰富。本工程位于城市主干道(双向六车道) 路中心下，西侧有大型的体育场馆建筑群，东南侧为在建的38 层超高层民用建筑。1.2 结构设计概况本工程包括1个标准的一级地下车站及1个地下商场。车站主体结构全长192.1m，宽21.3m，为地下2层三跨岛式车站，钢筋混凝土框架结构，基坑开挖深度约17m。地下商场紧邻车站主体结构东侧(两者间距1m) ，全长165.50m，宽49.7m，为地下1层钢筋混凝土框架结构，基坑开挖深度约10m。地下商场的南、北两端各设一条车站风道，为地下1 层单柱双跨结构。车站主体结构、地下商场和车站南、北风道共同组成一个长192.1m，宽72m，深度不等的大型基坑，地下总建筑面积约20 000m2 。2“条形分割法”介绍2.1 工艺原理按“变大为小、化繁为简”的原则，在盆式基坑中间纵向设2道临时围护结构，将基坑沿纵向分割为3 个长条形基坑单元。两侧长条形基坑单元的土方开挖及早期主体结构采用传统的内支撑体系施工，由于跨度较小，不需设临时立柱与临时横梁，其工艺和施工方法按通常的做法即可。中间的长条形基坑单元施工时，利用两侧已完成的主体结构和大基坑外侧的围护结构共同抵抗基坑外侧水土压力，可以在不设横向支撑的条件下进行中间基坑内的土方开挖，并破除中间临时围护桩，然后进行主体结构的施工。中间基坑两端围护结构在宽度较小的情况下宜采用角撑形式，在宽度较大的情况下，宜再利用“条形分割”原理，设置临时围护结构，先进行基坑两端主体结构的施工，在基坑四周主体结构均完工的条件下，再施工基坑中央的主体结构。3 围护结构设计3.1 平面设计本基坑长19211m，宽72m，深度不等，平面上为规则的矩形。考虑到基坑深度不等，在深浅基坑变化处设置一道临时围护桩，构成两侧单元基坑A ，宽2113m。考虑到施工方便、支撑的合理长度、结构的合理分区分段，两侧基坑单元B 宽度取20m。这样，整个基坑划分为宽度分别为2113 、3017m 和20m 的3 个长条形基坑。由于中间基坑较宽，且端头斜支撑无支承反力点，故沿中间基坑南、北两端车站风道与地下商场分界处各设一道临时围护桩墙。整个基坑围护结构平面布置如图1 所示。图1 基坑围护结构平面布置根据工程地质和水文地质情况，并考虑到中间临时围护结构破除的方便性，主要采用SMW工法围护桩结构，只在车站主体结构端头井较深部位采用柱列式钻孔桩+ 止水帷幕围护结构。3.2 围护结构设计参数基坑围护桩设计参数： 基坑深17m 部分的桩(A型)采用SMW桩，长30m，桩径850mm，咬合250mm，内插HN700300型钢，“三插二”；基坑深10m 部分的桩(B 型) 采用SMW 桩， 长1611m， 桩径650mm， 咬合250mm，内插HM500 300 型钢，“二插一”， 或内插HM500 200 型钢，“三插二”，SMW 桩水泥掺量18 %；基坑车站主体结构端头井处采用钻孔桩，长31m，桩径1 000mm，桩间距1 100mm，外设桩径850mm 600mm的三轴搅拌桩止水帷幕； 围护结构内支撑均采用 1.4 。钢管支撑最大轴力1 889kN ，稳定性安全系数2.9 ，围护桩强度、刚度、稳定性满足要求，围护结构内力如图2 所示。图2 围护结构（深16.5m部分） 内力包络图4 施工技术4.1 施工工艺流程施工准备基坑周边围护结构施工、基坑中间分割临时围护结构施工两侧单元的条形基坑内挖土及支撑两侧单元的条形基坑内主体结构施工中间基坑内临时围护结构拆除及无支撑土方开挖中间基坑内主体结构施工附属结构施工工程竣工验收。4.2 围护结构施工SMW工法桩施工采用DH6582135M和DH5582110M型三轴搅拌机，间隔式双孔全套复搅式连接，以保证型_钢的插入、墙体的连续性和接头的施工质量，水泥搅拌桩的搭接止水质量依靠重复套钻来保证。按图3 所示的顺序进行施工，其中阴影部分为重复套钻，施工顺序1、2、4、6为大幅注浆，施工顺序3、5、7为小幅注浆，依次连续进行。当施工顺序3部位的小幅注浆完毕后，移动桩机的同时吊机就位，按设计要求吊放，插入位于施工顺序1和3重复套钻部位的H型钢，依次连续进行。钻孔桩采用GSP15型钻机施工，止水帷幕采用DH658-135M型三轴搅拌机施工。图3 SMW桩施工顺序4.3 降水施工施工要求地下水位降到基坑开挖底面下1.0m 左右。根据工程地质和水文地质资料，水文地质模型概化为二元结构，降水设计参数为：含水层厚度54m，地下水埋深约2m，车站地下水水位降深15m，地下商场水位降深10m。通过降水试验，测得地下水流水力坡度为0.52 % ，渗透速度为0.156mPd ，承压含水层综合渗透系数为15.0m/d ，单井最大涌水量为960m3/d。通过水力学计算，设计车站区域布井38 口，井深30m，井距10m；地下商场区域布井20口，井深25m，井距20m。降水井采用管井方式(无砂混凝土管) ，滤水部分为混凝土无砂管，滤料为直径0.152.5mm 的砂砾混合料，抽水采用715kW的潜水泵。正式降水在基坑开挖前15d进行，在降水过程中需保证水位下降的幅度控制在基坑开挖面下2.00m以上。基坑施工过程中应详细记录降水情况，及时分析整理降水监测资料，用以反馈指导降水工作，提高降水运行的效果。4.4 土方开挖与支撑施工施工过程中，基坑两侧坡顶堆土、堆料不得超载(一般不应超过20kN/m2 ) 。基坑土方开挖在降水效果明显后开始，分层分段、均匀对称进行，在开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡、限时”5个要点，遵循“竖向分层、纵向分段、先支后挖”的施工原则。基坑土体开挖空间和开挖速率须相互协调配合，土体开挖综合纵坡13 ，开挖台阶高度或层厚不宜 2m。基坑开挖时应遵循“时空效应”原则，开挖至支撑设计标高后及时施工支撑系统。内支撑体系必须严格遵守先撑后挖的原则，及时架设围囹，安装钢支撑。围囹与围护桩的间隙采用强度等级C20 的细石混凝土填充。支撑安装应确保支撑轴心受压，偏心距控制在30mm以内，安装完毕后及时检查各节点连接状况，经确认后方可施加预加力。预加力应分级施加，重复进行，加至设计值时应再检查各节点连接状况，必要时对节点进行加固，待预加力稳定后锁定钢支撑。中间基坑开挖采用无内支撑体系，仍应严格控制好土体开挖综合纵坡和开挖速率，不要突然集中卸载。4.5 监控量测监控量测对于条形分割法施工至关重要。除进行基坑施工通常的监测如地表沉降和桩体变形、支撑轴力等项目外，还应特别加强监测两侧单元基坑内先建结构的沉降和水平位移。施工中要对监测数据及时收集、整理、分析和反馈，保证信息化施工。主要监测项目为： 周围地下管线变形、基坑周边地表沉降、围护结构顶沉降用四等水准测量标准进行观测，精度为2mm/km，采用S2 水准仪，铟钢尺等监测；围护结构顶水平位移采用极坐标或交会的方法观测，精度2，采用J2-1 经纬仪监测；围护结构深层位移、深层土体测斜采用在桩体或土体内埋测斜管，配合测斜仪监测，精度4mm/30m，所用仪器为CX-01 型测斜仪，测斜管；钢支撑和腰梁应力用振弦式轴力计测量， 精度0.1Hz ，所用仪器为表面应变计； 坑底回弹用分层沉降仪观测，精度1mm，采用仪器为磁性分层沉降仪；用水位仪测量地下水位到水位管管口的距离，精度1cm，采用电测水位计监测； 先建结构水平位移采用极坐标或交会的方法观测，精度2，仪器为经纬仪；围护结构状态观察每次开挖后进行观测，对已施工区段每天至少观察1 次，发现结构开裂、突出、渗水等异常应立即采取应急措施，目测观察。在取得监测数据后，应整理绘制位移或应力的时态变化曲线图。在取得足够的数据后，还应根据曲线图的数据分布状况，对监测结果进行回归分析，预测该点可能出现的最大位移值或应力值，预测结构和建筑物的安全状况，及时采取应对措施。5 注意事项1) 中间单元基坑施工时，利用基坑两侧围护结构和已建主体结构来抵抗水土压力，设计时应验算中间基坑无内支撑施工时，两侧主体结构偏压的抗倾覆、抗滑移和抗扭能力。但目前还没有很成熟的计算模型，因此，施工过程中应加强两侧结构的变位监测，发现异常情况及时采取措施。2) 如果验算两侧围护结构和已建主体结构不足以抵抗水土压力，可采取以下两种措施之一： 中间基坑施工时，分段(分段长度不宜 30m) 进行土方开挖和破除中间临时围护结构，主体结构分段施工，减少中间基坑暴露的区域，利用中间基坑内未开挖的土体来平衡两侧已建成的主体结构； 在中间基坑内，两侧主体结构之间设置适量支撑。3) 应根据整个基坑的平面形状、剖面特征、场地条件、施工要求和结构特点等，合理设置中间临时围护桩的位置。4) 中间临时围护桩使主体结构形成了2 道纵向施工缝，梁板主筋接头宜采用套筒机械连接方式。纵向施工缝必须严格按防水施工工艺处理，特别注意预留防水搭接部分的保护。5) 两侧单元基坑同步施工时，应注意基坑间的相互作用和影响。6) 由于SMW桩具有廉价、破除容易、内插型钢可拔除重复利用的特点，在可能的条件下宜采用SMW桩作为临时分割桩墙。6 技术经济比较以本工程为例，条形分割法与一般采用的全宽过河支撑大开挖方式技术经济比较如下：1) 施工方法条形分隔法围护桩采用SMW工法桩，内支撑采用钢管支撑和围囹，中间设2 道临时围护桩墙；而大开挖方法围护桩采用SMW工法桩，内支撑采用钢筋混凝土支撑和围囹，中间设临时立柱桩。2) 技术难度条形分隔法通过合理的设计，将宽大基坑转化为几个较小的条形基坑进行施工，工艺较为成熟，技术难度降低；而大开挖方法支撑体系复杂，开挖出土不便，混凝土支撑拆除困难，技术难度大。3) 投资估算条形分隔法8 476万(含结构施工) ；大开挖法9 162万(含结构施工) 。4) 风险性条形分隔法风险较低；而大开挖法风险较高。5) 工期条形分隔法需11个月； 大开挖法需18个月。6) 占用场地条形分隔法主要利用基坑自身场地；“大开挖”法施工场地全部布置在基坑以外。7) 为提高可比性，两种方法围护桩均采用了SM