周向明

【摘要】本文筆者結(jié)合自己實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)大型深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行了概述，闡述了超大型深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)及施工中的應(yīng)用，并指出在大型深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)及施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題提出相關(guān)建議及解決措施。

【關(guān)鍵詞】超大型整體地下室 中心島順作 周邊逆作 環(huán)板 鋼立柱 降水 邊坡

一 某工程概況

某工程總建筑面積為330 000 m2，由兩層共90 000 m2的整體地下室及其上獨(dú)立的多個(gè)建筑單體構(gòu)成，是集辦公、休閑娛樂(lè)、餐飲、購(gòu)物于一體的現(xiàn)代化特大型商業(yè)建筑群。其地下室東側(cè)距規(guī)劃紅線約11 m：南側(cè)距規(guī)劃紅線約16 m：西側(cè)距規(guī)劃紅線最近處為9 m；北側(cè)距規(guī)劃紅線約13 m。地下一層層高6．0 m，地下二層層高4 m，基坑開(kāi)挖范圍約為286m X 160 m；基礎(chǔ)埋深11 m，局部深坑約12．9 m。

本工程裙房為框架結(jié)構(gòu)．主樓為框剪結(jié)構(gòu)；框架柱距為8 400 mmX8 100 mm；地下室逆作區(qū)頂板300 mm厚，其余頂板250 mm厚；地下室中板為無(wú)梁樓蓋，300 mm厚：裙房地下室底板800 mm厚，主樓地下室底板1 500 mm厚。

本工程基坑土層分布情況自上而下為①層填土1．5 m厚；②1層粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土1．3 m厚；②3-1層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粘土8．05 m厚；②3-2層粉砂夾砂質(zhì)粉土3 m厚：④層淤泥質(zhì)粘土5．75 m厚；⑤層粉質(zhì)粘土6．35 m厚；⑥1層粉質(zhì)粘土3．3 m厚；⑥2層粉質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土2．15 m厚。

二 圍護(hù)設(shè)計(jì)方案選型

本工程基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)是：

(1)基坑面積大，周圍環(huán)境復(fù)雜，地下室距紅線距離較近：

(2)施工工期緊，從樁基工程開(kāi)工至地下室施工完畢僅為12個(gè)月：

(3)地下一層層高達(dá)6．0m,對(duì)設(shè)置支撐和控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形不利。

針對(duì)本工程的實(shí)際情況，結(jié)合大型基坑工程常用的形式，在方案階段，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利和確保工期的原則，對(duì)可能的幾種方案進(jìn)行了比較(表1)。

綜合考慮出土效率、工期以及成本等因素，本工程采用方案三：中心島順作+四周(全)逆作方案。

三 圍護(hù)方案的細(xì)化及基坑開(kāi)挖

3．1地下連續(xù)墻深度、厚度及接頭的確定

通過(guò)對(duì)墻底地基承載力驗(yàn)算、坑底土體抗隆起穩(wěn)定驗(yàn)算及抗?jié)B流驗(yàn)算，最終確定對(duì)應(yīng)不同土方開(kāi)挖深度(11．9 m、12．8 m、12．9 m)的地下連續(xù)墻深度分別為25 m、26 m、28 m。

通過(guò)對(duì)600 mm、800 mm厚的地下連續(xù)墻進(jìn)行內(nèi)力和變形計(jì)算，發(fā)現(xiàn)前者不能滿足構(gòu)造及耐久性要求，而后者能滿足。最終確定地下連續(xù)墻厚為800mm。

綜合考慮成本和施工便利，地下連續(xù)墻接頭采用柔性接頭，不設(shè)扶壁柱，增加相應(yīng)防排水措施。

為防止地下連續(xù)墻可能的滲漏影響結(jié)構(gòu)使用功能，在距地下連續(xù)墻800 mm處設(shè)置一道磚砌隔墻，隔墻與地下連續(xù)墻之間的空隙用作設(shè)備管道和排水通道。

3．2水平傳力體系的復(fù)核

本工程的圍護(hù)水平支撐利用主體結(jié)構(gòu)梁板體系，設(shè)計(jì)中主要對(duì)頂板主梁截面、中樓板截面進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)設(shè)計(jì)復(fù)核，上述結(jié)構(gòu)截面滿足要求，頂、中樓板因局部開(kāi)洞剛度減小進(jìn)行了加強(qiáng)。

局部挖深處(12．9 m)經(jīng)計(jì)算在挖土工況下彎矩和變形較大，按裂縫控制配筋不經(jīng)濟(jì)，因而設(shè)置一道書ф609 mm，壁厚12 mm的鋼管臨時(shí)支撐。

3．3抵抗側(cè)壓力的構(gòu)造措施

為了減小地下連續(xù)墻在施工階段的變形，在被動(dòng)區(qū)以攪拌樁進(jìn)行加固，深度為開(kāi)挖面下4 m，在地下連續(xù)墻與內(nèi)側(cè)攪拌樁之間10 cm的空隙進(jìn)行壓密注漿。

3．4豎向支撐體系的設(shè)計(jì)

豎向支撐體系由鋼立柱與其下的鉆孔灌注樁組成。鋼立柱有鋼管及格構(gòu)柱兩種材料可供選擇，格構(gòu)柱的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)相對(duì)較低，立柱施工時(shí)特別是混凝土澆灌比較方便，而且格構(gòu)柱與梁板節(jié)點(diǎn)處鋼筋施工比較容易，施工速度快，缺點(diǎn)是格構(gòu)柱滿足同樣受力要求截面較大，因而要求柱下樁徑及地下結(jié)構(gòu)柱截面較大，總體上比較不經(jīng)濟(jì)，鋼管立柱的缺點(diǎn)是造價(jià)較格構(gòu)柱高，立柱施工時(shí)鋼管內(nèi)混凝土與柱下鉆孔樁混凝土一次澆灌比較困難，特別是鋼管與梁板節(jié)點(diǎn)處鋼筋施工困難，必須在鋼管上焊接節(jié)點(diǎn)板，優(yōu)點(diǎn)是鋼管及其內(nèi)芯混凝土強(qiáng)度較高，截面較小，受力性能較好，總體上較經(jīng)濟(jì)。因而最終選擇了ф500 mm壁厚分別為12 mm(用于裙房)、14mm(用于高層)的鋼管。設(shè)計(jì)時(shí)考慮鋼立柱施工時(shí)垂直度的偏差，滿足偏心受壓的要求。同時(shí)，由于逆作底板施工之前受柱下單樁承載力的限制，本工程逆作區(qū)底板完成之前，其地上結(jié)構(gòu)不能施工。立柱樁下ф900 mm的鉆孔灌注樁，經(jīng)復(fù)核滿足承載力及鋼立柱施工的要求。

3．5逆作區(qū)與中心島范圍的確定

中心島范圍的確定取決于反壓土邊坡的穩(wěn)定，既要考慮平衡地下連續(xù)墻的土壓力，以保證地下連續(xù)墻的穩(wěn)定，又要使反壓土土體本身的邊坡穩(wěn)定。逆作區(qū)與中心島范圍的大小，對(duì)工程進(jìn)度及成本影響較大，如果逆作區(qū)范圍過(guò)小，則對(duì)邊坡穩(wěn)定不利，反之則增加逆作挖土工程量，影響進(jìn)度，增加成本。因此，綜合考慮逆作區(qū)的范圍由原來(lái)4跨改為3跨，結(jié)合后澆帶的位置，基坑北側(cè)局部逆作范圍仍為4跨。

3．6降水

根據(jù)理論計(jì)算，本工程需布置175口真空深井且土方開(kāi)挖前20 d進(jìn)行預(yù)降水，才能滿足地下水位低于基坑底標(biāo)高'1 m以下的要求，綜合考慮工期、降水效果、成本、地質(zhì)水文條件較復(fù)雜等因素，本工程真空深井?dāng)?shù)量增加到215口，并輔以輕型井點(diǎn)快速疏干淺層水及局部真空深井降水效果不夠理想的區(qū)域的地下水。

3．7逆作區(qū)頂、中板與出土口的設(shè)計(jì)

逆作區(qū)土方的挖運(yùn)、材料的運(yùn)輸均由頂、中板上預(yù)留的洞口作為運(yùn)輸通道，因此出土口的數(shù)量、位置對(duì)逆作工期影響很大，但洞口數(shù)量過(guò)多對(duì)樓板截面削弱較大對(duì)結(jié)構(gòu)及傳力均不利。本工程充分利用原有結(jié)構(gòu)的樓梯口、電梯井、自行車汽車坡道、設(shè)備安裝口等洞口，并適當(dāng)增加了一定的出土口，供計(jì)30個(gè)出土口，以滿足逆作施工的需要。

3．8避免地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)不均勻沉降的措施

逆作法施工時(shí)，由于地下連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)不是整體施工成型，兩者之間存在不均勻沉降，經(jīng)理論計(jì)算，不均勻沉降達(dá)3．46 cm，為避免不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)造成損害，本工程采取了以下措施減弱不利影響：

(1)在每幅地下連續(xù)墻墻底注漿，避免因墻底沉渣太厚使地下連續(xù)墻沉降增大：

(2)結(jié)合地下連續(xù)墻突出上部結(jié)構(gòu)2 m的特點(diǎn)，在近地下連續(xù)墻側(cè)增加結(jié)構(gòu)柱，使上部結(jié)構(gòu)荷載由柱傳遞給柱下樁基承受，避免地下連續(xù)墻因承受上部結(jié)構(gòu)荷載而產(chǎn)生沉降。

3．9邊坡穩(wěn)定措施

逆作區(qū)的頂、中板在與中心島結(jié)構(gòu)對(duì)接之前，梁板抗側(cè)力體系處于單向承受地下連續(xù)墻側(cè)壓力的不利狀態(tài)，因而地下連續(xù)墻的側(cè)壓力主要由逆作區(qū)的邊坡抵抗，同時(shí)邊坡本身也需處于穩(wěn)定狀態(tài)。為此本工程采取了以下措施：

(1)在地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)6．2 m寬度范圍內(nèi)進(jìn)行攪拌樁加固，開(kāi)挖面以下水泥摻量為13％，開(kāi)挖面以上為8％。

(2)逆作區(qū)頂板施工之前，在逆作區(qū)范圍內(nèi)先進(jìn)行一2．8 m以上土方開(kāi)挖，以降低邊坡的總高度。

(3)用多級(jí)邊坡并依據(jù)“上小下大，上陡下緩”的原則控制大、小邊坡的坡率。

(4)在邊坡頂部、邊坡中部平臺(tái)中部、坡腳設(shè)置排水溝，用鋼絲網(wǎng)噴射混凝土面板護(hù)坡等(圖1)。

3．10保證工程樁和立柱穩(wěn)定的措施

在中心島土方開(kāi)挖之前，做好連續(xù)墻周圈頂板作為頂部環(huán)板，使立柱樁和地下連續(xù)墻連成一個(gè)整體，增加圍護(hù)體剛度，以減少圍護(hù)體變形。另外還有保證邊坡穩(wěn)定、做好井點(diǎn)降水等綜合措施。

3．11后澆帶的劃分及處理

由于本工程為整體式特大型地下室，綜合結(jié)構(gòu)施工和中心島與逆作區(qū)劃分需要等因素，本工程將地下室底板及地下各層梁板統(tǒng)一劃分成若干區(qū)域 (見(jiàn)圖2)。

由于本工程柱距較大，考慮后澆帶傳遞水平力的需要及解決后澆帶板跨懸臂問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)施工時(shí)在后澆帶處預(yù)埋H型鋼。

3．12結(jié)構(gòu)施工及土方開(kāi)挖流程

本工程基坑開(kāi)挖范圍大，采用周邊逆作及中心島順作法(逆作及順作分區(qū)見(jiàn)圖3．4)施工，工藝非常復(fù)雜。

為盡量避免挖土作業(yè)及結(jié)構(gòu)施工的不連續(xù)性，減少勞動(dòng)力分布的不均衡性，經(jīng)多次優(yōu)化論證，確定具體的施工流程為：

東西兩側(cè)逆作區(qū)域各從中部C1、C2區(qū)向南北兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)挖(一2．8 m以上)。流水對(duì)稱施工C1、C2、D1-D4、E1~E4區(qū)頂板一C1、C2及Dla、D3a環(huán)板結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行中心島A1、A2區(qū)放坡開(kāi)挖并進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工一A1、A2區(qū)頂板分別與C1、C2環(huán)板連接并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行C1、C2區(qū)一6．0 m以上土方開(kāi)挖并進(jìn)行中板施工(中板指地下二層頂板，以下同)-+A1、A2區(qū)底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70％g／．前，Bla、B2a區(qū)土方開(kāi)挖深度不超過(guò)一8．0 m一中心島土方開(kāi)挖時(shí)B區(qū)坡頂線距離南北側(cè)地下連續(xù)墻50 m前完成D5、D6區(qū)環(huán)板結(jié)構(gòu)施工(南北兩側(cè)各留出一條汽車出土坡道)川1a、B2a區(qū)底板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70％以前。Blb、B2b區(qū)土方開(kāi)挖標(biāo)高不超過(guò)-8．0 m—B1、B2區(qū)頂板分別與對(duì)應(yīng)環(huán)板連接并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后。進(jìn)行DI～D4區(qū)一6．0 m以上土方開(kāi)挖并進(jìn)行中板施工一D5、D6區(qū)-6．0 m以上土方開(kāi)挖并進(jìn)行中板施工一E1~E4區(qū)一6．0 m以上土方開(kāi)挖并進(jìn)行中板施工一上述中板混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，分別進(jìn)行一6．0 m以下各區(qū)土方開(kāi)挖并進(jìn)行底板施工一逆作區(qū)柱、墻、坡道等結(jié)構(gòu)掃尾—+地下室結(jié)構(gòu)施工結(jié)束。

在逆作區(qū)Cl、C2中板施工完成后，逐次進(jìn)行其他逆作區(qū)土方開(kāi)挖。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形在1 mm／d左右，因而一6．0 m以上其他區(qū)域土方開(kāi)挖基本實(shí)現(xiàn)對(duì)稱連續(xù)作業(yè)，結(jié)構(gòu)施工充分利用挖土作業(yè)留出的大量工作面流水施工，大大提高了施工效率。

在地下二層(一6．0 m以下)土方開(kāi)挖過(guò)程中，同樣根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，挖土作業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱、連續(xù)，底板施工緊隨其后，流水作業(yè)。．

中心島A、B區(qū)地下室頂板施工完成后，流水施工地上結(jié)構(gòu)。至逆作區(qū)最后一塊底板完成時(shí)，中心島順作區(qū)完成了約80 000 m2的地上結(jié)構(gòu)施工。

四 施工體會(huì)

4．1逆作區(qū)鋼立柱施工的難度大

(1)首先是1／300H(H為立柱長(zhǎng)度)的垂直度要求施工難度較大。由鋼立柱的垂直度要求相應(yīng)的對(duì)鉆孔灌注樁也應(yīng)達(dá)到1／300H(H為灌注樁深度)的垂直度要求，而規(guī)范對(duì)鉆孔灌注樁的垂直度要求較低(1／IOOH)，因此按常規(guī)工藝難度較大。

(2)鋼管與其下的鉆孔灌注樁須一次性澆注混凝土，鋼管內(nèi)混凝土達(dá)到頂標(biāo)高時(shí)，由于壓力平衡關(guān)系，鋼管外混凝__土上升較高(此部分混凝土在土方開(kāi)挖后還需人工鑿除)，因而鋼管立柱樁混凝土充盈系數(shù)較大。

(3)梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施復(fù)雜，施工速度慢。

因此，在柱截面尺寸允許較大的工程中，建議逆作區(qū)立柱采用格構(gòu)柱，以避免上述B、C兩點(diǎn)之弊端。

4．2地下連續(xù)墻的接縫處理

相鄰地下連續(xù)墻在接縫處出現(xiàn)咬合不嚴(yán)密、多處有滲漏現(xiàn)象。本工程中采取局部堵漏或增加扶壁柱的措施。

建議在地下連續(xù)墻接縫施工質(zhì)量不易保證的情況下，設(shè)置扶壁柱效果較好。

4．3圍護(hù)墻變形的控制

圍護(hù)墻變形稍大，平均變形為5 cm，主要原因：

(1)降水效果不理想，有邊挖土邊應(yīng)急加輕型井點(diǎn)降水現(xiàn)象，造成土體不能提前固結(jié)；

(2)中心島A區(qū)挖土至坑底時(shí)，遭遇臺(tái)風(fēng)“麥莎”，大量雨水浸泡基坑，造成邊坡變形較大；

(3)由于地下連續(xù)墻與攪拌樁之間槽壁塌方，無(wú)法壓密注漿：

(4)在中心島與環(huán)板形成對(duì)接之前，環(huán)板跨度三跨處側(cè)向剛度還顯不足(環(huán)板跨度為四跨處變形較小)。

建議在挖土前，預(yù)降水的時(shí)間必須充足，以保證降水效果，減小邊坡變形；特別是對(duì)變形較敏感的工程，環(huán)板跨度應(yīng)嚴(yán)格控制，以保證足夠的側(cè)向剛度，或者是待基坑長(zhǎng)邊中部適當(dāng)跨度的結(jié)構(gòu)體系形成橫向?qū)魏笤龠M(jìn)行中心區(qū)土方開(kāi)挖，以嚴(yán)格控制基坑變形。

結(jié)束語(yǔ)

總之，本工程的實(shí)踐證明，對(duì)于工期緊，施工場(chǎng)地狹小，基坑面積大、開(kāi)挖較深的整體式地下室，采用地下連續(xù)墻作圍護(hù)墻兼地下室外墻，結(jié)構(gòu)梁板結(jié)構(gòu)作水平支撐體系，結(jié)合中心島順作周邊逆作的施工方法是較安全、經(jīng)濟(jì)、高效的。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。