淺談超大型深基坑圍護設(shè)計及施工

周向明

【摘要】本文筆者結(jié)合自己實際工作經(jīng)驗對大型深基坑圍護設(shè)計及施工進行了概述，闡述了超大型深基坑圍護設(shè)計及施工中的應(yīng)用，并指出在大型深基坑圍護設(shè)計及施工中經(jīng)常出現(xiàn)的問題，針對這些問題提出相關(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立的多個建筑單體構(gòu)成，是集辦公、休閑娛樂、餐飲、購物于一體的現(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 圍護設(shè)計方案選型

本工程基坑設(shè)計的重點和難點是：

(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，從樁基工程開工至地下室施工完畢僅為12個月：

(3)地下一層層高達6．0m,對設(shè)置支撐和控制圍護結(jié)構(gòu)的變形不利。

針對本工程的實際情況，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)濟合理、施工便利和確保工期的原則，對可能的幾種方案進行了比較(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 圍護方案的細化及基坑開挖

3．1地下連續(xù)墻深度、厚度及接頭的確定

通過對墻底地基承載力驗算、坑底土體抗隆起穩(wěn)定驗算及抗?jié)B流驗算，最終確定對應(yīng)不同土方開挖深度(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。

通過對600 mm、800 mm厚的地下連續(xù)墻進行內(nèi)力和變形計算，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

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

局部挖深處(12．9 m)經(jīng)計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，因而設(shè)置一道書ф609 mm，壁厚12 mm的鋼管臨時支撐。

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，在被動區(qū)以攪拌樁進行加固，深度為開挖面下4 m，在地下連續(xù)墻與內(nèi)側(cè)攪拌樁之間10 cm的空隙進行壓密注漿。

3．4豎向支撐體系的設(shè)計

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)點是造價相對較低，立柱施工時特別是混凝土澆灌比較方便，而且格構(gòu)柱與梁板節(jié)點處鋼筋施工比較容易，施工速度快，缺點是格構(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，鋼管立柱的缺點是造價較格構(gòu)柱高，立柱施工時鋼管內(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)點處鋼筋施工困難，必須在鋼管上焊接節(jié)點板，優(yōu)點是鋼管及其內(nèi)芯混凝土強度較高，截面較小，受力性能較好，總體上較經(jīng)濟。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)計時考慮鋼立柱施工時垂直度的偏差，滿足偏心受壓的要求。同時，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，對工程進度及成本影響較大，如果逆作區(qū)范圍過小，則對邊坡穩(wěn)定不利，反之則增加逆作挖土工程量，影響進度，增加成本。因此，綜合考慮逆作區(qū)的范圍由原來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)理論計算，本工程需布置175口真空深井且土方開挖前20 d進行預(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

逆作區(qū)土方的挖運、材料的運輸均由頂、中板上預(yù)留的洞口作為運輸通道，因此出土口的數(shù)量、位置對逆作工期影響很大，但洞口數(shù)量過多對樓板截面削弱較大對結(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30個出土口，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，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)理論計算，不均勻沉降達3．46 cm，為避免不均勻沉降對結(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，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)進行攪拌樁加固，開挖面以下水泥摻量為13％，開挖面以上為8％。

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

(3)用多級邊坡并依據(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、邊坡中部平臺中部、坡腳設(shè)置排水溝，用鋼絲網(wǎng)噴射混凝土面板護坡等(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)墻連成一個整體，增加圍護體剛度，以減少圍護體變形。另外還有保證邊坡穩(wěn)定、做好井點降水等綜合措施。

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題，在結(jié)構(gòu)施工時在后澆帶處預(yù)埋H型鋼。

3．12結(jié)構(gòu)施工及土方開挖流程

本工程基坑開挖范圍大，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)對稱開挖(一2．8 m以上)。流水對稱施工C1、C2、D1-D4、E1~E4區(qū)頂板一C1、C2及Dla、D3a環(huán)板結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度后，進行中心島A1、A2區(qū)放坡開挖并進行結(jié)構(gòu)施工一A1、A2區(qū)頂板分別與C1、C2環(huán)板連接并達到設(shè)計強度后，進行C1、C2區(qū)一6．0 m以上土方開挖并進行中板施工(中板指地下二層頂板，以下同)-+A1、A2區(qū)底板混凝土達到設(shè)計強度70％g／．前，Bla、B2a區(qū)土方開挖深度不超過一8．0 m一中心島土方開挖時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)底板混凝土達到設(shè)計強度70％以前。Blb、B2b區(qū)土方開挖標(biāo)高不超過-8．0 m—B1、B2區(qū)頂板分別與對應(yīng)環(huán)板連接并達到設(shè)計強度后。進行DI～D4區(qū)一6．0 m以上土方開挖并進行中板施工一D5、D6區(qū)-6．0 m以上土方開挖并進行中板施工一E1~E4區(qū)一6．0 m以上土方開挖并進行中板施工一上述中板混凝土強度達到設(shè)計要求后，分別進行一6．0 m以下各區(qū)土方開挖并進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，逐次進行其他逆作區(qū)土方開挖。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，圍護結(jié)構(gòu)變形在1 mm／d左右，因而一6．0 m以上其他區(qū)域土方開挖基本實現(xiàn)對稱連續(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)土方開挖過程中，同樣根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，挖土作業(yè)實現(xiàn)對稱、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，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

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)的對鉆孔灌注樁也應(yīng)達到1／300H(H為灌注樁深度)的垂直度要求，而規(guī)范對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)混凝土達到頂標(biāo)高時，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圍護墻變形的控制

圍護墻變形稍大，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，遭遇臺風(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，無法壓密注漿：

(4)在中心島與環(huán)板形成對接之前，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)降水的時間必須充足，以保證降水效果，減小邊坡變形；特別是對變形較敏感的工程，環(huán)板跨度應(yīng)嚴(yán)格控制，以保證足夠的側(cè)向剛度，或者是待基坑長邊中部適當(dāng)跨度的結(jié)構(gòu)體系形成橫向?qū)魏笤龠M行中心區(qū)土方開挖，以嚴(yán)格控制基坑變形。

結(jié)束語

總之，本工程的實踐證明，對于工期緊，施工場地狹小，基坑面積大、開挖較深的整體式地下室，采用地下連續(xù)墻作圍護墻兼地下室外墻，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、高效的。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。