基于變形控制的超大直徑深基坑雙圓環(huán)支撐和高效開(kāi)挖施工技術(shù)*

上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050

1 工程概況

天津陸家嘴廣場(chǎng)項(xiàng)目總建筑面積約為49 萬(wàn)m2，是一個(gè)集辦公、購(gòu)物娛樂(lè)為一體的超大型城市綜合體。其地下工程體量巨大，為4 層地下室，建筑面積約為17 萬(wàn)m2。整個(gè)基坑近似梯形，面積達(dá)43 800 m2，周長(zhǎng)946 m左右。基坑大面積開(kāi)挖深度18.8 m、21.2 m，局部深坑為25.2 m。基坑支護(hù)形式采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻加4 道雙圓環(huán)鋼筋混凝土桁架水平支撐，其眼鏡形雙圓環(huán)支撐直徑分別為115 m、117 m?；又纹矫媾c剖面見(jiàn)圖1。

2 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)[1-4]

圖1 支撐平面及剖面

（a）基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，保護(hù)要求高。工程位于天津市中心鬧市區(qū)域，四周均有保護(hù)建筑，其北側(cè)分布有清真大寺和惠靈頓國(guó)際學(xué)校，距離基坑最近為23.5 m；南側(cè)北馬路為城市主干道，距離基坑最近為15.7 m，地下管線眾多；東側(cè)為天津市長(zhǎng)征醫(yī)院用房（歷史風(fēng)貌建筑），距離基坑最近為14.3 m；西側(cè)為運(yùn)行中的天津市軌交1號(hào)線西北角站及其區(qū)間隧道，距基坑最近為23.43 m，其中風(fēng)井距離僅為4 m。按地鐵公司要求該側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移報(bào)警值累計(jì)25.0 mm，速率3.0 mm/d。

（b）雙圓環(huán)支撐形式的對(duì)稱均衡挖土難度大，對(duì)基坑開(kāi)挖變形控制要求高。眾所周知，鋼筋混凝土圓環(huán)桁架內(nèi)支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形狀規(guī)整、受力合理、充分利用了混凝土耐壓的材料力學(xué)性質(zhì)；同時(shí)利用了圓環(huán)桁架內(nèi)支撐中間的無(wú)支撐空間，可以為基坑土方大開(kāi)挖創(chuàng)造有利條件。但是，圓環(huán)支撐形式對(duì)開(kāi)挖施工過(guò)程中不均勻受力極為敏感，變形控制難度大，施工過(guò)程中對(duì)支撐體系如何進(jìn)行合理分塊，采取對(duì)稱均衡的開(kāi)挖施工方法，以避免基坑周邊不均勻荷載對(duì)支撐體系的不利影響而造成周邊環(huán)境的過(guò)大變形。

（c）基坑工程量巨大，工期緊。整個(gè)基坑總土方量近80 萬(wàn)m3，平均每道鋼筋混凝土水平支撐土方開(kāi)挖量約為 15 ～17 萬(wàn)m3，每道鋼筋混凝土支撐約1 萬(wàn)m3，底板混凝土約6.3 萬(wàn)m3。除第1道支撐外，業(yè)主要求在5～8月完成第2、3、4道支撐開(kāi)挖與構(gòu)筑，10月底完成整個(gè)底板澆筑工作。加之開(kāi)挖施工期間遇中、高考，東亞運(yùn)動(dòng)會(huì)以及雨季降雨頻繁等無(wú)法避免的客觀因素，使得整個(gè)基坑開(kāi)挖工期較為緊迫，因此，如何在有限時(shí)間內(nèi)采取措施提高基坑開(kāi)挖效率，加快進(jìn)度是一大難題。

（d）施工場(chǎng)地狹小。由于基坑面積大，基本充滿整個(gè)場(chǎng)地，在基坑工程施工階段可供周轉(zhuǎn)使用的場(chǎng)地較為狹小，對(duì)施工場(chǎng)地利用、交通組織造成較大困難。

3 高效開(kāi)挖施工技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 挖土棧道與施工平臺(tái)的設(shè)置

（a）為充分利用本工程基坑大直徑圓環(huán)支撐形式，為快速開(kāi)挖出土創(chuàng)造有利條件，結(jié)合以往天津地區(qū)類似深基坑工程經(jīng)驗(yàn)以及本工程基坑開(kāi)挖面以粉土、粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)較好的情況，可在圓環(huán)支撐內(nèi)設(shè)置挖土棧道，作為坑內(nèi)挖運(yùn)土方的通道，土方車輛可由挖土棧道直接進(jìn)出基坑。在經(jīng)過(guò)充分降水后的開(kāi)挖作業(yè)面跟隨挖機(jī)挖土及時(shí)裝運(yùn)土方，這樣可減少土方二次駁運(yùn)，提高土方挖運(yùn)施工工效。同時(shí)又可利用其作為地下結(jié)構(gòu)施工材料入坑的運(yùn)輸通道或臨時(shí)材料堆場(chǎng)。

因此，本工程基坑在2 個(gè)支撐圓環(huán)內(nèi)分別設(shè)置1 座鋼筋混凝土挖土棧道，每條棧道總長(zhǎng)度約78 m，寬度分別為 12 m、14 m。棧道頂部與北側(cè)坑外施工道路相銜接，設(shè)寬4 m過(guò)渡平臺(tái)后，按照1∶8坡度向坑內(nèi)延伸至底部長(zhǎng)12 m作業(yè)平臺(tái)，為便于基底土方開(kāi)挖，挖土棧道的底部作業(yè)平臺(tái)設(shè)置在－8.00 m（第2道支撐深度位置）。

（b）由于基坑的西、南兩側(cè)圍墻距基坑較近，使得場(chǎng)內(nèi)施工道路難以環(huán)通，對(duì)此，為便于車輛雙向通行時(shí)交會(huì)、倒車與路口轉(zhuǎn)彎，以及盡可能利用支撐位置開(kāi)辟材料堆場(chǎng)的需要，從而在基坑2 個(gè)圓環(huán)之間的桁架對(duì)撐南北兩側(cè)、西北角和東南角支撐上方各設(shè)置1 個(gè)鋼筋混凝土施工平臺(tái)。施工平臺(tái)與四周施工道路接平，以方便車輛進(jìn)入。

挖土棧道與施工平臺(tái)立柱除部分利用原支撐格構(gòu)式鋼立柱外，其余采取新增灌注樁內(nèi)插格構(gòu)式鋼柱形式，板面結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。

挖土棧道與施工平臺(tái)平面布置見(jiàn)圖2，挖土棧道剖面見(jiàn)圖3。

圖2 挖土棧道與施工平臺(tái)平面布置

圖3 挖土棧道剖面示意

3.2 基坑開(kāi)挖施工技術(shù)

（a）根據(jù)雙圓環(huán)支撐形式與特點(diǎn)，整個(gè)基坑土方開(kāi)挖依照“分層、分塊、對(duì)稱、均衡”原則以及先四周后中間的島式開(kāi)挖方式進(jìn)行施工，并確保每層土方開(kāi)挖時(shí)上道環(huán)撐和圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系逐步均勻受力。

（b）按照支撐系統(tǒng)的豎向布置，整個(gè)基坑分5 層進(jìn)行土方開(kāi)挖。除第1層土方開(kāi)挖施工第1道支撐外，其余每層開(kāi)挖均先行開(kāi)挖，支撐下方范圍土方并快速形成相應(yīng)區(qū)域支撐，然后，開(kāi)挖環(huán)內(nèi)中心島區(qū)域土方，包括第5層基底開(kāi)挖，同樣由四周向環(huán)內(nèi)中心島區(qū)域開(kāi)挖，如圖4所示。這樣開(kāi)挖一方面有利于每層開(kāi)挖土方均從大圓環(huán)內(nèi)中心島區(qū)域挖土棧道順利運(yùn)出；另一方面，先開(kāi)挖構(gòu)筑支撐，再開(kāi)挖環(huán)內(nèi)中心島區(qū)域土方，使混凝土支撐養(yǎng)護(hù)盡可能不占工期，并使整個(gè)土方開(kāi)挖可以連續(xù)進(jìn)行[5]。

圖4 基坑島式開(kāi)挖豎向分層示意

（c）對(duì)于每道支撐區(qū)域開(kāi)挖的平面分塊，則按照“先角后邊”，“環(huán)境保護(hù)低的先挖，環(huán)境保護(hù)高的后挖”的施工原則，平面上分成基本對(duì)稱的15 個(gè)小塊，如圖5所示，其開(kāi)挖順序?yàn)椋孩佟凇邸堋荨?。這一過(guò)程著重考慮鄰近軌交1號(hào)線車站的西側(cè)變形控制要求高，從而對(duì)這一側(cè)區(qū)域分4 小塊進(jìn)行開(kāi)挖。

圖5 每道支撐對(duì)稱分塊開(kāi)挖示意

開(kāi)挖過(guò)程中盡可能做到對(duì)稱、均衡，使上道支撐受力均勻[6]。同時(shí)，充分利用時(shí)空效應(yīng)，控制挖土節(jié)奏，后一塊開(kāi)挖必須在前一塊墊層澆筑完畢、支撐梁鋼筋基本完成方可開(kāi)始，而每一塊開(kāi)挖后必須在72 h內(nèi)完成支撐澆筑。

（d）第4道支撐以下基底土方開(kāi)挖則結(jié)合底板分塊，在結(jié)合設(shè)計(jì)后澆帶的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)設(shè)置施工縫的方式分塊開(kāi)挖，分塊形成底板，如圖6所示。這一過(guò)程著重考慮西側(cè)與東側(cè)變形控制要求高的特點(diǎn)，集中資源配置抓緊將東、西兩側(cè)底板分小開(kāi)挖與限時(shí)澆筑完成。整個(gè)底板開(kāi)挖施工流向?yàn)椋夯? 個(gè)角部→基坑?xùn)|、西兩側(cè)→基坑北側(cè)→基坑中部→基坑南側(cè)→環(huán)內(nèi)中心島區(qū)域。

圖6 基底開(kāi)挖分塊與底板澆筑分塊示意

（e）在底板土方開(kāi)挖前，對(duì)圓環(huán)內(nèi)土坡平臺(tái)進(jìn)行修整，在西側(cè)形成一個(gè)順時(shí)針的螺旋坡道，東側(cè)形成一個(gè)逆時(shí)針的螺旋坡道，見(jiàn)圖7。坡道的底標(biāo)高與第4道支撐面平，頂部與棧道末端－8.00 m作業(yè)平臺(tái)接平[7]。底板結(jié)構(gòu)施工隨坡道區(qū)域逐步開(kāi)挖縮小逐步跟進(jìn)。

圖7 基底開(kāi)挖實(shí)景

（f）土方開(kāi)挖始終采用連續(xù)搭接施工。按照施工進(jìn)度，每道支撐開(kāi)挖與澆筑施工需在40 d之內(nèi)（含支撐養(yǎng)護(hù)時(shí)間）完成。由于每道支撐均分塊形成，最后一塊支撐施工時(shí)間與第1塊支撐間隔較長(zhǎng)。在下一層土方開(kāi)挖前，圓環(huán)受力體系尚未完全形成[8]。為加快施工進(jìn)度，在最后一塊混凝土支撐澆筑完畢后達(dá)到一定強(qiáng)度（未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度）時(shí)，即著手開(kāi)挖下一道支撐土方，組織搭接施工主要考慮以下因素，見(jiàn)圖8。

圖8 支撐分塊開(kāi)挖平面示意

首先，⑥區(qū)中心島區(qū)域預(yù)留土方隨下道支撐施工逐步開(kāi)挖卸載，對(duì)環(huán)形支撐受力不會(huì)產(chǎn)生影響；其次，兩圓環(huán)支撐中部的對(duì)撐部位（①塊陰影部位）可以率先開(kāi)挖，由于南北兩側(cè)被動(dòng)土的存在，可以使圓環(huán)基本上不受水平力；再有，整體基坑4 個(gè)角部分布大量角撐（①、②塊陰影部位），先開(kāi)挖該部分土方，大部分水平荷載可以直接傳遞至地下連續(xù)墻上，而對(duì)環(huán)形支撐影響較少。

4 實(shí)施效果

本工程基坑自2013年5月7日開(kāi)挖第2道支撐，至2013年11月1日，基礎(chǔ)大底板全部施工完畢，共計(jì)179工日，全面實(shí)現(xiàn)建設(shè)單位的進(jìn)度目標(biāo)，并且周邊環(huán)境及基坑本身變形均處于安全受控狀態(tài)。此外，本工程深基坑施工階段還獲得“天津市建設(shè)工程質(zhì)量安全文明施工觀摩工程”。

5 結(jié)語(yǔ)

天津陸家嘴廣場(chǎng)工程作為典型軟土區(qū)域大面積超深基坑工程，采用“兩墻合一”的地下連續(xù)墻圍護(hù)以及眼鏡形超大直徑雙圓環(huán)支撐體系，通過(guò)工況分析，在施工組織上采取無(wú)間歇連續(xù)開(kāi)挖的有效措施，大大加快土方開(kāi)挖速度，促進(jìn)了整個(gè)基坑工程的高效進(jìn)程。