城市狹窄空間復雜條件下的深基坑施工技術研究

朱 健

中鐵建工集團有限公司 上海 200331

城市狹窄空間內(nèi)的深基坑工程施工因其特殊的地理位置和復雜的地質條件，無一不面臨著外部交通協(xié)調、周邊建筑變形穩(wěn)定監(jiān)控、內(nèi)部狹窄空間合理布局和整體基坑支護圍護體系方案選擇等眾多難題。因此，如何實現(xiàn)上述問題的統(tǒng)一協(xié)調就顯得尤其重要。

本文通過對新建南昌鐵路調度所基坑工程中所采用的狹窄空間復雜深基坑快速施工技術、BIM基坑工程信息化和超深砂性土層止降水技術等進行的研究總結，在確保復雜深基坑安全的前提下，實現(xiàn)質量、安全、成本、進度的協(xié)調管控，達到高效優(yōu)質施工的目標[1-3]。

基坑北側為南昌局集團公司科技樓、新天地賓館（17層，樁基礎），距基坑圍護結構最近距離4.5 m，基坑邊存在大量鐵路通信、信號電纜以及給排水等管線；基坑南側為6層磚混結構居民住宅樓；東側為老城區(qū)進入南昌火車站主干道的二七南路；西側為4層淺基礎磚混結構幼兒園，距基坑圍護最近處僅為1.7 m，基坑開挖對其變形影響較大，開挖前對其進行了安全評估（圖1）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

1 工程概況

中國鐵路總公司南昌局集團公司新建鐵路調度所工程位于南昌市二七南路南昌局集團公司大院內(nèi)，工程占地面積7 047 m2，地上9層，地下2層（局部3層），總建筑面積28 619.2 m2，基坑工程屬于一級深基坑，開挖深度14.1 m，局部開挖深度16.4 m，基坑面積5 240 m2。

基坑圍護采用外圍三軸攪拌樁止水帷幕止水，內(nèi)側鉆孔灌注圍護樁結合＋2道混凝土內(nèi)支撐方案，止水帷幕采用φ850 mm@600 mm三軸攪拌樁，圍護樁采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁，標高－1.9 m處設1道圍檁，圍檁尺寸1 200 mm×600 mm；標高－9.0 m處設置第2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，第2道混凝土支撐通過1 200 mm×800 mm腰梁與圍護樁連接。

2 關鍵技術

2.1 狹窄空間復雜深基坑快速施工技術

2.1.1 基坑圍護設計優(yōu)化

1）在基坑北側，利用原設計基坑圍護樁、內(nèi)支撐梁以及格構柱，在其之上增加梁板式棧橋，利用棧橋作為基坑施工階段土方開挖收口、結構混凝土澆筑汽車泵?？奎c、材料轉運平臺以及周邊建筑消防通道。

2）將原設計第2道支撐及腰梁整體上調30 cm（調整后支撐梁底標高－9.1 m），使得配套停車庫區(qū)域地下3層頂板施工時，無須拆除第2道支撐，延長第2道支撐作業(yè)時間，減少基坑及周邊建筑變形。

2.1.2 方案優(yōu)化

1）平面布置優(yōu)化。在基坑圍護、土方開挖、內(nèi)支撐施工、結構底板和地下結構施工階段，提前策劃平面布置，實現(xiàn)不同施工階段、不同工況平面布局的無縫銜接，保證現(xiàn)場安全文明施工和實現(xiàn)快速施工。

2）土方開挖優(yōu)化。利用BIM技術對土方開挖流程進行施工模擬，確定土方開挖總體思路：基坑土方開挖采取先表層土開挖→抽槽施工第1道支撐→2層土方開挖（南、北兩側設置2個出土口，出土口處預留土平臺用于渣土車回轉，東西兩側向堆土平臺倒土）→抽槽施工第2道支撐→3層土方開挖（從南側向北側整體倒土）。

3）基礎及地下室結構立體跳倉施工。本工程地下室底板及地下室結構原設計通過沉降后澆帶和溫度后澆帶分為A、B、C、D共4個區(qū)（圖2），4個區(qū)兩兩相連，只能流水施工，施工周期較長，無法達到快速施工的目的，底板長期無法快速封閉，對深基坑變形影響較大。

通過對整體施工區(qū)域分隔優(yōu)化，將原設計溫度后澆帶調整為加強帶，沉降后澆帶拉直，將原設計D區(qū)通過施工縫加強帶分為D、F共2個區(qū)，從而將整個基礎底板分為5個區(qū)（圖3）。根據(jù)本工程關鍵線路安排，配套區(qū)域的2個區(qū)A、B為地下3層，主樓區(qū)域的3個區(qū)C、D、F為地下2層。底板結構施工時先施工B區(qū)，后同時施工A區(qū)、C區(qū)；接著再施工D區(qū)，最后施工F區(qū)。

底板結構施工完成后，根據(jù)工程總體施工部署和施工關鍵線路，需保證主樓區(qū)域盡快出±0 m，故將主樓分為Ⅰ、Ⅱ共2個區(qū)，通過增加施工縫，先施工支撐梁不影響的區(qū)域，再利用拆撐的時間差進行整個地下室結構的立體跳倉施工。

圖2 原設計基礎底板分區(qū)

圖3 調整后基礎底板分區(qū)

2.2 深基坑BIM信息化施工技術

2.2.1 基坑監(jiān)測信息實時查看

傳統(tǒng)基坑監(jiān)測信息需每天由專人收集、整理分析，基坑監(jiān)測是一個動態(tài)的過程，隨著基坑工程的施工，監(jiān)測信息各項數(shù)據(jù)的分析、對比工作日趨繁重。通過BIM信息化技術，將監(jiān)測信息與深基坑模型進行關聯(lián)，在Revit軟件中于圍護樁、支撐梁、坑外土體等構件的對象特性中附加額外基坑監(jiān)測信息，將基坑監(jiān)測信息與基坑BIM模型進行關聯(lián)，實現(xiàn)基坑監(jiān)測與模型工況同步。另外還可實現(xiàn)現(xiàn)場各方對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的共享，實時查看基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，并且方便現(xiàn)場施工人員快速、準確地找出應力、變形速率變化和累計變化最大點。

2.2.2 進度管控

將Project橫道圖導入至Navisworks基坑BIM模型中，實現(xiàn)進度計劃與BIM模型雙向關聯(lián)，生成BIM 4D模型，模型根據(jù)進度計劃自動生成動畫視頻，并高亮顯示關鍵工序、關鍵線路，對進度計劃中邏輯錯誤點可直觀顯示。根據(jù)工程進展，將實際工程進度錄入至模型中進行掛接，利用BIM 4D模型進行計劃時間形象進度與實際形象進度三維可視化對比，模型自動分析各道工序的實際進度偏差值，實現(xiàn)進度偏差可視化分析，預判進度風險。

2.2.3 BIM 5D平臺協(xié)同作業(yè)

在BIM 5D平臺上通過手機APP移動端、電腦客戶端、云端進行基坑工程的質量、安全、材料、資金投入的協(xié)同作業(yè)?，F(xiàn)場管理人員在基坑工程日常施工過程中發(fā)現(xiàn)的質量、安全等問題，采用手機拍照、錄視頻等形式，將發(fā)現(xiàn)的問題錄入手機APP移動端，平臺立即將該問題以手機短信任務的形式推送給責任人，項目管理人員可在任意電腦網(wǎng)頁客戶端進行遠程跟蹤，實現(xiàn)閉環(huán)銷號管理。

同時基于BIM 5D平臺，將深基坑施工階段物資總控計劃量、實際進場量、現(xiàn)場盤點量以及資金計劃與BIM模型進行掛接，根據(jù)現(xiàn)場實際，利用移動端實時錄入現(xiàn)場照片、供需計劃，客戶端同步云端，云端遠程即可查看現(xiàn)場物資使用、資金投入情況，實現(xiàn)企業(yè)后臺管理。

2.3 超深砂性土層止水、降水施工技術

本工程基坑開挖范圍內(nèi)上層滯水，主要賦存于上部雜填土中，粉質黏土為其相對隔水層底板。第四系松散巖類孔隙潛水主要賦存于砂礫層中，穩(wěn)定水位埋深5.90～6.80 m，由于離贛江較近，豐水期地下水主要接受贛江的側向補給，枯水期向贛江排泄，基坑底部為近20 m砂層，含水量豐富。

2.3.1 降水方案

本工程降水方案采取基坑外設止水帷幕＋坑內(nèi)設降水井的方式進行降水。降水井采用深井降水，基坑內(nèi)共布置20口降水井（含4口備用井），坑外設置12口備用降水井，兼作坑外觀測井。

降水井開孔孔徑600 mm，井管采用φ273 mm×3 mm鋼管；濾管為與井管同規(guī)格的橋式濾水管，外包80目錦綸濾網(wǎng)，濾料采用粗中砂回填至初始地下水位附近，其上采用鉆渣或場地土回填固井。

本次采用的橋式濾水管是一種有橋形孔眼的濾水器材，由于橋式濾水管通過橋高來控制進水斷面，管材基本沒有損失，濾水管的強度基本沒有降低，其孔隙率能達到25%以上，回填濾料后，孔隙率只降低5%左右。同時，該管材能有效防止地層中的細顆粒流失，在砂性地層降水中得到廣泛的使用。

2.3.2 降水信息監(jiān)測

本工程基坑降水采用全自動水位監(jiān)測系統(tǒng)對基坑內(nèi)外水位進行監(jiān)控，該系統(tǒng)由微功耗測控終端、監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡、測控設備、計量/測量儀表組成。其主要功能為通過井內(nèi)水位計自動采集降水井內(nèi)水位、累計流量，自動開啟水泵，通過GPRS或短信方式實時上報坑內(nèi)水位，現(xiàn)場施工人員可通過手機APP對坑內(nèi)水位情況進行實時監(jiān)控[4-6]。

2.3.3 降水井封井方案

1）封井時間?？觾?nèi)降水井封井主要分為3個階段：

① 底板施工前，對部分坑內(nèi)降水井（備用井）可以先進行封井，在澆筑底板時直接采用混凝土回填，不穿過底板，剩余降水井應能保證地下水位控制在基坑底板以下。

② 底板完成并達到設計強度后，考慮基坑的抗浮要求，留部分坑內(nèi)降水井抽水，其余坑內(nèi)降水井進行封井。

③ 基坑滿足抗浮要求后，對剩余降水井進行封井。

第2、第3階段封堵的降水井需要穿過底板，在底板施工時，需要考慮井管外底板防水問題，需在井管外焊接止水鋼板。

2）封井工藝。除第1階段封堵的降水井直接采用混凝土回填外，第2、第3階段封堵的降水井需采用注漿工藝封堵，特別是第3階段封井時，需在靜水狀態(tài)下進行，即所有降水井均停止抽水，使井管內(nèi)水位上升至靜止狀態(tài)（圖4）。

圖4 降水井封井示意

3 結語

本工程通過對以上技術的研究與應用，在保證安全、質量的情況下，大大提高了施工工效、節(jié)約施工工期、降低安全風險、減少安全措施費支出，基坑工程節(jié)約工期32 d，節(jié)約成本約300萬元。

另外，本工程深基坑施工中采用的BIM技術應用先后榮獲了第二屆中國建筑業(yè)協(xié)會中國建設工程BIM大賽一等獎、第三屆上海市建筑施工行業(yè)BIM技術應用大賽一等獎。科研小組研制的“鉆孔灌注樁鋼筋籠吊筋”獲得實用新型專利，編寫的“鋼筋混凝土支撐拆除——繩鋸切割施工工法”成為集團級工法，“城市狹窄空間復雜深基坑施工技術研究”科研總結獲集團公司科技進步獎。