鐵路數(shù)據(jù)中心建筑基坑支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)及監(jiān)測分析

呂彥朋，朱宏光，張新岡，劉智軍

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部,北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵科院(北京)工程咨詢有限公司,北京 100081)

1 工程概況

中國鐵路總公司鐵路數(shù)據(jù)中心位于天津市武清區(qū)高村科技創(chuàng)新園區(qū)，匯濱道南側(cè)、匯海路北側(cè)、海逸路東側(cè)之間的地塊。本文以數(shù)據(jù)中心廠房一中間部位的基坑為例，探索基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實施方案的可行性。該基坑尺寸為103.6 m(長)×23.2 m(寬)×7.6 m(深)。

該數(shù)據(jù)中心的場地的淺層地下水主要是潛水和承壓水，基坑底部位于全新統(tǒng)上組湖沼相沉積層粉質(zhì)黏土層及黏土層，樁底插入全新統(tǒng)下組陸相沖積層粉質(zhì)黏土層及粉土層。地下水位埋深2～4 m，承壓水主要分布于上更新統(tǒng)二組海相沉積層粉土層中，距離基坑底部較深。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的地層分布和地下水條件，本著“經(jīng)濟(jì)、適用、安全”的原則[1]，經(jīng)過多個設(shè)計方案比較，本工程采用的基坑支護(hù)設(shè)計方案是沿基坑四周設(shè)三軸水泥土攪拌樁做止水帷幕，再沿著基坑四周三軸水泥攪拌樁內(nèi)側(cè)設(shè)鉆孔灌注樁，基坑開挖過程中再加設(shè)1道鋼支撐體系形成基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。

圖1 基坑支護(hù)方案及監(jiān)測點布設(shè)平面示意

根據(jù)基坑的受力特點及開挖過程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表和水位的變化規(guī)律[2-3]，布設(shè)監(jiān)測點(參見圖1)。

2 基坑支護(hù)系統(tǒng)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三軸水泥土攪拌樁施工工藝

三軸水泥土攪拌樁施工采用SMW(Soil Mixing Wall,水泥土攪拌樁)工法[4]。該工程基坑支護(hù)采用樁徑為650 mm，間距為450 mm，搭接長度200 mm，有效樁長10.1 m的水泥土攪拌樁作為止水帷幕。為了保證三軸水泥攪拌樁的質(zhì)量，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中起到良好的止水效果，在制樁過程中其鉆進(jìn)速度為0.3～1.0 m/min，提升速度為0.3～1.0 m/min，應(yīng)嚴(yán)格遵守其施工工藝：平整場地→樁位放樣→攪拌樁機就位→預(yù)攪下沉→噴漿、攪拌、提升→重復(fù)攪拌、噴漿、下沉、提升→清洗管道及攪拌樁頭→移位，下根樁施工。

2.2 三軸水泥土攪拌樁施工質(zhì)量控制

施工時，要嚴(yán)格按照業(yè)主提供的坐標(biāo)基準(zhǔn)點和設(shè)計圖紙對樁位進(jìn)行測量放樣，保證樁位復(fù)核后偏差值不小于2 cm。對地下1.5 m以下的障礙物進(jìn)行排查。制備水泥漿液時必須充分地攪拌，水灰比應(yīng)控制在1.5左右，嚴(yán)格控制每立方米水泥土中水泥的含量，保證水泥漿液送樣復(fù)試合格后方可使用。

樁機應(yīng)平穩(wěn)、平整，必須用線錘對鉆桿進(jìn)行垂直定位觀測，確保鉆桿垂直度偏差≤1%，在開始進(jìn)行攪拌樁施工前，必須保證注漿壓力達(dá)到0.3～0.8 MPa后，方可進(jìn)行鉆進(jìn)、噴漿等操作。

在成樁過程中，若因配漿量不足，為保證樁滿足設(shè)計要求，應(yīng)按原設(shè)計配漿量重新噴漿，若是因停電或者樁機故障等造成噴漿中斷，應(yīng)盡快記錄已完成的噴漿深度，并在規(guī)定時間內(nèi)對樁進(jìn)行補噴處理，同時應(yīng)將樁的位置及補噴情況記錄在冊。如果超過規(guī)定時間還未對樁進(jìn)行補噴處理應(yīng)重新制樁。

在攪拌樁施工過程中要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，鉆進(jìn)過程中如碰到地下障礙物要減小鉆進(jìn)速度，防止對鉆頭葉片造成損壞，另外應(yīng)經(jīng)常對鉆頭葉片進(jìn)行檢查，當(dāng)葉片直徑小于樁的直徑650 mm時，應(yīng)對其進(jìn)行更換。

為確保工程質(zhì)量，應(yīng)指派專人對水泥攪拌樁的施工過程進(jìn)行旁站，并將現(xiàn)場相關(guān)技術(shù)員、鉆機長、現(xiàn)場負(fù)責(zé)人、水泥攪拌樁樁長、樁距等制成標(biāo)牌懸掛于鉆機明顯位置，確保人員到位，責(zé)任到人。

2.3 鉆孔灌注樁施工的質(zhì)量控制難點

本工程基坑采用樁徑800 mm，樁間距 1 200 mm，有效樁長11.5 m，樁頂標(biāo)高-3.6 m 的鉆孔灌注樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。鉆孔灌注樁施工時采用泥漿護(hù)壁成孔、正循環(huán)法清孔施工工藝。其施工的難點主要是對泥漿相對密度和沉渣量的控制。

1)泥漿配制。根據(jù)場地地層巖性以及地下水分析結(jié)果，該場地砂層平均厚度為9.2 m，受地下水影響，容易導(dǎo)致孔內(nèi)坍塌，或者在成孔過程中出現(xiàn)超徑的現(xiàn)象，因此泥漿配合比[5]是本工程鉆孔灌注樁施工控制的難點之一。針對此問題，根據(jù)地質(zhì)情況擬定了3種方案：①因地制宜現(xiàn)場設(shè)置泥漿池，采用當(dāng)?shù)胤圪|(zhì)高塑性黏土配制泥漿；②采用人工納土泡沫造漿；③采用化學(xué)用劑配制泥漿。經(jīng)過多次試成孔，最終確定了“經(jīng)濟(jì)、安全”成孔效果較好的方案①。泥漿相對密度為1.05～1.10；泥漿黏度為18～20 s；含砂率≤2%。

2)沉渣量控制。孔底沉渣厚度直接影響鉆孔灌注樁施工質(zhì)量和樁的承載力，為使沉渣量滿足設(shè)計規(guī)范的要求，本工程采用的方案是：①調(diào)整泥漿參數(shù)，就地取材，采用當(dāng)?shù)馗咚苄责ね?，適當(dāng)?shù)靥岣吣酀{相對密度，增加泥漿的黏度。②對回收的泥漿通過除砂器來降低其含砂率，泥漿含砂率達(dá)到2%以下后，再向鉆孔中泵入。③鋼筋籠和導(dǎo)管就位后，沉渣厚度如果仍不符合設(shè)計規(guī)范，可采用氣舉反循環(huán)[6]處理方法進(jìn)行清孔，將孔底的沉渣抽出，同時應(yīng)保證孔內(nèi)泥漿上下均勻，降低混凝土灌注難度。④二次清孔采用無間斷清孔技術(shù)，即初灌混凝土?xí)r先在漏斗中灌入足夠量的混凝土，使混凝土能夠在停止清孔的幾秒內(nèi)隨著隔水栓快速沖出導(dǎo)管下部，通過導(dǎo)管內(nèi)的液體壓力對孔底殘余沉渣產(chǎn)生強力沖擊，以達(dá)到清除孔底殘渣的目的。

2.4 鋼支撐體系架設(shè)安裝工藝及技術(shù)要求

本工程基坑支護(hù)體系采用φ609(壁厚12 mm)的鋼管撐，鋼支撐軸線標(biāo)高為-3.200 m。架設(shè) 800 mm×800 mm冠梁，冠梁頂部標(biāo)高-2.800 m，混凝土強度等級C30。在基坑施工過程中，極其重要的工序就是鋼支撐的架設(shè)及基坑土方開挖，兩者在施工過程中相輔相成。在鋼支撐架設(shè)過程中應(yīng)特別注意鋼支撐架設(shè)的時間、架設(shè)的位置、施加的預(yù)應(yīng)力等，這些均是基坑架設(shè)鋼支撐過程中的關(guān)鍵因素，因此在施工過程中必須嚴(yán)格按照鋼支撐架設(shè)流程以及技術(shù)要求進(jìn)行操作[7]。

2.4.1 鋼支撐架設(shè)流程

將基坑開挖至冠梁50 mm處時進(jìn)行測量放樣，定位出支撐梁的中心位置，在該位置將托板與冠梁內(nèi)的預(yù)埋件焊接。第1層土方開挖完成后，開始對第1道鋼支撐進(jìn)行吊裝工作，施工時采用1臺90 t的汽車吊或履帶吊在基坑一側(cè)架設(shè)，吊起時兩端輕放在托板上，固定端與冠梁預(yù)埋件焊接，活動端微調(diào)采用千斤頂對鋼支撐施加預(yù)應(yīng)力，直到壓力穩(wěn)定后再塞入特制的鋼楔。鋼支撐的架設(shè)工藝流程如圖2所示。

圖2 鋼支撐的架設(shè)工藝流程

2.4.2 鋼支撐防脫落措施

采用同層相鄰的鋼支撐活動端交錯設(shè)置的方式，不僅讓相對薄弱的活動端平均分配到基坑兩側(cè)，同時將鋼支撐自身重量平均分配到基坑兩側(cè)。鋼支撐掛板采用“下托上掛”的設(shè)計，使用保護(hù)性鋼絲繩將鋼支撐兩端與鋼圍檁(冠梁)相連接，即使出現(xiàn)鋼支撐脫落的情況，也會及時被保護(hù)性鋼絲繩拉住，使下方施工人員有足夠的時間撤離，并及時對支撐體系采取補救措施，為施工安全筑起一道安全屏障。

2.4.3 鋼支撐安裝的技術(shù)要求

要嚴(yán)格控制第1道鋼支撐的架設(shè)時間，不能拖延，防止基坑頂部因無支撐時間過久出現(xiàn)不可控制的變形。鋼支撐施工要緊隨挖土作業(yè)，鋼支撐未安裝時應(yīng)嚴(yán)格控制挖土?xí)r間，不能出現(xiàn)有延誤的情況。土方開挖過程中必須遵守分層開挖、先支撐后開挖的原則。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)不平整的地方進(jìn)行修平處理，保證鋼支撐端面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面垂直和平整。鋼支撐安裝后應(yīng)派專人實時觀測，如發(fā)現(xiàn)支撐出現(xiàn)拱起或彎沉現(xiàn)象，要及時對支撐進(jìn)行卸壓操作。要經(jīng)常檢查油壓千斤頂?shù)挠捅醚b置，保證對鋼支撐施加的應(yīng)力穩(wěn)定。在鎖定支撐軸力后會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失較大，因此，應(yīng)注意觀察預(yù)應(yīng)力損失情況，設(shè)計單位、施工單位以及監(jiān)測單位應(yīng)做好預(yù)應(yīng)力復(fù)加準(zhǔn)備。下道支撐架設(shè)完成后會造成上一道支撐的應(yīng)力下降，因此，要根據(jù)實時監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對支撐施加軸力。

3 基坑觀察與監(jiān)測

3.1 基坑監(jiān)測項目

由于基坑深度深、體積大，為了確保施工以及周邊安全，組織了第三方監(jiān)測單位對基坑實施監(jiān)測。本工程對基坑監(jiān)測的內(nèi)容主要包括：基坑頂部水平位移和豎向位移監(jiān)測、圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜、支撐軸力監(jiān)測、周邊地表沉降監(jiān)測以及地下水位的監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑監(jiān)測從2018年4月26日到2018年7月31日共進(jìn)行58期的現(xiàn)場原位監(jiān)測，通過對實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析研究，準(zhǔn)確地掌握了基坑的變形規(guī)律[3]，以保證施工過程中基坑安全。

1)基坑頂部水平位移

本工程總共布置了12個水平位移監(jiān)測點，分別設(shè)置在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位，在基坑四周選取了WY4,WY8,WY12,WY16監(jiān)測點進(jìn)行分析，水平位移變化曲線見圖3。

圖3 基坑頂部水平位移變化曲線(2018年)

從圖3可知：隨著基坑開挖的逐漸加深，各監(jiān)測點的頂部水平位移均呈逐漸增大的趨勢。其中，WY16監(jiān)測點水平位移較其他監(jiān)測點大，原因是基坑開挖先從WY16監(jiān)測點一側(cè)開始，且WY16監(jiān)測點距離集水井較近，周圍土體受到的影響較大。但是在基坑開挖完成后，各監(jiān)測點水平位移逐漸穩(wěn)定，最大水平位移為13.5 mm。

2)基坑頂部豎向位移

頂部豎向位移監(jiān)測點布設(shè)的位置與水平位移一致，因此對WY4,WY8,WY12,WY16監(jiān)測點進(jìn)行沉降分析，沉降變化曲線見圖4。由圖3、圖4綜合分析，基坑頂部的豎向位移與水平位移的曲線變化趨勢基本保持一致，均呈逐漸增大的變化趨勢，基坑頂部水平位移最大處，其沉降也最大，沉降為7.7 mm。

圖4 基坑頂部豎向位移變化曲線(2018年)

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體水平位移

圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜是考察基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)深層土體水平位移的重要手段[8]。在基坑周邊的中部、陽角處及有代表性的部位分別布置了6個圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜監(jiān)測管，由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部土體水平位移相似，因此，僅對CX6測斜監(jiān)測管監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖5。

圖5 CX6水平位移變化曲線(2018年)

由于基坑兩側(cè)地上建筑物與基坑同步施工，再加上隨著基坑開挖深度的增加，基坑土體和兩側(cè)建筑物的作用力也逐漸下移。由圖5可知，2018年5月6日位移曲線首次出現(xiàn)向基坑內(nèi)凸的變形趨勢，最大水平位移3.65 mm。地下結(jié)構(gòu)完成后，與周圍支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個箱形結(jié)構(gòu)，基坑穩(wěn)定性大大提高，2018年5月16日之后圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移無變化，測斜保持穩(wěn)定，最大水平位移10.36 mm。

4)周邊地表豎向位移

由于基坑兩側(cè)有同步施工的建筑物，為保證施工安全，在基坑周圍地表布置了40個沉降監(jiān)測點，從基坑四周地表選取了CJ1,CJ2,CJ3,CJ4,CJ6,CJ8監(jiān)測點進(jìn)行分析。各監(jiān)測點豎向位移變化曲線見圖6?？芍?，基坑周邊地表最大沉降約為4.8 mm。

圖6 周邊地表豎向位移變化曲線(2018年)

5)支撐軸力監(jiān)測

根據(jù)設(shè)計提供的計算圖，在受力最大及受力復(fù)雜的位置埋設(shè)鋼筋計[9]，在鋼支撐體系中布設(shè)5個應(yīng)力計。各監(jiān)測點的應(yīng)力增量及應(yīng)力變化曲線見圖7?？芍鞅O(jiān)測點的應(yīng)力增量逐漸趨于0，應(yīng)力變化逐漸趨于平穩(wěn)。

圖7 各監(jiān)測點的應(yīng)力增量及應(yīng)力變化曲線(2018年)

由圖7可知:鋼支撐的軸力在2018年6月7日已基本保持穩(wěn)定，且各監(jiān)測點的應(yīng)力值均在25 kN以下。作為國家重點工程項目，該工程的基坑設(shè)計方案相對保守，鋼支撐對圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)起到了加固作用，最大程度上保障了工程的安全。

6)地下水位

根據(jù)基坑周圍的水文地質(zhì)條件，將降水井作為地下水位監(jiān)測點。對SW1,SW2,SW3,SW4監(jiān)測點進(jìn)行分析，結(jié)果見圖8?？芍叵滤蛔畲笞兓繛?10.60 m。

由圖8可知：隨著基坑開挖深度的增加以及基坑降水方案的實施，各監(jiān)測點的整體水位呈下降的趨勢，最終趨于平穩(wěn)的地下水位狀態(tài)，表明止水帷幕和基坑內(nèi)降水措施起到了很好的止水、降水作用。

圖8 地下水位變化曲線(2018年)

4 結(jié)論與建議

通過對該工程基坑支護(hù)及監(jiān)測的結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

1)鐵路數(shù)據(jù)中心建筑基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計較為保守，各檢測項目的受力—變形均比較穩(wěn)定。

2)基坑位于所處建筑物中部，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平及豎向位移沒有明顯變化，南北兩側(cè)在建的建筑物最終沉降穩(wěn)定。

3)圍護(hù)樁深部土體的水平位移變化趨勢較平穩(wěn)，基坑坑底土體也未有明顯的變化。

4)通過對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實時監(jiān)測結(jié)果分析得出，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在整個施工過程中一直保持著安全狀態(tài)，各項變形指標(biāo)均趨于穩(wěn)定，達(dá)到了“經(jīng)濟(jì)、適用、安全”的基坑支護(hù)目標(biāo)。

5)通過對鐵路數(shù)據(jù)中心建筑基坑支護(hù)的設(shè)計及施工的分析，為工程所在地另一數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供參考。