海峽文化藝術(shù)中心歌劇院深基坑綜合施工技術(shù)

汪述文, 陳仕源, 孫孟滋

(中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建福州 350000)

本項(xiàng)目沿江，地下水量豐富，地質(zhì)條件不良，基坑支護(hù)開(kāi)挖施工有較大難度。本文將主要闡述基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工、降水及土方的開(kāi)挖方法，為相關(guān)項(xiàng)目基坑施工作參考。

1 工程概況

海峽文化藝術(shù)中心位于福州市倉(cāng)山區(qū)南臺(tái)島東，位于閩江沿岸。項(xiàng)目由五個(gè)功能性場(chǎng)館：建筑A(多功能戲劇廳)、建筑B(歌劇院)、建筑C(音樂(lè)廳)、建筑D(藝術(shù)博物館)、建筑E(影視中心)所組成，與裙樓建筑F(中央文化大廳)相連接，組成形似福州市花茉莉花的造型，項(xiàng)目設(shè)計(jì)效果如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目建筑設(shè)計(jì)效果

項(xiàng)目占地面積約15.80 hm2。其中單體占地面積最大的建筑建筑B歌劇院位于項(xiàng)目西北端，其地下室占地約1.50×104m2。歌劇院臺(tái)倉(cāng)區(qū)(舞臺(tái)升降區(qū))位于地下室中央，屬坑中坑，如圖2建筑縱向剖面圖所示。其東西向約48 m，南北向約43 m，坑底距結(jié)構(gòu)正負(fù)零標(biāo)高約17.50 m，為深基坑結(jié)構(gòu)。

圖2 歌劇院縱向剖面

2 地質(zhì)水文狀況

場(chǎng)地地下以軟弱土為主，局部為中軟土。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，歌劇院地下各土層的顏色、狀態(tài)及平均厚度，自上而下分別如表1中所示。

場(chǎng)地西北端有梁厝河流過(guò)，北向匯入閩江中。場(chǎng)地地下水位隨江水潮汐變化，最高時(shí)可達(dá)5.800 m。臺(tái)倉(cāng)區(qū)基坑底標(biāo)高-5.90 m，低于地下室為最高值?；娱_(kāi)挖前應(yīng)做好基坑的降排水工作，以免開(kāi)挖時(shí)地下室流入基坑導(dǎo)致施工困難。

表1 歌劇院地下各土層分布

3 工程難點(diǎn)

3.1 施工體量大、工期緊

臺(tái)倉(cāng)區(qū)土方開(kāi)挖總量約24 562 m3，工期要求嚴(yán)格，施工時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加機(jī)械設(shè)備、物資及人力的投入，合理地安排工序，使進(jìn)度目標(biāo)能按時(shí)實(shí)現(xiàn)。

3.2 基坑深度大、暴露久

歌劇院地下室底部標(biāo)高眾多，其中臺(tái)倉(cāng)區(qū)標(biāo)高最低(-5.90 m)。臺(tái)倉(cāng)區(qū)基坑開(kāi)挖深度深，開(kāi)挖時(shí)應(yīng)分層、多段施工，已開(kāi)挖部分土體邊坡暴露時(shí)間長(zhǎng)，存在一定安全隱患。

3.3 氣候條件差

基坑支護(hù)與土方開(kāi)挖施工時(shí)正處福州七八月份，值臺(tái)風(fēng)多發(fā)季，降雨多、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，已開(kāi)挖土體易發(fā)生邊坡失穩(wěn)等情況。施工時(shí)應(yīng)及時(shí)在坑頂截水、疏水，坑底抽排水、降水，預(yù)防有可能出現(xiàn)的安全隱患。

4 施工工藝和方法

4.1 施工工藝

臺(tái)倉(cāng)區(qū)基坑施工工序如下所示：

(1) 1道三軸攪拌樁作為止水帷幕，阻斷地下水入坑；

(2) 1道旋挖灌注咬合樁、1道鋼筋混凝土內(nèi)支撐作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)；

(3) 26口降水井在基坑內(nèi)外降水；

(4) 分層分段、多層多段的方式對(duì)土體進(jìn)行開(kāi)挖。

4.2 施工方法

4.2.1 止水帷幕：三軸水泥攪拌樁

本基坑需止水帷幕阻隔地下水，防止降雨或地下水大量進(jìn)入基坑中?？紤]到工期與施工便利程度等因素，本項(xiàng)目采用如圖3所示三軸攪拌樁作為止水帷幕。樁徑φ650 mm，樁間距450 mm，基坑外獨(dú)立成樁。

圖3 三軸水泥攪拌樁平面布置(單位:mm)

施工時(shí)，先進(jìn)行樁定位。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，用全站儀精確放樣樁中心與樁中心線。隨后三軸攪拌樁機(jī)進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行套打施工。鉆頭下沉至樁底標(biāo)高，下沉?xí)r噴水泥漿進(jìn)行攪拌，提升時(shí)邊攪拌邊噴漿，待鉆頭完全提升后停止噴漿。移位下根樁處進(jìn)行施工。相鄰攪拌樁施工間隙不超過(guò)10 h。

4.2.2 支護(hù)樁：旋挖灌注咬合樁

本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)采用旋挖灌注咬合樁，樁徑φ900 mm，樁間距650 mm，樁長(zhǎng)17.70～19.20 m，由素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相互咬合而成(圖4)。圖中A為素混凝土樁，B為鋼筋混凝土灌注樁。先施工素混凝土A樁，相鄰兩根素混凝土樁初凝后，切割成孔施工鋼筋混凝土B樁。施工順序?yàn)椋篈1→A2→A3→B1→A4→B2。

圖4 旋挖灌注咬合樁平面布置(單位:mm)

施工咬合樁時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，利用全站儀放樣咬合樁中心點(diǎn)與中心線。鉆孔施工前調(diào)平鉆機(jī)，保持樁機(jī)垂直。搭建泥漿庫(kù)，以黃土為主，比重控制在1.10～1.30左右。設(shè)置孔壁鋼護(hù)筒，內(nèi)徑大于樁徑200 mm，高出地面30.00 cm。護(hù)筒中心與樁中心偏差控制在5.00 cm內(nèi)。

旋挖灌注樁機(jī)原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)孔，以鉆斗自重、鉆桿自重及液壓力為鉆進(jìn)動(dòng)力，鉆速先慢后快。不同地質(zhì)條件下采用不同鉆頭。鉆進(jìn)時(shí)觀察鉆孔內(nèi)水位、鉆頭深度及鉆機(jī)負(fù)荷，判斷鉆頭所處地層條件。

鉆至設(shè)計(jì)深度后進(jìn)行驗(yàn)收，合格后下放鋼筋籠。下放時(shí)對(duì)準(zhǔn)孔位輕放、慢放。鋼筋籠外周焊接耳環(huán)，對(duì)鋼筋籠豎向垂直度與混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行控制。

吊放混凝土澆筑導(dǎo)管，在離孔底1.00 m左右時(shí)，接泥漿清孔，確?？椎?00 mm以內(nèi)沉渣相對(duì)密度不大于1.15、泥漿黏度不大于28 s、含砂率不大于8 %。清孔驗(yàn)收合格后灌注混凝土。灌注過(guò)程中確保灌注連續(xù)，確保樁承載力與密實(shí)度。

4.2.3 內(nèi)支撐：冠梁、支撐梁

土方開(kāi)挖至支護(hù)樁樁頂，清除樁頂松軟土、鋼筋上黏土，鑿除多余混凝土，確保樁頂能深入冠梁50 mm，并且冠梁坐落在咬合樁新鮮混凝土面上。為減少冠梁、支撐梁下土層沉降變形，將梁基槽底土方用鐵鍬拍實(shí)平整，澆筑C15混凝土墊層，凝固后鋪設(shè)油毛氈，將墊層與冠梁、支撐梁隔開(kāi)，防止梁底與泥土黏結(jié)。

分兩段綁扎冠梁、支撐梁鋼筋，段與段交接處預(yù)留插筋，鋼筋搭接采用焊接。確保支護(hù)樁頂鋼筋露出長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在墊層上根據(jù)尺寸制作、安裝模板。在冠梁、支撐梁施工區(qū)交接區(qū)留置施工縫。施工縫為企口縫，用鐵絲網(wǎng)圍擋，成型后表面予以鑿毛。澆筑混凝土，用插入式振動(dòng)器振搗，使混凝土表面呈現(xiàn)浮漿，不再下沉。施工效果如圖5所示。

圖5 臺(tái)倉(cāng)區(qū)冠梁、支撐梁模擬

4.2.4 降水井施工

在臺(tái)倉(cāng)區(qū)內(nèi)外布有26口降水井，深度-10.00～-5.00 m不等。井底安置有潛水泵，抽水至基坑頂排水溝中，排向梁厝河，達(dá)到降低臺(tái)倉(cāng)區(qū)地下水位的目的。

施工前精確定位井口位置，埋設(shè)護(hù)口管。安裝鉆機(jī)，穩(wěn)固水平，保持對(duì)中。根據(jù)不同地層條件采用沖擊鉆,螺旋鉆,回轉(zhuǎn)鉆等不同鉆頭，成孔直徑不小于400 mm。鉆至設(shè)計(jì)深度后，宜多鉆0.30～0.50 m。沖孔清除孔內(nèi)雜物，確?？椎壮劣傩∮?00 mm。

下降水井管，上下端設(shè)置直徑小于孔徑50 mm扶正器，保證井管居中。用大泵量水清洗井內(nèi)泥漿，稀釋至比重接近1.05。后投放5 mm粒徑圓礫或角礫至井口。沖填連續(xù)至砂盡水清。下潛水泵，連接鋼絲軟排水管，開(kāi)始抽水。保護(hù)井口，防止雜物掉入井內(nèi)。降水期間每天檢查抽水設(shè)備和運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

4.2.5 土方開(kāi)挖

基坑土方開(kāi)挖考慮時(shí)空效應(yīng)[4]，根據(jù)基坑的特點(diǎn)，依據(jù)對(duì)稱平衡原則分段分層開(kāi)挖。沿規(guī)定次序逐段開(kāi)挖，每段分層分小段開(kāi)挖，減少基坑暴露時(shí)間。先對(duì)稱開(kāi)挖四周，再開(kāi)挖中心，使支護(hù)結(jié)構(gòu)均勻受力。

4.2.5.1 開(kāi)挖步驟

分兩階段開(kāi)挖。第一階段放坡分層開(kāi)挖至冠梁底標(biāo)高，對(duì)邊坡進(jìn)行噴錨支護(hù)。第二階段由冠梁底分層開(kāi)挖至基坑底標(biāo)高，需等冠梁、支撐梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后才可施工。

4.2.5.2 開(kāi)挖方法

開(kāi)挖前，進(jìn)行外環(huán)及土方外運(yùn)道路混凝土硬化工作，砌筑排水明溝，作為掘進(jìn)機(jī)進(jìn)場(chǎng)及土方外運(yùn)道路。采用2 m3斗履帶式反鏟挖掘機(jī)挖土。采用分層、對(duì)稱開(kāi)挖的模式，先開(kāi)挖周邊，再開(kāi)挖中間，每層厚度不超過(guò)2.0 m，嚴(yán)禁局部超挖。

采用側(cè)向挖土法。挖掘機(jī)沿著基坑一側(cè)移動(dòng)，自卸汽車(chē)挖掘機(jī)兩側(cè)裝運(yùn)土?；舆吔遣课?、挖掘機(jī)開(kāi)挖不到處，配合人工清土，人工將松土清理到挖掘機(jī)工作半徑內(nèi)，由挖掘機(jī)清走。

采用坡道退土，坡度約為1∶4.25。土方由四周向退土坡道退挖，挖出來(lái)的土方隨挖隨運(yùn)，不在場(chǎng)地堆積。退土路線如圖6所示。

圖6 臺(tái)倉(cāng)區(qū)退土路線(單位:mm)

挖土?xí)r防止擾動(dòng)基槽土體，不得碰撞支護(hù)樁、冠梁、支撐梁，不得碾壓冠梁、支撐梁。開(kāi)挖至墊層底面，使用人工清底找平，避免超挖或基底土受擾動(dòng)。完成挖土后，退土坡道用長(zhǎng)臂挖機(jī)予以挖除。

4.2.6 支護(hù)系統(tǒng)拆除

臺(tái)倉(cāng)區(qū)地下室外墻施工完成，混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，基坑外側(cè)土方回填至-0.50 m高程時(shí)，可拆除支護(hù)體系。采用機(jī)械破碎法[5]快速拆除，在機(jī)械無(wú)法拆除的區(qū)域采用人工風(fēng)鎬拆除。

拆除內(nèi)支撐時(shí)由基坑南北兩側(cè)向中間拆除。施工時(shí)在支撐梁上鋪設(shè)工字鋼，標(biāo)準(zhǔn)臂鎬頭機(jī)在工字鋼上對(duì)支撐梁拆除作業(yè)，工字鋼由鎬頭機(jī)自行鋪設(shè)?；炷猎叴蜻吳謇?，需與拆除施工保持足夠安全距離。

先拆除連桿，再拆除主撐。角撐由內(nèi)向外機(jī)械拆除，鎬頭機(jī)逐跨后退式清鑿。先剝離混凝土保護(hù)層，切割上層鋼筋，待混凝土大部分脫離支撐后切割下層鋼筋。切割鋼筋用的乙炔、氧氣應(yīng)堆放在穩(wěn)定可靠處，防止墜落。

拆除的混凝土渣應(yīng)靠近支撐空擋處堆放，便于長(zhǎng)臂挖機(jī)在基坑邊上裝車(chē)外運(yùn)。

4.2.7 基坑變形監(jiān)測(cè)

基坑的安全穩(wěn)定，既要關(guān)注側(cè)壁的局部破壞，又要重點(diǎn)防范支撐梁拉壓破壞而導(dǎo)致的支護(hù)結(jié)構(gòu)整體破壞[6]。本工程設(shè)置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖7所示，有：基坑坡頂水平位移監(jiān)測(cè)27個(gè)點(diǎn)；基坑坡頂豎向位移監(jiān)測(cè)27個(gè)點(diǎn)；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)4個(gè)點(diǎn)；支護(hù)樁、冠梁、支撐梁鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)20個(gè)點(diǎn)；地下水位監(jiān)測(cè)13個(gè)點(diǎn)。

圖7 臺(tái)倉(cāng)區(qū)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)

5 實(shí)施效果分析

(1)考慮時(shí)空效應(yīng)，根據(jù)基坑形狀，依據(jù)對(duì)稱平衡原則分塊分層開(kāi)挖后，臺(tái)倉(cāng)區(qū)基底原狀土保護(hù)較好。

(2)監(jiān)控結(jié)果顯示，本工程基坑施工方法得當(dāng)，基坑變形控制在預(yù)警值之內(nèi)，第25次鋼筋應(yīng)力(監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖7)監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 臺(tái)倉(cāng)區(qū)冠梁、支撐梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果 kN

續(xù)表2組號(hào)位置本次應(yīng)力本次變化累計(jì)變化Y20支撐-15.52-0.54-15.02Y13支撐-16.12-1.09-15.61Y14支撐-14.96-1.42-14.42Y17支撐-8.82-0.51-6.56

表2所示施工工況為基坑已開(kāi)挖至基底。由表2可知，該監(jiān)測(cè)項(xiàng)目各項(xiàng)數(shù)據(jù)均未超過(guò)預(yù)警值，滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)本工程基坑內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既節(jié)約工程成本，又節(jié)省工期。水平支撐采用機(jī)械破碎快速拆除法，工期較常規(guī)方法提前約1個(gè)月。