復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下深基坑特殊節(jié)點組合支護施工技術(shù)應(yīng)用

晉 斌 郭彥冬 鄭志超

(山西四建集團有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展,地下空間利用率日漸增高，同時資源、能源及環(huán)境污染問題正成為制約經(jīng)濟增長的主要原因。目前我國現(xiàn)代城市修建的工程，多數(shù)基坑開挖均靠近建筑物紅線施工，周邊臨近建筑物多、地質(zhì)復(fù)雜導(dǎo)致基坑形狀復(fù)雜，基坑圍護結(jié)構(gòu)施工作業(yè)面不足等問題。常用的地下連續(xù)墻或混凝土灌注樁支護+止水帷幕等支護結(jié)構(gòu)占地寬，工程造價較高，對環(huán)境及周邊建(構(gòu))筑物有一定影響，且污染較大。本文提供了不一樣的解題思路和方法，供同行參考。

1 工程概況及特點

1.1 概況及特點

該工程位于山西中醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院內(nèi)，施工場地狹小?；颖迸R紡織街，南面有6 m寬的既有道路，南側(cè)偏西位置開挖后該道路僅剩3 m，外側(cè)為在用的鋼質(zhì)化糞池(深度約4 m，該化糞池頂板局部外露)?；?xùn)|側(cè)的水泵房，是20世紀(jì)80年代老舊磚混建筑，因供應(yīng)整個醫(yī)院的水循環(huán)系統(tǒng)不可拆除，施工中水泵房不可有位移與裂縫，自冠梁頂以下水泵房底部有2.2 m范圍為地下埋置部分。

基坑開挖深度9 m；靠近汾河，地下水位在-2.4 m～-3.2 m。

1.2 技術(shù)難點

1)基底標(biāo)高為-9.27 m，基坑開挖深度達(dá)9 m，屬深基坑施工，加上地下水位高，降水深度較深，周邊環(huán)境復(fù)雜，對變形要求高(要求水泵房及熱力站施工期間還必須保證正常運行，以此保證醫(yī)院的正常運營)。

本著安全、經(jīng)濟可行的原則，針對不同的部位，采取針對性的支護方式，整個基坑支護結(jié)構(gòu)含灌注樁、型鋼水泥土復(fù)合攪拌樁支護、內(nèi)支撐、冠梁等。

2)支護種類多，必要的工藝技術(shù)間隙時間長，需組織較多的機械設(shè)備及作業(yè)人員進行同步作業(yè)，如何避免施工時的相互干擾是本工程又一難點，這就需要對施工現(xiàn)場進行科學(xué)、合理地布置，同時加強施工調(diào)度指揮與協(xié)調(diào)工作。

3)內(nèi)支撐鋼格構(gòu)柱在支護樁中的嵌固應(yīng)滿足垂直度的要求，應(yīng)采取必要的技術(shù)，措施保證鋼立柱各邊與對應(yīng)支撐主軸線嚴(yán)格垂直或平行。

1.3 關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1)止水帷幕應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，不得漏水，以免影響基坑土方開挖和基坑安全。

2)地處醫(yī)療環(huán)境，土方外運白天不能進行，只能在夜間進行；基坑內(nèi)運輸坡道在基坑南側(cè)，南側(cè)坡道區(qū)域及支撐下方的土方開挖及運輸只能采用多級接力挖運方式。

3)土方開挖時對土方作業(yè)人員交底到位，保證機械不碰撞支護結(jié)構(gòu)及工程樁?；A(chǔ)施工階段做好基坑變形監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常立即停止施工，查明原因并采取有效措施后方可繼續(xù)施工。

4)雨季施工時，土方開挖前應(yīng)保證基坑四周排水順暢，開挖后應(yīng)及時掛網(wǎng)噴混凝土，避免雨水沖刷坑壁，造成基坑坍塌。

2 工藝原理

SMW工法是利用專門的多軸攪拌就地鉆進切削土體，同時在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌虾?，在各施工單位之間采取重疊搭接施工，在水泥土混合體未結(jié)硬前再將H型鋼或其他型材插入攪拌樁體內(nèi)，形成具有一定強度和剛度的、連續(xù)完整的、無接縫的地下連續(xù)墻體，該墻體可作為地下開挖基坑的擋土和止水結(jié)構(gòu)。最常用的是三軸型鉆掘攪拌機。其主要特點是構(gòu)造簡單，止水性能好，工期短，造價低，環(huán)境污染小，特別適合城市中的深基坑工程。

工具式預(yù)應(yīng)力組合內(nèi)支撐支護是為了減少圍護壁的側(cè)向變形或防止圍護壁倒塌，在深基坑圍護壁上一定位置(高度)，設(shè)置鋼內(nèi)撐，以提高圍護壁抗主動土壓力的能力。為了減少變形在鋼內(nèi)撐一端施加預(yù)應(yīng)力。其內(nèi)撐體系由預(yù)應(yīng)力活絡(luò)端、格構(gòu)柱、主內(nèi)撐桿(鋼管支撐GZC)、聯(lián)系桿(LXG)、斜聯(lián)系管(XLXG)等桿件組成。受自重和施工荷載的作用，主內(nèi)撐桿同時亦是一個壓彎桿件，為減少主內(nèi)撐桿件的計算長度，提高其安全度，在垂直主內(nèi)撐桿軸線方向，設(shè)置若干個格構(gòu)柱和柱樁，以承擔(dān)主內(nèi)撐桿自重。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境深基坑應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測與BIM技術(shù)相結(jié)合技術(shù)

監(jiān)測點平面位置的關(guān)鍵是放樣點與樁位關(guān)系的坐標(biāo)計算，手工計算麻煩且易出錯，目前大多采用AutoCAD軟件標(biāo)注坐標(biāo)，這就需要對現(xiàn)有的CAD文件進行確認(rèn)，并判斷是利用該文件還是自己繪制。本施工方法是在選定CAD圖后，把CAD平面圖鏈接至Revit軟件，建立三維模型(見圖1)，通過設(shè)置參照平面和參照線，標(biāo)注出需要監(jiān)測埋置點的視圖坐標(biāo)，把視圖坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為測量坐標(biāo)并生成全站儀識別的數(shù)據(jù)文件，通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)饺緝x內(nèi)存卡，放樣時只需調(diào)用即可，既節(jié)省輸入大量數(shù)據(jù)的時間，又減少出錯的概率。

通過使用AutoCAD和Revit軟件，從平面和三維對支護樁受力變形點及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測埋置點進行綜合分析，更直觀地獲取需要埋置點的坐標(biāo)數(shù)據(jù)(如表1所示)。嚴(yán)格控制應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測設(shè)備在支護樁埋置點的深度、平面位置和支撐應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測點位置，以確保于安裝埋設(shè)時位置正確(如圖2所示)。依托BIM技術(shù)提前發(fā)現(xiàn)布設(shè)的應(yīng)力應(yīng)變埋置點是否能有效合理的對深基坑安全進行監(jiān)測，結(jié)合土體模型和參數(shù)已定的情況下利用有限元模擬預(yù)測其變形，避免了因埋置點對基坑起不到有效監(jiān)測作用而進行深層水平位移監(jiān)測施工等情況。既縮短了工期又節(jié)約了成本。

表1 支護樁應(yīng)力應(yīng)變內(nèi)力監(jiān)測日報表

通過應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測與BIM相結(jié)合技術(shù)，有效提高了深基坑工程監(jiān)測精準(zhǔn)度，加快監(jiān)測進度，并能及時體現(xiàn)出在水平位移及豎向位移監(jiān)測中發(fā)生深層支護、支撐的輕微應(yīng)力應(yīng)變，通過監(jiān)測報表繪制位移曲線圖提前發(fā)現(xiàn)問題做出應(yīng)對措施，避免事故發(fā)生。確?；蛹爸苓吔ㄖ⒌厣系叵鹿芫€的安全。

3.2 鋼支撐應(yīng)力緩沖冠梁后換砂軟處理技術(shù)

由于周邊環(huán)境及地質(zhì)復(fù)雜，綜合支護研究過程中充分考慮基坑?xùn)|側(cè)支護冠梁與水泵房距離僅有0.8 m，水泵房為醫(yī)院20世紀(jì)80年代的老舊磚混建筑，目前供應(yīng)整個醫(yī)院的潔凈水，室內(nèi)縱橫管路較多，施工中水泵房不可有位移與裂縫，否則會造成管路損壞，且自冠梁頂以下水泵房底部有2.2 m范圍為地下埋置部分。

如果按原設(shè)計正常施工的話，當(dāng)北側(cè)支護發(fā)生水平位移時傳遞到鋼支撐上，鋼支撐的水平斜向荷載隨即會傳遞到東側(cè)支護冠梁，當(dāng)鋼支撐的水平力大于東側(cè)支護向基坑內(nèi)部的水平力和支護本身的初期抵抗水平力的值時，東側(cè)支護便會向基坑外進行位移將力傳遞到水泵房上，可能致使水泵房位移裂縫或坍塌，使得整個醫(yī)院和學(xué)校潔凈水無法正常供應(yīng)。

為避免老舊水泵房損壞造成醫(yī)院無法正常運行，進行了鋼支撐應(yīng)力緩沖冠梁后換砂軟處理技術(shù)的研究(見圖3)。如果僅僅把這塊挖空而不進行換填的話水泵房結(jié)構(gòu)是沒有影響，但不能滿足支護側(cè)限要求，通過有限元綜合分析，對冠梁外側(cè)與水泵房之間使用粗砂換填，當(dāng)支護向外側(cè)進行水平位移時，粗砂換填作為緩沖，避免支護與水泵房剛性受力破壞水泵房結(jié)構(gòu)。同時也滿足了支護側(cè)限受力(見圖4)。

3.3 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下拐角特殊節(jié)點處理

當(dāng)三軸帷幕順時針作業(yè)到拐角處時由于轉(zhuǎn)角處基坑距離周邊建(構(gòu))筑物過近、三軸機械本身龐大、轉(zhuǎn)角角度等原因，導(dǎo)致基坑拐角處出現(xiàn)三軸水泥土攪拌樁無法正常施工的情況，針對這種情況根據(jù)設(shè)計圖紙要求及現(xiàn)場踏勘確定處理辦法，拐角處提前將三軸機械旋轉(zhuǎn)角度，即原三軸機械車頭朝西提前旋轉(zhuǎn)為車頭朝北，拐角處三軸帷幕施工幅數(shù)增加位置為基坑西側(cè)靠北、基坑內(nèi)壁齊平向西延伸增加作業(yè)范圍。當(dāng)拐角處相鄰基坑外側(cè)有下埋管線或其余影響施工情況時，拐角處三軸帷幕施工幅數(shù)增加位置為向基坑內(nèi)側(cè)增加60 cm向外側(cè)增加60 cm，即三軸水泥土攪拌樁外側(cè)、內(nèi)側(cè)局部突出，與上述做法不同，當(dāng)土方開挖時再將基坑內(nèi)側(cè)三軸增加幅數(shù)位置由人工破鑿?fù)诔?見圖5)。

對因三軸機械在狹小拐角無法施工提出了技術(shù)創(chuàng)新思路，并成功實施。當(dāng)三軸作業(yè)到拐角處時由于轉(zhuǎn)角處基坑距離周邊建(構(gòu))筑物過近、三軸機械本身龐大、轉(zhuǎn)角角度等原因，導(dǎo)致基坑拐角處出現(xiàn)三軸水泥土攪拌樁無法正常施工的情況，針對這種情況利用三軸機械提前轉(zhuǎn)角移位進行咬槎施工，基坑外側(cè)凸出內(nèi)壁齊平，既能保證后續(xù)工序順利施工，又能避免帷幕出現(xiàn)冷縫。

3.4 狹小區(qū)域SMW施工冷縫處理

1)由于周邊環(huán)境及地質(zhì)復(fù)雜，導(dǎo)致基坑呈異形狀，且靠近建筑物地段應(yīng)嚴(yán)格控制攪拌樁施工速率，拐角處機器調(diào)轉(zhuǎn)非常緩慢且太原市常出現(xiàn)重污染天氣橙色預(yù)警要求停工，通常冷縫便產(chǎn)生在了拐角位置，針對這些情況制定了拐角處冷縫補強措施：相鄰樁施工時間不宜超過24 h，如超過24 h應(yīng)放慢攪拌速度。若無法搭接或搭接不良，應(yīng)作為冷縫記錄在案，并經(jīng)設(shè)計、建設(shè)單位認(rèn)可，在搭接處采用高壓旋噴工藝進行加強處理?？拷ㄖ锏囟螒?yīng)嚴(yán)格控制攪拌樁施工速率，控制24 h工作量不多于6幅，每日對周邊建筑進行沉降觀測，確保周邊建筑物安全。

2)施工的關(guān)鍵在于如何保證樁身的強度和均勻性。在施工中應(yīng)加強對水泥用量和水灰比的控制，確保泵送壓力。

4 結(jié)語

采用這種特殊節(jié)點組合支護施工技術(shù)施工時噪聲相對較小，可進行夜間施工不需考慮錨索施工對周邊建筑、地下管線造成沉降、穿裂等影響,多數(shù)構(gòu)件具有可回收再利用的特點，大大降低施工成本，有效提高了基坑工程監(jiān)測精準(zhǔn)度，加快監(jiān)測進度，解決了因深層支護、支撐輕微應(yīng)力應(yīng)變在水平位移及豎向位移監(jiān)測中沒能及時體現(xiàn)出來而導(dǎo)致的基坑事故。應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)，節(jié)約了后期深層水平位移監(jiān)測的施工成本，降低了構(gòu)件安裝的機械及人工成本，避免了由于精度誤差、荷載傳遞時間導(dǎo)致基坑事故發(fā)生。同時通過對復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下拐角特殊節(jié)點處理、狹小區(qū)域SMW施工冷縫處理、鋼支撐應(yīng)力緩沖冠梁后換砂軟處理技術(shù)的研究應(yīng)用，有效提高了工程進度及保證了基坑工程、周邊重要建筑的安全。