場地及空域受限的深基坑施工技術(shù)研究

褚人猛

(中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司 北京 101300)

1 引言

在深基坑工程的實踐中，對于基坑變形控制多數(shù)以施工過程監(jiān)測[1]及圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計[2－3]自身為主要手段，除了個別工程采用分期開挖[4]控制基坑變形外，以開挖工藝控制基坑變形的工程少之又少。李清、姚志安[5－6]等人通過對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究，論證了以砼支撐與鋼支撐相結(jié)合的益處；南學(xué)飛等[7]研究了深基坑結(jié)構(gòu)合理分塊對周邊建筑物的影響；喻衛(wèi)華、張具壽[8－9]等人提出了不良土質(zhì)條件下，設(shè)計需加強的理論；石懷遠(yuǎn)、趙祥允[10－11]等人提出了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與開挖方法相適應(yīng)的深基坑施工技術(shù)；卞少帥等[12]對大跨度基坑結(jié)構(gòu)施工滿堂架進(jìn)行了研究分析，提出了滿堂架代替換撐的理論。

本文以穗莞深城際軌道深圳機場站為依托，闡述了在場地及空域受限、周邊建筑物環(huán)境保護(hù)要求高、地質(zhì)條件差等諸多不利條件下的深基坑施工技術(shù)，為今后類似工程提供參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程概況

穗莞深城際軌道交通線是經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)的珠江三角城際軌道交通網(wǎng)主軸線之一，也是廣東省首個由省主導(dǎo)的城際軌道交通建設(shè)項目，全長86.62 km，總投資196.9億元。全程運行時間60 min，速度目標(biāo)值為140 km/h。深圳機場站位于深圳市寶安機場T3航站樓西側(cè)，領(lǐng)航五路及領(lǐng)航四路人行道下，車站東側(cè)為T3航站樓高架橋，西側(cè)為機場駐場單位、辦公區(qū)、能源中心等，工程總體平面布置如圖1所示。

圖1 車站總體平面布置

車站基坑長約912 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為23.34 m，有效站臺中心里程處基坑深度為19.9 m；南端頭井基坑寬度為30.16 m，深度為23.34 m；北端頭井基坑寬度為30.16 m，深度為22.75 m，基坑安全等級為一級。車站為地下雙層島式車站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，采用明挖順作法，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻＋內(nèi)支撐的支護(hù)方式。該基坑單側(cè)近接超大荷載單體，工程明挖段存在4組蓄冷罐，每組總重為14 500 t，距離地連墻最近處僅2 m，附近車流量較大，沿著主干道兩側(cè)布置有大量的地下電纜、管線等設(shè)施。

工程區(qū)域主要為濱海堆積平原地貌，后成為深圳寶安機場擴建區(qū)，現(xiàn)場址為機場出場路。本場地地表普遍分布人工填土，其構(gòu)成主要有淤泥質(zhì)黏土、砂性土以及碎石塊等三種成分，其土層含水量普遍偏大、結(jié)構(gòu)松散，為不良質(zhì)土。

2.2 重難點分析

(1)待建工程正上方空域為深圳寶安機場起飛或降落航線，工程建設(shè)過程中其上方空間有限高要求，工程施工所需起重和吊裝設(shè)備高度限制非常嚴(yán)格，特別是地連墻鋼筋籠吊裝高度高達(dá)50 m，在此空域絕對不允許。

(2)項目周圍建筑物密集，單側(cè)近接荷載超大且變形敏感的建筑物，對項目施工安全影響大，傳統(tǒng)的深基坑分層開挖難以保證施工安全。

(3)基坑處在敏感建筑物和機場主干道領(lǐng)航四路之間，使得基坑上部施工空間狹窄。

3 場地及空域受限深基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 地連墻鋼筋籠分段連接技術(shù)

鑒于圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻鋼筋籠高度高，且受各種空間因素制約(如機場機械設(shè)備限高)，所以地連墻鋼筋籠安裝時常會采用分節(jié)吊裝，接頭采用機械連接的工藝措施。但是由于地連墻鋼筋籠長度(50～60 m)、寬度(4～6 m)、厚度(1～1.2 m)較大且自重大，在鋼筋籠分節(jié)起吊及運輸過程中容易產(chǎn)生變形，給鋼筋籠對接帶來很大的困難。若對接頭未完全連接密實，套筒與鋼筋絲頭擰入長度不夠，鋼筋連接段露絲過多，形成受力薄弱段給后期開挖施工帶來較大的質(zhì)量安全隱患；對接過程費時費力，耽誤混凝土灌注時間，時常有因為接頭對接時間過長，地連墻成槽孔壁不穩(wěn)定而導(dǎo)致的塌孔現(xiàn)象出現(xiàn)，影響正常施工進(jìn)度及質(zhì)量。為了克服上述不足，實現(xiàn)地連墻鋼筋籠分段連接，本工程研發(fā)了“一種鋼筋機械連接可調(diào)節(jié)型直螺紋套筒”，獲得了實用新型專利。

使用該套筒解決地連墻鋼筋籠分段連接技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為:鋼筋籠制作時，對接部位預(yù)留(L＋NL)間隙，此間隙滿足規(guī)范要求不大于1/2套筒長度；在此套筒投入使用前要做相關(guān)的拉伸及抗彎強度等檢測，強度滿足規(guī)范要求后方可投入使用；鋼筋接頭套絲長度為L/2，并且套絲方向和可調(diào)節(jié)型套筒套絲方向一致?，F(xiàn)場具體實施方式為:首節(jié)鋼筋籠安裝入槽后，可調(diào)節(jié)型短套筒端絲頭與對接鋼筋頭貼合密實后，將短套筒和對接鋼筋絲頭擰緊，第二節(jié)鋼筋籠起吊就位后，將長套筒和對接鋼筋絲頭擰到位，擰緊，裝置原理如圖2所示。

圖2 鋼筋套筒裝置原理

圖2中所示裝置由三部分組成:下部待對接鋼筋籠接頭、可調(diào)節(jié)直螺紋套筒、上部待對接鋼筋接頭。地連墻鋼筋籠吊運，采用160 t履帶吊作為鋼筋籠起吊主吊機，70 t履帶吊配合起吊，鋼扁擔(dān)采用45號鋼板加工制作而成，現(xiàn)場鋼筋籠吊裝如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場鋼筋籠吊裝

3.2 深基坑“上翻下穿”開挖新工藝

鑒于基坑周邊結(jié)構(gòu)物、建筑物密布，無法停放和行走機械設(shè)備，首次提出了地下空間明挖施工“上翻下穿”工藝，即土方分層上翻開挖，渣土車駛?cè)牖觾?nèi)部裝土，下穿修筑好第一道支撐，外運出土(見表1、圖4)。此工藝開挖機械作業(yè)全部在基坑內(nèi)部完成，減少了大型機械作業(yè)對基坑頂部產(chǎn)生的荷載，開挖過程中充分利用未開挖部分土體的抵抗能力，有效控制基坑內(nèi)部土體位移，達(dá)到減緩基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、保護(hù)周邊建筑物的目的。一般可根據(jù)現(xiàn)場條件、基坑平面形狀、支撐平面布置、支護(hù)形式和施工進(jìn)度等情況，按照對稱、平衡、限時的原則，確定土方開挖方法和順序。

表1 地下空間明挖施工“上翻下穿”工藝流程

圖4 “上翻下穿”施工現(xiàn)場

3.3 “龍門吊＋研發(fā)的可移動式物料平臺”技術(shù)

由于基坑地下空間大，地下結(jié)構(gòu)混凝土方量多，施工需要的基坑兩側(cè)地面空間常規(guī)施工須停放大型吊車設(shè)備、砼泵車等大型機械，但實際場地不能滿足施工要求。鑒于此，利用龍門吊與研發(fā)的移動式物料平臺組成的地下車站狹窄空間移動式物料系統(tǒng)，解決了狹窄場地條件下地下大空間結(jié)構(gòu)施工問題。

3.3.1 工藝原理

采用移動式龍門吊的垂直運輸和移動式物料平臺的水平運輸組合，解決了明挖基坑地面場地狹窄地下大型空間的結(jié)構(gòu)施工中大型吊裝機械設(shè)備沒有站位的施工難題，具體操作如下:

(1)移動物料平臺布設(shè)基坑正上方的龍門吊軌道內(nèi)側(cè)。

(2)采用龍門吊進(jìn)行垂直運輸，吊裝平穩(wěn)可靠。移動式龍門吊走行方便，不占用基坑兩側(cè)周邊空間。

(3)根據(jù)施工特征和使用條件研發(fā)移動式物料平臺，地下結(jié)構(gòu)施工所需的材料可通過物料平臺水平運輸?shù)交由戏街付ǖ奈恢?。物料運輸平臺上設(shè)置布料桿，用以砼澆筑時布料，能全覆蓋整個基坑。

(4)移動式龍門吊與移動式物料平臺的組合，確保整個基坑上方和基坑下方大空間的吊裝全覆蓋，解決了地下結(jié)構(gòu)施工的材料垂直和水平運輸問題，克服了基坑周邊場地狹窄無法站位大型設(shè)備的難題，尤其是實現(xiàn)了地下大空間內(nèi)高大模板的安拆及移動問題(見圖5)。高大模板可快捷、準(zhǔn)確、安全地移動到預(yù)期位置。

圖5 負(fù)二層背撐模板移動

3.3.2 龍門吊＋研發(fā)的可移動式物料平臺

新研制的地下車站狹窄空間移動式物料系統(tǒng)，由16 t單梁龍門吊＋20 t移動物料平臺組成。龍門吊的小車上設(shè)有電動葫蘆，吊重16 t，跨度26.1 m，起升高度是軌上8 m、軌下20 m；移動物料平臺由4臺2.2 kW電機驅(qū)動，運行速度0～30 m/min，載重20 t，跨度22.6 m，平臺堆料寬度4 m，兩側(cè)設(shè)置人行走道。移動物料平臺性能參數(shù)見表2。

表2 移動物料平臺性能參數(shù)

系統(tǒng)主要操作流程為物料平臺移動至裝料位置→龍門吊裝料→物料平臺移動至卸料位置→龍門吊卸料。單臺物料平臺的最大載重量為20 t，運料范圍廣，包含腳手架、模板、鋼材、木材等周轉(zhuǎn)性材料和實體材料。地下車站狹窄空間移動式物料系統(tǒng)現(xiàn)場施工，如圖6所示。?

圖6 地下車站狹窄空間移動式物料系統(tǒng)

采用此澆筑系統(tǒng)施工的地鐵車站側(cè)墻每個單元(18 m為1個單元)從綁扎鋼筋至澆筑完成須用時3 d，現(xiàn)拼模板、天泵澆筑的深基坑側(cè)墻每單元須用時8 d，即每單元側(cè)墻澆筑節(jié)省5 d。整體移動式大模板整體好，在澆筑過程中可進(jìn)行充分振搗，不存跑模、脹模情況，故混凝土成型效果好。

3.4 敏感建筑物監(jiān)測保護(hù)結(jié)果

為了更好地驗證前面基于敏感環(huán)境和安全保障要求提出的新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備是否可行，對地下大空間明挖新方法進(jìn)行現(xiàn)場驗證試驗。為此，以最為危險的蓄冷水罐所處位置進(jìn)行研究，主要分析在基坑開挖施工過程中蓄冷水罐沉降和周圍代表沉降是否超過設(shè)計允許值。

蓄冷水罐在開挖期間的累計最大沉降量為44.9 mm，小于蓄冷水罐累計不均勻沉降量警戒值78 mm，蓄冷水罐最大傾斜為0.169%，小于規(guī)定的最大限值0.29%，最大月變化沉降量為5.1 mm，日均沉降量為0.17 mm，小于規(guī)定的變化速率1 mm/d。由此可得，基坑開挖期間可以保證蓄冷水罐的安全。

基坑開挖期間蓄冷水罐周邊地表累計最大沉降量7.1 mm，小于地表沉降監(jiān)測警戒值24 mm，最大月變化沉降量為4.9 mm，日均沉降量為0.16 mm，小于規(guī)定的變化速率1 mm/d，因此在基坑開挖期間可以保證蓄冷水罐周邊地表不發(fā)生塌陷，進(jìn)而影響施工和蓄冷水罐的正常作業(yè)。綜上所述，場地及空域受限的深基坑施工關(guān)鍵技術(shù)行之有效。

4 結(jié)束語

(1)鋼筋機械連接可調(diào)節(jié)型直螺紋套筒能解決空域受限的大型地連墻施工，同時能保證地連墻鋼筋籠對接質(zhì)量。

(2)“上翻下穿”開挖工藝能達(dá)到減緩基坑變形、保護(hù)周邊環(huán)境的目的，同時提高了挖掘機裝土的速度，加快了土方開挖進(jìn)度。

(3)可移動式物料平臺＋龍門吊的組合，解決了場地空間狹小導(dǎo)致的材料運輸、模板安拆及砼澆筑困難等施工難題，實現(xiàn)了場地受限大型地下空間快速安全施工。