城市高架工程承台基坑的快速施工方法

李长学 杨荣青

(上海城投公路投资(集团)有限公司,200335,上海//第一作者,副总工程师 )

城市高架工程承台基坑的快速施工方法

李长学 杨荣青

(上海城投公路投资(集团)有限公司,200335,上海//第一作者,副总工程师 )

由于城市高架工程施工场地的特殊性,建设过程中对工期控制及施工效率要求较高。以上海某高架工程南延段为例,介绍了城市高架工程承台基坑的快速施工方法:采用拉森钢板桩+钢支撑作为基坑的围护结构,易于施工且方便回收和重复利用;具有机械化、程序化的施工特点,能够很好地适应于单个基坑面积小、深度较浅但数量众多的基坑工程;施工效率高、对场地的适应性强、占地时间短。

城市高架工程; 基坑工程; 快速施工方法

Author′s address Shanghai SMI Highway (Group) Co.,Ltd.,200335,Shanghai,China

随着城市化的发展,城市交通拥堵现象日趋严重。为了解决城市交通问题,在交通设施建设过程中,一般要求:①不过多占用城市土地资源;②具备较高的运输效率。城市高架工程则无疑很好地具备了上述两个重要条件,因此在城市发展过程中被大量建设,成为了未来城市交通的发展方向。

城市高架工程多出现在已有道路不能满足车流要求的情况下,在已有道路上方建设架空线路,进而形成立体交通,对解决城市拥堵问题具有立竿见影的效果。为了减少高架施工对已有道路通行的影响,需采取快速高效的施工方法,在保证安全施工的同时,应尽量控制施工周期。在高架工程的基坑施工阶段,由于需要占用已有道路路面,往往会对道路通行产生较大影响。此外,对于此类工程,基坑不会单个出现,往往沿高架线路成串分布,基坑较多,加之基础施工在整个高架工程的建设周期内占有较大比重(约1/4施工周期),因此寻求合理有效的高架工程基础快速施工方法具有重要意义[1-2]。

本文以上海某高架工程南延段承台基础的基坑工程为例,介绍一种简便有效的中小型基坑快速施工方法,为今后类似工程的快速施工提供参考。

1 工程概况

该工程全长1 522 m,高架下共有42个承台基坑,基坑开挖深度为7.10～8.60 m。基坑呈矩形,沿高架线呈规则散点状分布。基坑尺寸分为9.4 m×11.8 m (A型)、9.4 m×14.2 m (B型)两种规格。单个基坑面积约为110.9～133.5 m2,基坑开挖深度为7.10～8.60 m,安全等级二级。

该工程影响范围内各土层的物理力学参数见表1。

场地内的地下水主要有浅部土层中的潜水及基坑下部砂质粉土层中的承压水。浅部土层的潜水主要由大气降水、地表径流及河道补给,潜水水位埋深一般为0.30～1.50 m,平均水位埋深在0.50～0.70 m之间。承压水埋深一般为3.00～12.00 m。根据验算,本基坑工程受承压水的影响较小,不会因承压水的影响而导致基坑突涌。

表1 各土层的物理力学参数表

2 基坑工程实施方案

2.1 工程特点

施工前,需对工程特点进行分析,包括基坑的周边场地环境、工程地质条件以及基坑自身特点等,进而根据工程特点确定出合理的施工方案[3-4]。本工程中,基坑长宽均在15 m以内,且基坑开挖深度不超过10 m,是沿高架线路多点分布的小型基坑。由于基坑面积较小且分布众多,施工组织对施工工期影响较大。采用合理的施工工艺及施工顺序可以有效提高施工效率,缩短工期。

据工程地质资料显示,现场土层的力学性质较差,地基土层多属淤泥质黏土土层,在基坑设计时,支护结构应具备足够的刚度,以保证基坑的施工安全。此外,根据现场勘查,本工程邻近河道,其中的大部分承台基坑均位于河道内或河道岸坡上。根据基坑与现有河道的位置关系,可将基坑分为陆域基坑和水域基坑两种类型。当基坑边界与现有河道的距离大于4 m时为陆域基坑,小于4 m的则为水域基坑。由此可见,基坑施工受邻近河流的影响较大,尤其对于水域基坑,当施工方案不合理时极易引起基坑边坡坍塌,河水倒灌,造成工程事故。

2.2 基坑围护结构

根据施工要求,本基坑采用NSP-ⅣW号拉森钢板桩+二道钢支撑的围护形式。在满足基坑稳定的前提下,采用钢板桩支护具有程序化施工的特点[3,5]。两种基坑所采用的围护结构方案平面图如图1、2所示。图中角撑及圈梁均使用400 mm×400 mm×13 mm×21 mm H型钢,对口撑采用Φ609钢管加工制作而成。对于拉森钢板桩+钢支撑的支护形式,施工时机械化程度较高,尤其在软弱土质地层,插打钢板桩方便、快捷、高效,且质量可控[5-6]。

图1 A型承台支护结构平面图

图2 B型承台支护结构平面图

图3、图4分别为陆域基坑与水域基坑的剖面示意图。基坑沿深度方向设置两道支撑,全部围护及支撑结构均采用型钢焊接而成,各支撑与围檩之间通过焊接连接。若支撑杆未贴靠在围檩上,需作加垫钢板处理,使围檩上的力传到支撑上,以起到支撑的作用。水域基坑的施工方法与陆域基坑的施工方法相比,仅在临水侧槽钢支护有明显差距。水域基坑施工前需要进行围堰并施做反压填土工序,其余均相同。

图3 陆域基坑支护剖面示意图

图4 水域基坑支护剖面示意图

2.3 钢槽围堰(水域基坑)

对于水域基坑,在临河侧打设槽钢围堰,围堰内部清淤后用黏性土装袋回填,以此满足高架基础及立柱的施工。桩基施工前打设围堰,待立柱施工完成后再进行围堰拆除。全桥上部结构施工完成后进行河道拓宽施工。围堰平面布置如图5所示。围堰距离基坑短边4 m,基坑两侧距离围堰4.5 m,同时围堰深入河岸1 m以上。

图5 临水侧基坑平面布置图

围堰施工顺序为测量放样→场地平整→插打槽钢→水泵抽水→回填→结构施工→槽钢拔出→围堰清理。在插打槽钢过程中,单桩逐根连续施打,并需注意桩顶高程不宜相差太大。在插打过程中随时监控槽钢的垂直度,应保证倾斜不超过2%;当槽钢倾斜过大不能调正时,应拔起重打。

3 施工工艺及基坑监测

3.1 施工工艺

一般情况下,在城市高架工程的承台基坑中,面积较小,施工安全易于控制;但由于基坑数量较多,在施工机械设备的限制下,施工组织则成为控制工程施工效率与周期的关键。

将工程(共m个基坑)沿高架线路分为若干段(n段),每个施工队负责一段线路内的基坑施工(m/n个基坑)。将单个基坑根据工种及施工机械划分为若干道工序并依次进行各工序的施工,每道工序完成后转移至下一施工场地继续施工。对于这类单个基坑面积较小但数量较多的基坑工程,采用这种程序化的机械施工方法可以有效地提高施工效率,加快施工进度。

在本工程中,单个基坑的施工顺序为:放样→插打钢板桩→交替进行土方开挖与安装支撑→浇筑坑底垫层→凿除桩头→浇筑承台立柱→交替进行回填及支撑拆除→拔除钢板桩。

钢板桩插打时,施工顺序为先临河侧,后便道侧合拢。插打拉森钢板桩采用屏风式打入法:首先开挖导向槽,待导向架安装完成后,将10～20根钢板桩成排插入导架内,呈屏风状,然后再分批施打。施打时先将屏风墙两端的钢板桩打至设计标高,成为定位板桩,然后在中间按顺序分1/2板桩高度呈阶梯状打入。为了确保定位板桩插正及位置准确,插打时要缓慢,在相互垂直的两个方向用全站仪控制垂直度,发现偏移立即进行调整。

3.2 基坑监测

为了保证快速施工下基坑的施工安全,在基坑开挖及承台的浇筑施工中,应对基坑及周边环境进行监测,指导施工并确保基坑安全,同时也方便加强对周边道路及管线的保护[7-8]。

3.2.1 监测项目

基坑开挖施工的基本特点是先变形,后支撑。在进行基坑开挖及支护施工过程中,每个分步开挖的空间几何尺寸和开挖部分的无支撑暴露时间,都与围护结构、土体位移等存在较强的相关性。这就是基坑开挖中的时空效应规律。通过基坑监测,可以可靠而合理地利用土体自身在基坑开挖过程中控制土体位移的潜力,达到保护环境、最大限度保护相关方面利益的目的。

根据周围环境及基坑本身的特点,监测点主要布置在3倍基坑开挖深度范围内。监测内容主要包括:围护结构顶部水平位移及垂直位移监测,围护结构深层侧向变形(测斜)监测,支撑轴力监测,坑外水位监测,周边地下综合管线垂直位移监测。

监测点布置如图6所示。

图6 基坑监测布点示意图

3.2.2 监测报警指标

监测报警指标以累计变化量和变化速率两个量进行控制,累计变化量的报警指标一般不宜超过设计限值。工程中监测报警指标如表2所示。

表2 监测报警指标

3.3 基坑施工质量控制

为确保基坑围护结构安全可靠,基坑设计时需对钢板桩的入土深度进行理论计算,并对钢板桩的围护强度及稳定性进行验证[9]。钢板桩插打施工时,应在基坑4个角设置角桩,提高围护结构的整体防漏性能;如若钢板桩围檩发生渗漏,需及时进行堵漏处理,保证施工安全。围檩与支撑之间的连接应具有足够的焊接强度,钢围檩与钢板桩围堰紧贴,若有缝隙采用钢板垫实。开挖坑土堆放至距基坑边缘20 m以外,坑土堆放平整,减小堆土对钢板桩的侧压力,增强围护的安全系数,及时对坑内积水进行抽排。此外,还要做好雨季施工准备,坑内四周布置排水沟及集水井,并做好应急预案,防止雨水倒灌引起的安全事故。

4 实施效果分析

在该工程中,采用上述承台基坑施工方法,单个基坑的开挖时间有效地缩短至1周;单个基坑从施打围檩至基坑回填结束,整个施工周期控制在了30 d以内,基坑施工这一分项工程比预期缩短了1/3的施工工期。而且从现场实测数据反馈结果发现(详见图7),基坑施工期间,基坑边坡及围护结构变形均未超出报警值,基坑围护具有较高的安全系数。根据现场实施效果,采用程序化施工方法,不仅能够保障施工安全,提高施工效率,而且还能有效地提高施工质量,能很好地适应体积小、数量多且施工效率要求高的中小型基坑工程。

图7 开挖引起的基坑变形示意图

5 结语

本文所述的基坑快速施工方法(程序化施工),能够很好地适应于单个基坑面积不大且深度较浅(深度不超过10 m)但数量较多的群坑工程。

采用钢板桩+钢支撑的支护形式,施工时钢板桩的插入长度可以根据基坑稳定性的要求进行调整,施工的机械化程度较高且便于回收多次使用,具备很好的程序化施工特点。

程序化施工方法的关键在于合理安排施工顺序,并做好单个基坑中各工序之间及每个工序在不同基坑之间的衔接,将各基坑及工序进行无缝衔接后,基坑的施工效率可以大大提高。

[1] 杨学林.基坑工程设计、施工和监测中应关注的若干问题[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2327-2333.

[2] 张玉成,杨光华,钟志辉,等.软土基坑设计若干关键问题探讨及基坑设计实例应用分析[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2334-2345.

[3] 杜闯.钢板桩围堰有限元分析[J].岩土工程学报,2014,36(2):159-164.

[4] 孙智勇.水下开挖法在市政工程深基坑施工中的应用[J].城市轨道交通研究,2016(3):114-137.

[5] 王征亮,何汉艺,林佑高,等.钢板桩与水泥土墙在小型基坑支护中的组合设计[J].爆破,2007(24):139-142.

[6] 应惠清,葛鹏.小型基坑支护结构的VE 分析研究和应用[J].地下空间与工程学报,2006(2):166-169.

[7] 王连山.信息化施工技术在地铁基坑施工中的应用[J].铁道工程学报,2006(2):79-82.

[8] 郭鹏飞.基坑开挖引起下卧隧道隆起变形的实测数据分析[J].岩土力学,2016,37(2):613-621.

[9] 任望东,李春光,田建平,等.软弱土中大面积深基坑工程快速支护施工技术[J].施工技术,2013,42(1):35-39.

Fast Construction Technique of Foundation Pit for Urban Viaduct

LI Changxue, YANG Rongqing

Due to the limitation of construction site,urban viaduct engineering usually involves higher demands for time control and construction efficiency.Based on the south extension of Jiading-Minhang Viaduct engineering,a fast construction technique of foundation pit for urban viaduct is introduced.In which,the Larssen sheet piling+steel support is adopted as the retaining structure for the convenient implementation and recycling.This technique has characters like mechanization and routinization in terms of construction,and adapts to single foundation in limited area or multiple foundations with shallow excavation.In general,this fast construction technique features high construction efficiency,strong applicability and short occupation of construction site.

urban viaduct; foundation pit; fast construction technique

U415

10.16037/j.1007-869x.2017.04.026

2017-01-02)