海峡文化艺术中心歌剧院深基坑综合施工技术

汪述文, 陈仕源, 孙孟滋

(中建海峡建设发展有限公司， 福建福州 350000)

本项目沿江，地下水量丰富，地质条件不良，基坑支护开挖施工有较大难度。本文将主要阐述基坑支护结构的施工、降水及土方的开挖方法，为相关项目基坑施工作参考。

1 工程概况

海峡文化艺术中心位于福州市仓山区南台岛东，位于闽江沿岸。项目由五个功能性场馆：建筑A(多功能戏剧厅)、建筑B(歌剧院)、建筑C(音乐厅)、建筑D(艺术博物馆)、建筑E(影视中心)所组成，与裙楼建筑F(中央文化大厅)相连接，组成形似福州市花茉莉花的造型，项目设计效果如图1所示。

图1 项目建筑设计效果

项目占地面积约15.80 hm2。其中单体占地面积最大的建筑建筑B歌剧院位于项目西北端，其地下室占地约1.50×104m2。歌剧院台仓区(舞台升降区)位于地下室中央，属坑中坑，如图2建筑纵向剖面图所示。其东西向约48 m，南北向约43 m，坑底距结构正负零标高约17.50 m，为深基坑结构。

图2 歌剧院纵向剖面

2 地质水文状况

场地地下以软弱土为主，局部为中软土。根据地质勘查报告，歌剧院地下各土层的颜色、状态及平均厚度，自上而下分别如表1中所示。

场地西北端有梁厝河流过，北向汇入闽江中。场地地下水位随江水潮汐变化，最高时可达5.800 m。台仓区基坑底标高-5.90 m，低于地下室为最高值。基坑开挖前应做好基坑的降排水工作，以免开挖时地下室流入基坑导致施工困难。

表1 歌剧院地下各土层分布

3 工程难点

3.1 施工体量大、工期紧

台仓区土方开挖总量约24 562 m3，工期要求严格，施工时应适当增加机械设备、物资及人力的投入，合理地安排工序，使进度目标能按时实现。

3.2 基坑深度大、暴露久

歌剧院地下室底部标高众多，其中台仓区标高最低(-5.90 m)。台仓区基坑开挖深度深，开挖时应分层、多段施工，已开挖部分土体边坡暴露时间长，存在一定安全隐患。

3.3 气候条件差

基坑支护与土方开挖施工时正处福州七八月份，值台风多发季，降雨多、持续时间长，已开挖土体易发生边坡失稳等情况。施工时应及时在坑顶截水、疏水，坑底抽排水、降水，预防有可能出现的安全隐患。

4 施工工艺和方法

4.1 施工工艺

台仓区基坑施工工序如下所示：

(1) 1道三轴搅拌桩作为止水帷幕，阻断地下水入坑；

(2) 1道旋挖灌注咬合桩、1道钢筋混凝土内支撑作为基坑支护结构；

(3) 26口降水井在基坑内外降水；

(4) 分层分段、多层多段的方式对土体进行开挖。

4.2 施工方法

4.2.1 止水帷幕：三轴水泥搅拌桩

本基坑需止水帷幕阻隔地下水，防止降雨或地下水大量进入基坑中。考虑到工期与施工便利程度等因素，本项目采用如图3所示三轴搅拌桩作为止水帷幕。桩径φ650 mm，桩间距450 mm，基坑外独立成桩。

图3 三轴水泥搅拌桩平面布置(单位:mm)

施工时，先进行桩定位。通过现场坐标基准点，用全站仪精确放样桩中心与桩中心线。随后三轴搅拌桩机进场进行套打施工。钻头下沉至桩底标高，下沉时喷水泥浆进行搅拌，提升时边搅拌边喷浆，待钻头完全提升后停止喷浆。移位下根桩处进行施工。相邻搅拌桩施工间隙不超过10 h。

4.2.2 支护桩：旋挖灌注咬合桩

本工程支护结构采用旋挖灌注咬合桩，桩径φ900 mm，桩间距650 mm，桩长17.70～19.20 m，由素混凝土桩与钢筋混凝土桩相互咬合而成(图4)。图中A为素混凝土桩，B为钢筋混凝土灌注桩。先施工素混凝土A桩，相邻两根素混凝土桩初凝后，切割成孔施工钢筋混凝土B桩。施工顺序为：A1→A2→A3→B1→A4→B2。

图4 旋挖灌注咬合桩平面布置(单位:mm)

施工咬合桩时，根据现场坐标基准点，利用全站仪放样咬合桩中心点与中心线。钻孔施工前调平钻机，保持桩机垂直。搭建泥浆库，以黄土为主，比重控制在1.10～1.30左右。设置孔壁钢护筒，内径大于桩径200 mm，高出地面30.00 cm。护筒中心与桩中心偏差控制在5.00 cm内。

旋挖灌注桩机原地顺时针旋转开孔，以钻斗自重、钻杆自重及液压力为钻进动力，钻速先慢后快。不同地质条件下采用不同钻头。钻进时观察钻孔内水位、钻头深度及钻机负荷，判断钻头所处地层条件。

钻至设计深度后进行验收，合格后下放钢筋笼。下放时对准孔位轻放、慢放。钢筋笼外周焊接耳环，对钢筋笼竖向垂直度与混凝土保护层厚度进行控制。

吊放混凝土浇筑导管，在离孔底1.00 m左右时，接泥浆清孔，确保孔底500 mm以内沉渣相对密度不大于1.15、泥浆黏度不大于28 s、含砂率不大于8 %。清孔验收合格后灌注混凝土。灌注过程中确保灌注连续，确保桩承载力与密实度。

4.2.3 内支撑：冠梁、支撑梁

土方开挖至支护桩桩顶，清除桩顶松软土、钢筋上黏土，凿除多余混凝土，确保桩顶能深入冠梁50 mm，并且冠梁坐落在咬合桩新鲜混凝土面上。为减少冠梁、支撑梁下土层沉降变形，将梁基槽底土方用铁锹拍实平整，浇筑C15混凝土垫层，凝固后铺设油毛毡，将垫层与冠梁、支撑梁隔开，防止梁底与泥土黏结。

分两段绑扎冠梁、支撑梁钢筋，段与段交接处预留插筋，钢筋搭接采用焊接。确保支护桩顶钢筋露出长度达到设计要求。在垫层上根据尺寸制作、安装模板。在冠梁、支撑梁施工区交接区留置施工缝。施工缝为企口缝，用铁丝网围挡，成型后表面予以凿毛。浇筑混凝土，用插入式振动器振捣，使混凝土表面呈现浮浆，不再下沉。施工效果如图5所示。

图5 台仓区冠梁、支撑梁模拟

4.2.4 降水井施工

在台仓区内外布有26口降水井，深度-10.00～-5.00 m不等。井底安置有潜水泵，抽水至基坑顶排水沟中，排向梁厝河，达到降低台仓区地下水位的目的。

施工前精确定位井口位置，埋设护口管。安装钻机，稳固水平，保持对中。根据不同地层条件采用冲击钻,螺旋钻,回转钻等不同钻头，成孔直径不小于400 mm。钻至设计深度后，宜多钻0.30～0.50 m。冲孔清除孔内杂物，确保孔底沉淤小于300 mm。

下降水井管，上下端设置直径小于孔径50 mm扶正器，保证井管居中。用大泵量水清洗井内泥浆，稀释至比重接近1.05。后投放5 mm粒径圆砾或角砾至井口。冲填连续至砂尽水清。下潜水泵，连接钢丝软排水管，开始抽水。保护井口，防止杂物掉入井内。降水期间每天检查抽水设备和运行情况，发现问题及时处理。

4.2.5 土方开挖

基坑土方开挖考虑时空效应[4]，根据基坑的特点，依据对称平衡原则分段分层开挖。沿规定次序逐段开挖，每段分层分小段开挖，减少基坑暴露时间。先对称开挖四周，再开挖中心，使支护结构均匀受力。

4.2.5.1 开挖步骤

分两阶段开挖。第一阶段放坡分层开挖至冠梁底标高，对边坡进行喷锚支护。第二阶段由冠梁底分层开挖至基坑底标高，需等冠梁、支撑梁强度达到设计要求后才可施工。

4.2.5.2 开挖方法

开挖前，进行外环及土方外运道路混凝土硬化工作，砌筑排水明沟，作为掘进机进场及土方外运道路。采用2 m3斗履带式反铲挖掘机挖土。采用分层、对称开挖的模式，先开挖周边，再开挖中间，每层厚度不超过2.0 m，严禁局部超挖。

采用侧向挖土法。挖掘机沿着基坑一侧移动，自卸汽车挖掘机两侧装运土。基坑边角部位、挖掘机开挖不到处，配合人工清土，人工将松土清理到挖掘机工作半径内，由挖掘机清走。

采用坡道退土，坡度约为1∶4.25。土方由四周向退土坡道退挖，挖出来的土方随挖随运，不在场地堆积。退土路线如图6所示。

图6 台仓区退土路线(单位:mm)

挖土时防止扰动基槽土体，不得碰撞支护桩、冠梁、支撑梁，不得碾压冠梁、支撑梁。开挖至垫层底面，使用人工清底找平，避免超挖或基底土受扰动。完成挖土后，退土坡道用长臂挖机予以挖除。

4.2.6 支护系统拆除

台仓区地下室外墙施工完成，混凝土达到设计强度，基坑外侧土方回填至-0.50 m高程时，可拆除支护体系。采用机械破碎法[5]快速拆除，在机械无法拆除的区域采用人工风镐拆除。

拆除内支撑时由基坑南北两侧向中间拆除。施工时在支撑梁上铺设工字钢，标准臂镐头机在工字钢上对支撑梁拆除作业，工字钢由镐头机自行铺设。混凝土渣边打边清理，需与拆除施工保持足够安全距离。

先拆除连杆，再拆除主撑。角撑由内向外机械拆除，镐头机逐跨后退式清凿。先剥离混凝土保护层，切割上层钢筋，待混凝土大部分脱离支撑后切割下层钢筋。切割钢筋用的乙炔、氧气应堆放在稳定可靠处，防止坠落。

拆除的混凝土渣应靠近支撑空挡处堆放，便于长臂挖机在基坑边上装车外运。

4.2.7 基坑变形监测

基坑的安全稳定，既要关注侧壁的局部破坏，又要重点防范支撑梁拉压破坏而导致的支护结构整体破坏[6]。本工程设置监测项目与监测点如图7所示，有：基坑坡顶水平位移监测27个点；基坑坡顶竖向位移监测27个点；基坑支护结构外侧土体深层水平位移监测4个点；支护桩、冠梁、支撑梁钢筋应力监测20个点；地下水位监测13个点。

图7 台仓区基坑监测点

5 实施效果分析

(1)考虑时空效应，根据基坑形状，依据对称平衡原则分块分层开挖后，台仓区基底原状土保护较好。

(2)监控结果显示，本工程基坑施工方法得当，基坑变形控制在预警值之内，第25次钢筋应力(监测点位置见图7)监测结果如表2所示。

表2 台仓区冠梁、支撑梁应力监测结果 kN

续表2组号位置本次应力本次变化累计变化Y20支撑-15.52-0.54-15.02Y13支撑-16.12-1.09-15.61Y14支撑-14.96-1.42-14.42Y17支撑-8.82-0.51-6.56

表2所示施工工况为基坑已开挖至基底。由表2可知，该监测项目各项数据均未超过预警值，满足设计要求。

(3)本工程基坑内支撑结构简单，既节约工程成本，又节省工期。水平支撑采用机械破碎快速拆除法，工期较常规方法提前约1个月。