深基坑栈桥出土方案设计与应用

任建业, 毛运超, 邢 帅, 贾金龙, 任亚津

(1.河北建设集团股份有限公司,河北 保定 071000;2.河北省建筑设计研究院,河北 石家庄 050000)

0 引 言

随着建筑物高度的增加,基础埋深在逐渐增大,基坑深度也相应越来越大,形成了较多的深基坑工程。[1]而大部分深基坑工程又经常出现在主城区,基坑周边管线错综复杂,同时已建建筑、周边道路距坑边距离小,对变形较为敏感。这就要求挖土工期不可过长,并应合理安排出土方式,提高出土效率,尽快形成内支撑梁、筏板支撑体系,以控制基坑的变形。[2]同时,大部分工程地下室几乎布满用地红线,施工场地使用范围受限,场地极其狭小,造成场内无施工道路,严重制约工程机械进出场效率,进而延长工程工期,也不利于项目的经济性和安全性。[3]

支撑梁结合栈桥施工平台的结构设计与应用,正逐渐成为一种必要的支护结构形式。陈学光等[4]针对20 m深度的深基坑,设计并采用了一种土方组合开挖技术,即采用“栈桥+出土平台+预留出土洞内中心岛式土方开挖+支撑结构下盆式开挖”的方案,使基坑出土效率达到2 100 m3/d ;胡海英等[5]依托深圳平安金融中心大厦项目,借助圆环支撑设计了栈桥坡道出土方式,保证了开挖深度约34 m的深基坑的出土效率,取得了良好效果;覃敏宁等[6]则设计使用了一种螺旋形栈桥,借助“桩基+钢格构+钢构造+混凝土栈桥”的形式,实现了在圆环支撑内侧的高效出土,解决了深基坑无法设置直线出土坡道的难题。纵观各类栈桥应用文献,基坑支撑形式不同,栈桥设计也千变万化。而如何既确保结构的安全,又节约造价,同时适合项目特点并最大限度为施工提供便利,是需要经常考虑的问题。本文在前人研究经验的基础之上通过衡百国际广场建设项目工程实例,总结深基坑工程“一桥一岛两坡道”出土施工技术,为建筑施工行业类似工程项目提供施工参考依据。

1 工程概况

1.1 整体概况

衡百国际广场建设项目位于河北省衡水市桃城区,东侧为衡百国际购物中心,北侧为怡水居住宅楼及商业楼,西侧为衡水市政务中心,南侧为人民路。人民路为城市中央区域主干道路,人流量大,车流密集。东侧为营业中的衡百国际购物中心,且地下停车场出入口紧邻本项目,同时北侧西部住宅楼出入道路紧邻基坑西侧边缘,人员密集,拥堵现象时有发生。北侧东部商业楼及西侧政务中心办公楼均为天然地基,无地下室,基础埋深浅,对变形较敏感。项目周边环境如图1所示。

图1 项目周边环境

项目由东西塔楼、5层裙房和2层地下室组成。西塔楼共计27层,为综合办公楼;东塔楼共计21层,为公寓式住宅楼;底部5层裙房为商业;地下室2层,为车库。建筑最高部位106 m,建筑面积90 000 m2,通过连廊与已施工完成的衡百国际购物中心连接将成为200 000 m2级别的,集办公、公寓、购物于一体的大型商业综合体。项目区域东西长132.4 m,南北宽63.5 m、83 m(西侧宽63.5 m,东侧宽83 m),占地面积12 000 m2。项目效果如图2所示。

图2 项目效果图

1.2 基坑概况

基坑面积11 000 m2,周长475 m,现地坪绝对高程为19.200 m(建筑±0.000绝对高程为19.800 m)。基坑开挖深度为12.1 m,局部为13.9 m,土方开挖量135 000 m3,基坑支护为支护灌注桩挡土结构+三轴水泥搅拌桩隔水结构,基坑内部设一道钢筋混凝土内支撑梁。内支撑局部为角撑,大部采用对称双圆环环撑+对撑的形式。梁顶标高原设计16.0 m,优化后为15.0 m,平立面布置如图3、图4所示。基坑安全等级为一级,使用期限为24个月,坑边无可利用道路,场地极其狭小。周边布满热力、燃气、供电、通信、国防电缆、雨水、污水、地埋消防管道等管线,错综复杂。

图3 基坑支护立面布置

图4 基坑支护平面布置

场地钻探揭露表层为素填土、杂填土,其下均为第四系全新统冲积、沉积地层。基坑开挖段为素填土、杂填土、粉土、粉质黏土。人民路南侧为滏阳河,政务中心西侧为怡水公园水系,地下水丰富,探明场地内浅层地下水稳定水位的相对标高为-2.85～-2.93 m,基坑渗漏水,坑底突涌风险大。

2 施工难点分析

工程位于衡水市主城区,三面环楼,一面临路,场内即基坑,无法设置常规内部交通道路。场外人流量大,车流密集,上下班高峰施工机械禁止上路,日出土允许时长为8 h,考虑环保政策影响,平均出土时长不足6 h,挖土处于“内外交困”状态,工期极为紧张。场地内部无场地设置常规洗车池,车辆冲洗效率低,车辆出场速度慢制约工期。本工程为繁华地段商业综合体项目,商业价值巨大,业主预期工期紧凑,对工期要求极其严苛,合同总工期仅为860 d,工期压力大。基坑北侧商业楼及西侧政务中心办公楼均为天然地基,无地下室,基础埋深浅,距离坑边近,对基坑变形极其敏感。为减少基坑变形,必须组织快速出土,及时完成内支撑梁、筏板支撑带施工。

3 栈桥出土结构设计

3.1 设计思路

整体考虑进度、安全、质量、环保、施工流水组织及经济性,利用FUZOR软件4D模拟技术,进行虚拟施工,对整个地下阶段施工过程进行预演,尽可能多地将问题暴露出来,不断地解决碰撞问题、优化行车路线,对各道工序进行梳理优化,将问题解决在方案设计阶段。最终确定施工方案后,将整体设计方案提供给设计单位进行复核、咨询、论证、再优化,形成最终方案。

3.2 整体设计

出土结构整体设计为“一桥一岛两坡道”的结构形式,如图5所示。

图5 “一桥一岛两坡道”结构形式

桥,即混凝土栈桥,标高同场地标高,设置于主出入口部位,作为车辆进出的交通枢纽;岛,即土方中心岛,标高与内支撑梁顶持平,作为二步土(支撑梁以下土方)开挖平台,满足环岛多点作业,互不干扰,也作为重要的运土路线与坡道连接,同时中心岛兼做垫层、筏板、负二层混凝土浇筑平台,如图6所示;坡道,作为栈桥及次出入口与中心岛的连接,起承上启下的作用。设两条坡道对应两个出入口,车辆根据实际情况自行选择出入口,解决车辆冲洗等待时间长、出场效率低,进而造成车辆滞留的情况。一桥一岛两坡道的设计,打通狭窄场地内部交通运输体系,创造土方运输路线,保证运土车辆安全快速出场。

图6 垫层混凝土浇筑模拟

同时基于智慧工地平台物联监测技术深基坑监测系统,分别对基坑顶部沉降及位移、深层水平位移、支撑梁轴力、土压力、观测井水位、栈桥平台水平位移进行全周期监测,实时预警,利用科技辅助的手段实时了解支护结构、栈桥结构的安全状态,保证出土施工安全。

3.3 栈桥设计

利用基坑支护内支撑结构的对撑部分作为栈桥下部结构,在支撑梁上部建设栈桥框架结构直至场地地坪标高,内支撑与栈桥形成一个整体稳定、刚度大的2层框架结构,如图7所示。荷载通过桥面、立柱、格构柱最终传递到了基础,不影响支撑系统的安全。[7]同时在栈桥桥面以降板形式设置洗车池系统,满足车辆冲洗需要。洗车池与栈桥一体化施工[8],可解决狭小空间洗车池功能系统设置不全的问题,降低洗车池的施工措施费,符合绿色施工“四节一环保”要求。

图7 栈桥结构模型

栈桥除服役于地下出土,还将作为地下主体结构混凝土浇筑平台、材料进出场装卸平台,如图8所示。栈桥选址位于车库上部,裙房外部,不影响裙房主体结构施工。

图8 混凝土浇筑模拟

同时,借鉴前辈对内支撑进行优化[9,10]的经验。对支撑梁标高进行优化调整,绝对高程由16.000 m降为15.000 m,整体下降1 m,最终减少掏挖土方量5 000 m3,降低了施工难度,提高了施工效率。

4 施工流程

土方开挖在竖向以支撑梁为界,分两步开挖,支撑梁以上土体为一步土,支撑梁以下为二步土。

一步土,约45 000 m3。一步土方开挖重点在于合理规划支撑梁、栈桥施工穿插及出土过程坡道的转换。总体顺序为自东向西分层退挖,挖土初期土方由1#出入口(栈桥位置)出场,紧跟挖土进度,进行内支撑梁施工及支护桩护面混凝土施工,支撑梁总体顺序自东向西,局部预留1#口临近位置,逐步向1#口收拢。具体施工又有侧重,首先施工2#出口临近位置支撑梁,确保能够及时插入2#坡道修筑,使2#坡道早日具备上车条件,防止1#口位置挖土时,2#口不具备上车条件,导致土方外运受阻。2#口具备条件后,一步土方基本进入尾声,此时对1#口位置土方进行开挖,由2#口出土(需预留部分土方,修筑1#坡道)。1#口位置土方清运完成后,施工此部位内支撑梁,支撑梁施工完成后形成整体,进行上部栈桥结构施工,栈桥达到一定强度后,开始修筑1#坡道。最终形成“一桥两坡道”形式,由两个出入口通过坡道下探到一步土坑底,形成内部交通体系,为二步土开挖创造良好条件。

二步土,约90 000 m3。如图9所示,依据负二层施工流水段划分,以流水段7段、8段、9段、10段部分区域南北向10 m宽为预留中心岛,采用环中心岛多点开挖,可同时插入1/2段、3/4段、5/6段土方开挖,多点进行,互不干扰,提升装车效率。同时,坑底渣土车土方装运完成后,可根据1#出入口和2#出入口洗车、滞留车状况,自由选择在1#出入口或者2#出入口出场,减少出场等待时间,提高土方外运效率。1～6段土方完成后,中心岛即7～10段自西向东退挖,适时插入1#坡道拆除,由2#出入口出土,最后逐步拆除2#坡道,直至所有土方清运完成。

图9 负二层流水段划分

为避免长时间晾槽,造成水分流失形成沙土。土方开挖、清槽完成后,采用分段验槽分段施工的原则,完成一段,验收一段,隐蔽一段。及时插入垫层、防水、筏板基础施工,形成筏板支撑带,对支护结构形成可靠支撑,减少基坑变形量。

5 施工效果

衡百国际广场建设项目深基坑土方开挖及地下主体结构施工采用“一桥一岛两坡道”结构,为地下主体结构施工的顺利开展打下了坚实的基础。

(1) “一桥一岛两坡道”结构体系打通狭窄场地内部交通运输体系,解决无施工道路难题,机械行驶便捷,日均出土量为1 600 m3,远超1 100 m3目标值。用时85 d完成135 000 m3土方外运,较计划工期缩短近40 d。

(2) 有效利用栈桥作为混凝土浇筑施工平台、施工材料进出场装卸平台、支撑梁拆除外运吊装平台,加快了施工进度,缩短工期50 d,经济效益达300万元。

(3) 快速出土期间未发生渗水、透水、突涌等事故,基坑变形均在允许范围内,周边既有建筑、道路、市政管线等未发生明显变形。

(4) 智慧工地物联监测技术的探索应用,实时监测基坑、栈桥安全运行状况。让基坑安全状态、栈桥安全状态科学化、数据化、自动化直观展示,并实时预警推送数据。把现代信息技术和人工智能技术渗透到项目管理之中,促进了建造技术升级、生产方式转变和管理模式变革,从真正意义上降低管理强度、提高工作效率,增加了项目团队智慧工地运用经验,也将为公司项目管理纳入智慧房管及智慧城市建设提供十足的动力。

6 结束语

工程实践证明,“一桥一岛两坡道”结构形式适用于采用一道混凝土内支撑梁进行基坑支护的、土方开挖深度在10～15 m的、周边存在已建建筑物且距离坑边距离小的、施工场地极其狭小的深基坑工程土方开挖外运及地下主体结构施工,施工效率高、经济效益好、结构安全可靠。可为类似工程提供借鉴与借鉴。