大型深基坑工程群施工技术

顾伟文

(上海建工四建集团有限公司,上海 201103)

随着城市化进程的加速,建筑物不断向高层发展,深基坑施工也越来越常见。深基坑工程是一个非常复杂的系统工程,其施工具有技术难度大、安全隐患多等特点。而为了满足大型工程的建设需求,往往会出现在一个区域内同时或依次进行多个深基坑工程,如地下商业街、地铁站、高层建筑等工程。

这些工程通常由不同的建设单位、施工单位和设计单位共同参与,在施工过程中不仅仅需要考虑单个基坑常规的施工问题,更需要考虑多个基坑之间的相互影响、施工顺序、施工协同以及施工安全等方面的问题。因此,如何保证深基坑工程群的安全、协同和高效成为当前研究的热点。研究深基坑工程群施工技术对于提高施工效率、提高工程质量、降低工程成本、保障施工安全、促进城市建设可持续发展具有重要意义。

本文依托于实际工程,对大型深基坑工程群在设计及施工中所采取的施工技术措施进行研究与分析。

1 项目概况

1.1 项目背景

九星城项目地处上海市闵行区七宝核心板块,由九个地块组成,占地面积16.07 hm2,总建筑面积100万m2,地上6层,建筑面积52.83万m2;地下3层,建筑面积47.17万m2。九星城聚焦家居建材产业全产业链,旨在打造国际国内互联互通的一站式家居建材贸易中心,成为中国乃至亚太地区国际级家居建材贸易重要基地[1-2]。

9个地块共分为3个标段,由北向南依次为一、二、三标段(见图1),建设单位为一家、施工总承包单位为三家,围护设计单位为一家。

1.2 基坑概况

本工程大小基坑共计14个,基坑总面积约18.35万 m2,开挖深度约10.05 m～14.1 m,局部深坑最大开挖深度约17.9 m。基坑安全等级为一级,环境保护等级为二级。

基坑周边现状主要为空地,其中东侧距虹莘路约190 m,西侧距环东一路约88 m,距S20外环高速约130 m。

场地内大部分范围布有古河道,古河道区域⑤2-1层与⑦层相连。基坑不满足微承压水的稳定要求,⑦2层与⑤2-1,⑤2-2或⑤2-3层连通的局部区域存在承压水突涌风险。基底主要位于砂质粉土③2层中[3-4]。

1.3 水文地质概况

潜水:稳定水位埋深在0.60 m～1.10 m之间,稳定水位标高在3.19 m～3.99 m之间。

微承压水:⑤2-1,⑤2-2,⑤2-3层属微承压水含水层;实测⑤2-1层水位埋深为3.60 m左右。

承压水:⑦1及⑦2层属承压水含水层;⑦1层承压水水位埋深为4.65 m～4.74 m之间。

2 关键技术分析

2.1 基坑工程群基坑概况分析

2.1.1 基坑设计概况

基坑安全等级为一级,环境保护等级为三级。将基坑分区为12个(详见图1),1号—9号分坑面积约17 650 m2～22 000 m2,10号—12号分坑面积较小,各基坑开挖面积和分布详见基坑分坑图。分坑开挖顺序为一阶段四角4个分坑(1号、3号、7号、9号分坑)和中部5号坑同步开挖→二阶段开挖四边中部4个分坑(2号、4号、6号、8号分坑)同步开挖→三阶段开挖10号、11号、12号分坑及连通道1,2。

本工程基坑周边围护结构采用0.8 m厚的地下墙,场地内部围护采用φ1 000 mm钻孔灌注桩+φ850 mm三轴搅拌桩,场地内各分坑之间的中间临时分隔墙采用φ1 000 mm钻孔灌注桩+外侧φ850 mm三轴搅拌桩和内侧φ800 mm旋喷桩止水帷幕(相对于先开挖基坑),竖向设三道钢筋混凝土水平支撑。其中11号分区和东兰路下中间的两个连通道开挖深度10.05 m,坑内设两道钢筋混凝土支撑。基坑周边地下墙深度加深至36 m或42 m,分隔墙止水搅拌桩和旋喷桩深度缩短至坑底以下7 m。

设计的整体思路为利用小基坑(10号、11号、12号基坑及连通道1,2)隔开原大基坑,以确保一、二阶段基坑开挖的相对独立性,小基坑放在三阶段开挖,不处于关键路线,不影响整体工期,以实现9个大基坑能够在两阶段内实施。

2.1.2 分析

综合各方面因素考虑并结合基坑设计方案的分析,对图纸的学习以及和设计师的沟通,总结出以下几点:

1)基坑工程群的施工需要分先后顺序进行,大面积开挖和泄土存在较大风险,不适合上海地区的地质情况。

2)同时开挖的基坑尽量保持2倍挖深范围,这对周边基坑的影响是处于较为可控范围内。倘若对角基坑相邻较近,则会造成基坑角部的支撑受力比较复杂,受力分析比较困难。

3)尽管周边环境较为简单,理论设计上采用排桩作为围护即可,但是涉及群坑施工,相互影响较大,外围一圈围护仍需提高,采用地下连续墙更为安全。

2.2 基坑工程群施工方案分析

2.2.1 栈桥布置方案对比

栈桥的布置体现不同的施工组织思路,影响栈桥布置的因素常见的有施工大门位置、土方开挖顺序、基坑大小、交通组织等。

1)一标段:“艹”型栈桥。该标段的栈桥布置基本全部采用“艹”型(见图2上三个地块),该标段外围一圈均有施工便道,可实现道路环通,因此栈桥布置偏节约。分坑之间(东西向)未联通,主要以南北向栈桥将南北的道路联通,可满足现场施工及交通组织要求。

2)二标段:多坑统筹考虑。该标段栈桥布置比较富裕(见图2中间三个地块)。标段周边南侧是没有施工便道的,因此南北向栈桥均未到南面端头。由于东西向栈桥仅北侧道路,所以将基坑中间的栈桥实现东西向贯通,以便于现场交通组织。在三阶段基坑开挖时,北侧的唯一施工便道会被四个小基坑断开,因此在小基坑上布置栈桥,以弥补现场无法进行交通组织的缺陷。

3)三标段:“H”型栈桥。该标段的栈桥布置基本全部采用“H”型(见图2下三个地块)。和二标段相反,该标段北侧是没有施工道路的,因此在栈桥布置时考虑将北侧栈桥联通,而且比较有利的是,该栈桥位于上部主楼结构外,在上部结构施工时可保留利用。基坑中布置较少的东西向栈桥,主要以南北流向进行交通组织。值得注意的是,10号基坑经过优化后,采用盖挖法,10号基坑支撑栈桥可节省(详见后文2.2.4节)。

在工程实际开展过程中,栈桥并非越多越好,布置较多的栈桥在土方开挖时,对挖机的操作空间限制还是比较多的,因此在考虑栈桥布置需要进行多因素的考虑,要全面考虑实用性、经济性和适用性。

2.2.2 群坑施工顺序及相互制约条件

1)一阶段基坑开挖。开挖范围:开挖1号、3号、5号、7号、9号共五个基坑。

相互关系:各基坑间挖土方案及时序相互独立,互不影响。在1号、3号、5号、7号、9号分坑同步开挖中,需贯彻5号坑先挖一步,其余四个坑同时跟上的原则展开。

开挖前置条件:除常规单独基坑开挖前置条件外,另外需要满足外围地墙(所有基坑的)全部施工完毕,该坑第一道圈梁延伸至隔壁基坑10 m以上,且施工完成。

2)二阶段基坑开挖。开挖范围:开挖2号、4号、6号、8号共四个基坑。

相互关系:4号、6号、8号基坑土方同时开挖高度要求相差不超过一道支撑。2号坑与4号、6号、8号坑、4号坑与6号坑挖土方案及时序互相独立,互不影响。

开挖前置条件:除常规单独基坑开挖前置条件外,另外需要满足前一阶段相邻基坑顶板(地下2层顶板并达到设计强度)浇筑完成,且换撑牛腿完成并达到强度的80%。

3)三阶段基坑开挖。开挖范围:开挖10号、11号、12号及连通道1,2基坑。

相互关系:挖土方案及时序互相独立,互不影响。

开挖前置条件:前一阶段相邻基坑顶板(地下2层顶板并达到设计强度)浇筑完成,且换撑牛腿完成并达到强度的80%。

2.2.3 围护、降水施工技术点

本工程地质条件较为复杂,对围护降水作业要求高。

1)根据地勘报告,场地内杂填土局部厚度较大,局部地段有暗浜分布,地质土层多为粉性及砂性土,且由于古河道影响,场地内不同区域地质条件差异较大,因此对杂填土较厚和暗浜部位进行标识,必要时进行换填土。

2)施工前,做好试成孔,确定工艺参数后再开展大面施工。

3)降水作业中关注承压水头变化,提前做好古河道区域承压水突涌应对预案。

4)减压井保证一定的有效过滤器深度,⑦层减压井不进入⑦2层,并做到“按需减压”。

5)降水施工过程中,除了关注单个基坑的降压需求,相邻基坑的降压也会互相影响。因此在实际施工过程中,如果采用同一家降水单位对群坑降水进行优化,会减少降水工程的造价。而本工程的降水方案为一家专业单位进行实施,可从基坑工程群的全局安全进行考虑和日常管控。

6)后施工的工程桩破坏的三轴止水帷幕的止水效果技术处理考虑:

标段间,工程桩由后开挖基坑施工方施工,三轴搅拌桩由先开挖基坑施工方施工(见图3)。故需要采取措施,先施工三轴搅拌桩,5 d内移交工作面由后施工方施工工程桩,工程桩上部回填,再移交先施工方补两个高压旋喷桩进行止水加固。

7)施工界面及施工先后顺序影响围护的完整性,尤其是转角处施工,影响安全性,因此对界面的策划(如图4所示)、分工以及先后施工顺序和时间间隔极其重要。

2.2.4 土方开挖技术措施

土方开挖根据“时空效应”的原则,分层分块盆式开挖,预留坑边土体护坡,减少围护体无支撑状态的暴露时间,并对称、平衡开挖形成支撑[5]。

基坑边30 m左右为坑边留土,其余中间为盆中土,盆中土首先开挖栈桥两侧的土方,随后小挖机下基坑开挖栈桥底部土方,待盆中区域的支撑形成后再开挖盆边留土,形成对撑。

专人指挥挖土,严禁超挖,基坑开挖时机械挖土宁浅勿深,并经常复测坑底标高。基底土层最后200 mm～300 mm采用人工扦土,确保基底表面平整、垫层厚度均匀。最后一层土方从分块开挖到垫层浇筑完毕必须控制在24 h内,随挖随浇垫层,各分块垫层面积应控制在200 m2内。

局部落深坑开挖工况:局部落深坑必须待周边普挖区的垫层形成后,方可进行落深坑的开挖。落深坑开挖完成后,要及时形成边坡及坑底垫层,减少基坑底部暴露时间。

2.2.5 盖挖法技术措施

1)方案概述。10号基坑采用盖挖法施工基坑,在B1层顶板(即地下室顶板)盖挖法施工时,同时拆除地下室顶板区域围护排桩,将5号、7号、8号、9号基坑地下室顶板直接连通,利用消防车道下结构顶板作为场内施工道路,盘活地上结构阶段交通组织,减少后期拆除与再连通的施工难度。具体施工步骤:

a.第一步:开挖第一层土方至-7.600 m标高,施工10号坑地下室顶板(水平向结构),与相邻坑顶板连接。

b.第二步:顶板强度达到80%后,施工格构柱间剪刀撑,开挖土方至底板垫层底,再施工底板与相邻坑底板连接。

c.第三步:按照顺作法施工地下三层结构与相邻坑梁板连接,楼板达到设计强度80%后拆除柱间支撑。

d.第四步:补全地下二层竖向结构(与顶板相连)及运输口位置梁板等结构。

2)通风排气。为保证10号基坑土方顺利开挖,施工前应查明地下有毒、有害气体的分布情况,需要确保基坑的通风。

10号基坑内空气量为66 604 m3,按照每日三次的换气次数,取漏风系数为1.1,计算得到换气量为9 158 m3/h,加通风机的备用风量得到最终通风量为13 737 m3/h。因此采用CBF500轴流风机,其换气量为5 700 m3/h,布置三台在现场出土口位置。

3)混凝土浇筑措施。框架柱的中间利用钢管预留混凝土浇捣孔,浇捣孔径大小为100 mm,每个框架柱浇捣孔数量为4个,呈对角布置,钢管标高应低于板标高3 mm,保证钢管不遭到锈蚀。现场浇筑施工时通过预留钢管浇捣孔浇筑混凝土。模板中部设置临时浇捣口。

柱、墙水平施工缝留置距梁底下1.3 m。施工缝处预留10d长度的钢筋以及半数钢筋35d的错接长度。钢筋为套丝加工完成的钢筋以便日后竖向结构进行机械连接,施工完成后对钢筋端部进行成品保护措施以保证套丝部分的完整性。预留柱钢筋弯错部分与梁筋焊接固定,下部预留的10d长度柱筋通过与多肢箍焊接形成整体并通过箍筋与梁焊接对柱筋进行定位,保证柱筋位移在规范合理范围内。

3 施工数据分析及措施

3.1 围护测斜变形规律

围护桩测斜数据能较直观地表现基坑施工中变形规律,是施工过程中关注较多的监测数据之一,也能够从中总结一些变形规律。选取其中测点CX67,CX69,CX77,CX113进行曲线绘制(详见图5—图9)。

通过对变形曲线的分析,可得出以下结论:

1)二阶段基坑开挖卸载时,围护回弹速率较一阶段的围护变形速率要快,和围护往相反方向变形有关,可以与钢筋的疲劳变形类比,在施工过程中应重点关注。

2)二阶段基坑开挖时,围护变形略有起伏,整体向二阶段基坑内变形,一方面与三层土开挖的周期较长有关,另一方面是二阶段基坑变形的一个规律。

3)从图8,图9中可以体现,二阶段基坑在二层土方开挖的过程中,围护的变形较为不稳定,尤其是首道支撑处,会给基坑带来一定的风险。

4)从图8,图9中可以体现,二阶段基坑在四层土方开挖过程中,围护的变形朝向一阶段基坑,与二阶段基坑底卸载有关。

3.2 围护变形注意点

从上述变形规律的最后一点中,二阶段基坑在最后一皮土方开挖过程中向一阶段基坑变形,以8号坑为例,四阶段土方开挖时,围护在四层土方开挖时向7号、9号基坑变形,8号基坑支撑的轴力就会变小,有脱落的风险。实际基坑变形数据反映,该阶段的支撑轴力的确变小;从现场实际的基坑情况,围檩和排桩之间出现了缝隙(详见图10,图11),存在一定的安全隐患[6-9]。

4 结语

通过工程案例的浅要分析,总结出了大型深基坑工程群施工技术控制点以及注意事项,包括基坑设计分析、栈桥方案对比、围护降水施工技术点、土方开挖技术点以及监测数据的分析总结等关键技术点。同时,还总结提出了一些实用的施工技术和经验,如合理安排施工顺序、采用合适的开挖方法和支护方式等。这些技术和经验对于提高大型深基坑工程群的施工质量和安全具有重要意义,对后续类似工程的施工提供一些借鉴,主要体现在以下几点:

1)充分理解设计意图,全方位分析基坑设计,可以更好地把握基坑工程群施工过程中的把控要点,更好地提高工程的稳定性和耐久性。如设计时较难计算的转角部位,评审专家要求提高的地墙设计等,需要在施工过程中投入更多精力管控。

2)通过合理的施工顺序和施工协同,可以最大限度地减少重复劳动和浪费,降低工程成本。栈桥的不同布置方式需要根据工程特点进行决定,方案的选择尤其重要;逆作法和顺作法的合理利用、相互结合,会对工程群的施工起到出乎意料的支撑效果。

3)保障施工安全深基坑工程施工过程中存在多种安全隐患,如土方坍塌、地下水涌入等。工程群的施工尤其需要关注围护、降水施工对相邻基坑的影响,交叉节点部位的止水效果以及围护桩的施工先后顺序均是基坑安全控制的关键点。

4)基坑围护变形作为传统的监测手段,在基坑工程群的施工过程中更应该加强运用,关注前后阶段共用围护的变形特点,是基坑工程群施工中的一个容易忽视的点,需要更加关注,例如二阶段基坑围护朝向基坑外的变形趋势。

促进城市建设可持续发展随着城市化进程的加速,城市地下空间资源越来越宝贵。深基坑工程群施工技术的应用可以最大限度地减少对城市环境的影响,促进城市建设的可持续发展。