一、工程概況

1.1 引言

隨著國民經濟的飛速發展,地下空間開發已成為城市發展的熱點之一,逆作法施工在上海等其他城市建設工程中已得到大量應用。建筑深基坑逆作法是指地面以下各層梁柱、板等結構自上而下或上下同步施工,以往的逆作法施工,一般都采用以地下連續墻做圍護結構,又做地下室外墻的“二墻合一”形式,工藝較為成熟,但為了有效地降低工程投資,建設單位和設計又會在綜合考慮基坑技術經濟社會等綜合因素后,在圍護體系的設計中放棄造價昂貴的地下連續墻圍護體系,選擇更為經濟的排樁圍護體系。

1.2 工程概況

1.2.1建筑結構概況

本工程為慈溪市工業品批發市場二期(慈溪財富中心)工程,位于浙江慈溪市工業品批發市場一期南側,西靠新城大道,北臨329國道,與市行政中心隔路相望。本工程總用地面積約24339㎡,總建筑面積197856㎡,主要由五幢30層高層住宅組成,底部通過5層商業用裙房連成整體,三層地下室用于地下車庫和設備機房。建成后的財富中心將是一座集購物、休閑、娛樂、餐飲、居住、商務辦公等多項功能于一身的中心區高檔商住綜合體。

1.2.2周邊環境

工程地處慈溪市市中心,周邊環境比較復雜,東側紅線外為長春幼兒園;南側緊鄰勵家路;西側與新城大道相鄰;北側和西北側為慈溪市工業品批發市場(距離基坑最近為8m),分別為三層和四層混凝土結構;東北側為磚混二~三層的民宅。

1.2.3水文地質條件

場地地處第四紀濱海淤積平原,基坑開挖深度范圍內所涉及土層主要為1-0、1-1、2-1、2-2、2-3層土,基底設置于2-3層泥質粉質粘土中,開挖深度范圍內地基土性質總體較差,淤泥質粉質粘土強度低,易于流變,開挖時易產生蠕變和側向變形,2-1層中的粉土夾層和2-2層粉土通過局部與地表水體的聯系可能會產生較大涌水量。坑底以下的5層土為沖糊相對較硬粘性土,物理力學性質較好,宜作為圍護結構樁端嵌固層使用,7層土由7-1層中細砂、7-2層粉質粘土和7-3層粘土協力組成,9-3層為上侏羅統大爽組中風化火山沉積巖,巖性以青灰雜灰棕色、含礫凝灰質結構、巖質較硬的角礫凝灰巖為主。

二、工程難點與施工特點分析

2.1超深基坑逆作法施工采用排樁圍護體系,無類似工程經驗借鑒

本工程支護結構采用以鉆孔灌注樁+水泥土攪拌樁圍護墻,梁板為水平支撐的逆作法施工方法。目前采用鉆孔灌注樁排樁圍護的逆作法一般用于地下二層的基坑工程中,本工程是首次在地下三層的基坑中采用排樁圍護的逆作法施工工程(基坑開挖深度為13.25m),沒有類似工程案例,缺乏施工經驗。以往的逆作法施工,一般都采用以地下連續墻圍護結構并兼作地下室外墻的“兩墻合一”形式,施工工藝較為成熟。而本工程的超深基坑施工則采用鉆孔灌注樁作為圍護的擋土結構,如何解決圍護墻與外墻結構連接節點的防水及結構水平傳力是面臨的問題與難點,還需要在實踐中探索。

2.2本工程周邊環境復雜,安全文明施工要求高

本工程地處慈溪中心城區,場地西北兩側緊鄰工業品批發市場(最小距離僅8m左右),東南兩側與群豐村民宅、幼兒園及農貿市場也僅有一路之隔,本工程的基坑屬于一級基坑,環境保護要求非常高。采用逆作法確保了基坑變形相對較小,而且下部結構在頂板封閉后進行,工程施工噪音、光污染、揚塵污染等對周邊居民的影響相對比較小。通過非常嚴格的施工技術和管理措施,滿足了中心城區對安全文明施工的要求。

2.3施工場地非常狹窄,施工部署難度大

本基坑地下室外墻距圍墻較近(北側僅為2.8m),基坑外側道路無法環通,施工場地極為狹小,基本的施工設備、操作空間都很難布置,各階段的施工作業如何合理利用B0板作為車輛行走場地,因地制宜排布取土口、行車路線及材料堆場是逆作法施工平面布署的關鍵,也是充分體現逆作法工藝優越所在。

三、地下結構設計方案

3.1排樁圍護體系

3.1.1鉆孔灌注樁

圍護鉆孔灌注樁共481根,為樁徑Ф1000mm@1200鉆孔灌注樁,混凝土為水下C30。樁長基本為28m,鉆孔灌注樁鋼筋全長配置,主筋采用26Φ28HRB400級鋼筋,樁下部5m處配筋為13Φ28,混凝土強度為水下C30。

3.1.2止水帷幕

止水帷幕采用3Φ850@1200單排三軸水泥土攪拌樁,整圓套打,樁長23m。三軸攪拌樁水泥為普通硅酸鹽水泥#42.5,水泥摻量(即消耗水泥重量和被加固土體重量的百分比)20%,土體容重統一取18KN/m3,水灰比1.5。

3.1.3高壓旋噴樁和坑內加固

灌注樁和攪拌樁止水帷幕之間采用旋噴樁封閉,旋噴樁采用二重管工藝施工。旋噴樁直徑800mm,樁長約為14m。水泥摻量350kg/m。旋噴樁樁位偏差不大于50mm,垂直度偏差不大于1/200。基坑北側、西側由于承臺挖深較深以及部分電梯深坑,均采用∅800@600旋噴樁加固。

3.2水平支承體系

本工程利用主體結構B0、B1和B2板作為支護結構的第一、第二和第三道水平支撐系統。B0板為梁板結構,框架梁截面為400×700和500×1000,板厚為250mm。B1和B2板框架梁截面為400×700和250×500,板厚為150mm,混凝土強度等級為C40。

為了讓施工有足夠的作業場地,設計利用B0板在施工期間作為施工作業平臺,允許挖土機械和土方車輛在頂板上開行,但需在設計均布荷載和集中荷載的允許范圍之內,保證主體結構的安全。設計B0板荷載不大于25kN/m,土方車輛載重限額為20t。第二、三道逆作B1、B2板的施工荷載不大于2.5kN/m,施工車輛開行路線按照施工方案確定。結構設計為消防車道處可利用原結構板,其承載力滿足施工要求,其他不滿足部分則對B0板進行加固,形成挖土車輛開行回車通道。

3.3豎向支承體系

逆作施工豎向支撐構件采用“一柱一樁”(即鋼格構柱和立柱下鉆孔灌注樁),立柱的平面布置與主體結構設計相結合,位于縱橫軸線相交處,鋼格構柱截面為550×550,鋼料為Q345B,角鋼為180×180×18,立柱樁利用Φ1000工程樁,對Φ800的工程樁采用上端3m范圍擴徑的方法。立柱樁的垂直度設計要求偏差均控制在1/300以內。

四、排樁圍護超深基坑逆作法核心施工技術

4.1整體施工方案

工程采用鉆孔灌注樁+結構梁板替代水平支撐+主樓順做+裙樓逆作的施工方法,即在基坑開挖階段采用鉆孔灌注樁檔土結合外側三軸水泥土攪拌樁止水、中間高壓旋噴樁注漿作為基坑圍護體;結構梁板作為水平支撐,通過在鉆孔灌注樁和外墻首層結構設置混凝土支撐、地下層結構設置混凝土板帶撐形成水平傳力體系;一柱一樁作為基坑的豎向支撐體系,一柱一樁的鋼格構柱在順做階段外包混凝土形成永久的結構柱;裙樓地下各層水平結構采用由上而下的逆作施工方法,待大底板澆搗完成后,南北側主樓采用由下而上順做的施工方法。

4.2 施工平面布署

基坑成L字型布置,東西向最長為150多米,南北向基本為140m,為便于控制基坑暴露時間和人力、物力的翻轉流水,根據原結構后澆帶劃分共分為9個流水搭接段,其中南北側主樓順作區域作為主要取土口。

出土口根據結構設計及現場分區平均布置,應著重考慮每個取土口面積同時兼顧B0板交通組織布置。本工程利用南北側主樓及電梯井、高跨區域做為取土口,每個取土口面積基本根據柱網間距控制在8m×8m,挖土機械取土區域為600~1000m2,考慮到土層條件及挖機臂長作業半徑,取土口布置間距為25m~40m。

由于場地狹小,首層板同時作為施工車輛行走及材料堆場(施工荷載按2.5t/m2考慮),施工道路在布置時應確保通暢并形成環路。B0板完成后設置定型化工具圍檔并標明車輛行走指示方向,對于B0板高低板差處按1:8設置混凝土坡道,西側大門降板區域則通過現澆臨時混凝土板確保周邊場地和B0板的有效連接。

上部結構開始施工后,由于西側主樓為剪力墻結構,則主要利用南側降板區域作為裙房階段主要行車路線,裙房內柱距基本為8.6m×8.6m,施工車輛按指定路線在裙房B0板上行走。

4.3井點降水施工

根據工程勘察資料及降水試驗,預計在每250平方米中需設置一口降水井。施工現場面積約為18000平方米,扣除可能土體加固位置,并考慮到降水井的損耗以及在布置降水井時需避開洞口和立柱,共在基坑內布置71口深井,本工程無需降承壓水。

在深井中用真空聚水,深井水泵抽水達到基坑降水和土體排水固結的目的,使基坑內被動土壓力增強,減少圍護墻的根部位移,為基坑開挖創造有利條件,提高降水效率,尤其是前期降水的效率,增加圍護墻內側土體側向壓力,在井管上設置上、下雙濾頭,確保降水標高達到基坑底標高0.5m以下。

4.4土方開挖

本工程采用南北主樓順作,裙樓逆作的方法進行施工。逆作法施工取土口的合理布置對挖進度來說尤為重要,在基坑土方開挖階段,利用南北側主樓開孔順作區域布置混凝土支撐做為主要取土口,并利用結構樓梯、電梯井、高跨區域共計10處作為逆作法暗挖土階段的取土口。每層土方開挖由北向南依次進行,并在南北側預留10m盆邊土,東西方向土方盆式、分塊、對稱開挖,盆邊留土按分區、分塊、對稱、平衡原則進行抽條開挖并及時澆搗混凝土墊層。

工況一:盆式放坡大開挖第一皮土。

由北向南明挖第一皮土至B0板向下1.5m(-2.15m),北側靠近商都按1:2分兩級放坡并預留10m盆邊土,盆式開挖至標高后隨即分塊澆搗混凝土墊層。

工況二:施工B0板,形成第一道支撐體系。

墊層達到一定強度后搭設1.5m短排架,施工首層B0板結構,高層區域支撐直接在墊層上進行底模鋪設,地下室外墻和圍護樁之間用混凝土支撐連接。

工況三:盆式暗挖第二皮土。

待B0板結構達到設計強度80%拆模后進行第二層土的暗挖作業,南北側的10米范圍邊坡土按1:1.5分兩級放坡至-7.1m,再根據總體流程由北向南開盆式開挖至B0板向下1.5(即-7.10m),該層土采取小挖機將土方翻運至各取土口,再由長臂挖機從取土口掏土,直接裝車運出場外,隨即進行150厚墊層施工。

工況四:施工B1板,在基坑內形成第二道支撐體系。

墊層混凝土達到一定強度后搭設短排架施工B1板及高層區域第二層砼支撐結構,板塊順序由北向南,施工順序:B1-1區→B1-9區,地下室外墻與圍護灌注樁用板帶撐連接,形成基坑內的第二道水平支撐系統。

工況五:待B1板達到設計強度80%后進行第三層土的開挖,基坑四周的10米范圍邊坡按1:1.5分兩級放坡至-10.70m,中心區域由-7.10m開挖至B2板向下1.5m(即-10.70m),澆搗150厚墊層施工。

工況六:施工B2板結構及高層區域第三層砼支撐,施工順序同樣由北向南進行,形成第三道水平支撐;

工況七:南北高層區域暗挖至底板底標高-13.25m,分區施工墊層及底板。

工況八:順做永久結構的豎向支承系統,分層拆除高層明挖區域各層支撐,并施工高層區域結構;

工況九:封閉B0臨時開洞區域,并鑿除B0、B1、B2板臨時封閉洞口;

4.5 一柱一樁調垂技術

本工程由于主體結構柱截面較小,一柱一樁垂直度控制要求較高,故采用校正架及測斜管調垂法進行垂直度調整。本系統分為兩個主要部分,一個是校正架機械調控裝置,另一個是測斜儀。

4.6節點處理技術

4.6.1梁柱節點加腋

由于框架柱截面尺寸為850×850,格構柱尺寸為550×550,框架梁鋼筋無法正常穿過格構柱,采取柱邊按1:6加腋措施進行施工。當框架梁施工在電梯井和樓梯等位置受尺寸限制而不允許進行加腋處理時,施工時可適當對格構柱角鋼或綴板作開孔處理供鋼筋穿過。

4.6.2梁高低跨加腋

由于B0板結構梁板各處高差較多,為保證結構樓板的水平傳力,采取不同標高梁高低跨加腋措施進行施工。

4.6.3倒置埋件

本工程有部分框架柱為異形柱,梁柱節點內鋼筋無法按常規1:6加腋方法順利穿過格構柱,采取柱頂設置倒置埋件的方法,倒置埋件采用Ø28鋼筋和10mm鋼板穿孔塞焊完成,在實際施工過程中得到了較好的效果。

4.6.4邊跨框架梁與圍護墻的連接

水平結構與“兩墻合一”地下連續墻等圍護墻體的連接,根據結構的實際情況主要采用鉸接接頭等形式,如預埋鋼筋接駁器和預埋鋼筋連接等形式。而水平結構與臨時圍護體的連接,常規逆作施工地下各層結構的邊跨位置須內退結構外墻一定距離,逆作施工結束后,結構外墻和相鄰的結構梁板一道澆筑,而本工程水平結構和外部圍護體的連接體在各層梁板施工時一次性完成,實用性較高。

地下室外墻距離圍護樁為80cm,將每層外墻暗梁進行了加強處理,逆作施工階段,圍護和首層結構通過混凝土支撐、圍護和地下層結構通過砼板帶撐連接以傳遞水平支撐力。

4.6.5框加柱、剪力墻鋼筋連接

本工程在一柱一樁垂直度施工精度較高的前提下,采用一種全新的插筋方式,即在施工首層結構板時先預留一段向下的柱鋼筋,施工第二層結構板時,設置一根通長鋼筋,上用接駁器連接首層板的預留柱鋼筋,同時再向下預留下一層的柱鋼筋,此方法相比于傳統的逆作法插筋工藝,不僅節約了鋼筋原材料,減少了施工工序,提高了施工效率,同時也對施工質量有著明顯的提升。

由于圍護墻和結構外墻兩墻分開,逆作的施工工藝要求結構外墻只能順作施工,在外墻內退一定距離(一般L≥1.7m)沿外墻每跨設置臨時格構柱。外墻在結構層暗梁隨各層結構在逆作階段完成,并在暗梁上下20cm高度內預埋止水鋼板,待底板完成后再逐層上向順做各層外墻墻體結構。

4.6.6框架柱、剪力墻模板支設

4.7逆作法施工通風、照明技術

由于逆作施工采用從上而下的施工方法,為確保工人的正常生產和有一個良好的工作環境,為此在施工時對照明和通風要求較高。慈溪財富中心采用灌注樁擋土,梁板作為水平支撐的逆作法施工,圍護邊梁和灌注樁之間有2~3米的空擋,再加上留設的多處取土口,相比采用地下連續墻逆作法施工,整個基坑施工的環境較好。地下一層挖土和結構施工時基本可不用通風設備。當地下二層和三層挖土時,由于挖機產生的廢氣量大且距離首層樓板較高,廢氣難以排出,為此在各操作面需安裝6只大功率軸流風扇用于排風,使地下地上空氣形成對流,保持空氣新鮮,確保施工人員的身體健康。

地下施工照明采用防暴,防潮,亮度大的照明燈具,在各層樓板施工時,根據本工程柱距8.5×8.5米的條件,在每一跨內預埋PVC管,待各層樓板混凝土達到設計強度開始暗挖地下一層土方時,隨著挖土方向燈具及時跟進安裝。

五、逆作法實施效果

5.1監測效果評價

在基坑開挖前,我們對圍護側向位移、墻頂水平位移及沉降進行了觀測,并在基坑外側布置建筑物、地下管線和地表沉降監測點,并根據監測單位提供的監測數據:

(1)開挖至坑底時基坑圍護體的最大水平位移值僅為23mm;

(2)周邊建筑物、管線及路面未發生任何事故,未發生任何投訴和糾紛;

5.2社會經濟效益分析

慈溪財富中心基坑采用了鉆孔灌注樁+結構梁板替代水平支撐+主樓順做+裙樓逆做的施工方法,整個工程地下三層,基坑面積達1.8萬m2,整個建筑面積近20萬m2,基坑平均開挖深度約為14m。在中心城區采取逆作法施工,避免基坑卸載變形過大而導致周邊環境的破壞;利用B0板作為施工場地,克服了施工場地極其狹窄的障礙;同時相對封閉的環境下進行施工,極大程度上減少了光、塵和噪音污染對周邊環境的影響,在真正意義做到施工不擾民,取得了良好的社會效益。

慈溪財富中心工程打破了傳統采用地下連續墻施工的方法(以往排樁圍護最多使用在地下兩層結構),采用鉆孔灌注排樁作為圍護,相比地下連續墻可節約500余萬元;結構梁板代替臨時支撐,可大量減少支撐費用(本工程相比順作節約臨時支撐費用約750余萬元),同時避免了順作支撐拆除、爆破對周邊環境的影響;利用格構柱給結構起到加勁作用,從而減小結構斷面尺寸,節約直接工程費

慈溪財富中心工程采用逆作法,提高了地下工程的安全性,大大節約工程造價,縮短施工工期,有效地防止周圍建筑物沉降,實現了綠色施工,充分地體現了逆作法工藝優勢,取得了良好社會經濟效益。