軟土地基中地下結(jié)構(gòu)的整體預(yù)制安裝技術(shù)

上海外經(jīng)集團(tuán)控股有限公司 上海 200032

1 工程概況

上海某度假區(qū)城堡項(xiàng)目，在城堡正面兩側(cè)設(shè)計(jì)有2 個(gè)圓形瞭望臺(tái)，瞭望臺(tái)內(nèi)安裝了可升降的聲光塔。廣場(chǎng)表演時(shí)瞭望臺(tái)內(nèi)的聲光塔升起，為舞臺(tái)提供燈光和音響；平時(shí)聲光塔下降暗藏在瞭望臺(tái)內(nèi)，以保持城堡古樸神秘的建筑風(fēng)格。聲光塔在城堡中處于如圖1所示的虛線框位置。

圖1 城堡聲光塔示意

為使聲光塔能下降暗藏在瞭望臺(tái)內(nèi)，在瞭望臺(tái)的下方設(shè)計(jì)一個(gè)圓形深孔，聲光塔下降時(shí)燈桿可伸入孔內(nèi)。為此，該深孔的設(shè)計(jì)采用了Φ1 260 mm、壁厚20 mm的底部密封的不銹鋼筒，不銹鋼材質(zhì)選用316L型。為保護(hù)該不銹鋼筒，在不銹鋼圓筒外面又澆筑了厚200 mm、底部澆筑厚400 mm的鋼筋混凝土外殼，并與城堡地下結(jié)構(gòu)相連接，以確保該結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。不銹鋼筒深13.9 m，頂面標(biāo)高同地面標(biāo)高一致。不銹鋼筒和外裹混凝土組成的聲光塔地下結(jié)構(gòu)整體長(zhǎng)14.3 m、外徑1.7 m，如圖2所示。

圖2 聲光塔地下結(jié)構(gòu)示意

2 技術(shù)方案選擇[1,2]

由于聲光塔地下結(jié)構(gòu)周圍有大量的工程樁，且距離最近的僅1.6 m遠(yuǎn)，因此如何減少施工干擾和控制土體擾動(dòng)是施工技術(shù)的關(guān)鍵。為此，對(duì)聲光塔地下結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)行了多方案的比選，包括沉井方案、鉆孔灌注樁圍護(hù)方案、鉆孔灌注空心樁方案、整體預(yù)制安裝方案等。

沉井方案是一種較成熟的方案，但是會(huì)造成一定的水土流失。由于聲光塔的地下結(jié)構(gòu)和周圍的工程樁距離較近，如果先開(kāi)挖沉井再施工周圍的工程樁，則周圍土體因受擾動(dòng)而不穩(wěn)定；如果先施工工程樁再施工沉井，則沉井施工擾動(dòng)周圍土體會(huì)使工程樁受到側(cè)向擠壓。

鉆孔灌注樁是深基坑開(kāi)挖較常用的圍護(hù)方法，采用環(huán)形混凝土圍檁，配合兩軸攪拌樁作為止水帷幕，通過(guò)井點(diǎn)降水后進(jìn)行開(kāi)挖，對(duì)周圍土體擾動(dòng)較小，但是在本案中因?yàn)槁暪馑叵陆Y(jié)構(gòu)施工和城堡樁基及地下結(jié)構(gòu)施工存在相互干擾，該方法影響工期。

鉆孔灌注空心樁方案是把聲光塔地下結(jié)構(gòu)看成是1 根空心樁，按照鉆孔灌注樁方案進(jìn)行施工，只是在澆筑混凝土?xí)r把不銹鋼筒作為空心樁的內(nèi)模進(jìn)行澆筑，但是不銹鋼筒作為內(nèi)模在泥漿浮力作用下定位困難，更大的風(fēng)險(xiǎn)是在混凝土澆筑過(guò)程中一旦不銹鋼筒產(chǎn)生移位或變形將可能無(wú)法糾偏。

整體預(yù)制安裝方案是采用全回旋鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)下沉，然后以鋼套管作為深基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)用抓斗挖掘機(jī)在鋼套管內(nèi)挖掘土方形成干孔。將不銹鋼筒和外包裹混凝土預(yù)制成整體構(gòu)件在現(xiàn)場(chǎng)安裝，對(duì)構(gòu)件和鋼套管之間的空隙用自密實(shí)型的細(xì)石混凝土灌注充填。該方案對(duì)周圍土體擾動(dòng)小，且由于不銹鋼筒和外包裹混凝土整體構(gòu)件在工廠預(yù)制和現(xiàn)場(chǎng)安裝，因此有利于質(zhì)量控制。此外，該方法大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，減少了現(xiàn)場(chǎng)施工干擾，有利于施工進(jìn)度控制。

對(duì)上述的各個(gè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較，最終選擇整體預(yù)制安裝方案。

3 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鋼套管鉆進(jìn)法開(kāi)挖成孔

為了安裝不銹鋼混凝土組合構(gòu)件，開(kāi)挖成孔的深度除了考慮安裝構(gòu)件的長(zhǎng)度14.3 m外，還需要考慮定位裝置的厚度0.2 m和孔底封底混凝土厚度4.5 m，因此，開(kāi)挖總深度為19 m。為便于構(gòu)件的吊裝，開(kāi)挖孔壁和預(yù)制的組合構(gòu)件之間應(yīng)留一定的空隙。為此，根據(jù)對(duì)鋼套管的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性計(jì)算，選用厚20 mm、Φ1 980 mm、長(zhǎng)度為20 m的鋼套管，用全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆進(jìn)，在套管內(nèi)開(kāi)挖成孔。

3.1 孔底土體加固

如圖3所示，聲光塔位置的地層結(jié)構(gòu)主要由淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土和表層的雜填土組成，地下水位較高，僅為-0.5 m。為了防止成孔后發(fā)生底鼓和鋼套管上浮，同時(shí)起到止水作用以防止發(fā)生管涌，在鋼套管底部區(qū)域預(yù)先用水泥進(jìn)行高壓旋噴加固，即在深度-19～23 m的范圍內(nèi)和平面4 m×4 m的范圍內(nèi)，選用P.0 42.5水泥進(jìn)行高壓旋噴加固。

圖3 套管法施工深孔示意

3.2 全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)下沉

旋噴加固體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行鋼套管鉆進(jìn)施工。用RT-200型全回轉(zhuǎn)鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)下沉。鋼套管插入初期對(duì)垂直度的影響最為重要，因此，初期主要利用鋼套管自重壓入，并用經(jīng)緯儀從兩個(gè)相互垂直的方向控制鋼套管的垂直度。當(dāng)自身重力不足時(shí)，逐步加壓并旋轉(zhuǎn)鋼套管，驅(qū)動(dòng)鋼套管下沉最終進(jìn)入孔底土體加固區(qū)。

3.3 鋼套管內(nèi)開(kāi)挖和混凝土封底

鋼套管下沉就位后采用抓斗挖掘機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖，挖深如圖4所示。當(dāng)開(kāi)挖達(dá)到設(shè)計(jì)深度19 m，即開(kāi)挖孔底進(jìn)入高壓旋噴加固區(qū)1 m時(shí)，即停止開(kāi)挖。測(cè)量確認(rèn)開(kāi)挖深度后澆筑厚4.5 m的C30混凝土封底層。為了準(zhǔn)確控制預(yù)制構(gòu)件的安裝標(biāo)高，封底后孔底深度必須準(zhǔn)確控制在深14.5 m。為防止?jié)仓?，封底混凝土? 次澆筑，第1次澆筑時(shí)預(yù)留10～20 cm的厚度，第2次澆筑采用自找平混凝土，精確計(jì)算澆筑方量，準(zhǔn)確控制孔底標(biāo)高并找平孔底。最終形成了Φ1.98 m深14.5 m的圓形深孔。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工觀測(cè)，采用RT-200型全回旋鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)鋼套管旋轉(zhuǎn)下沉，并以鋼套管作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在套管內(nèi)開(kāi)挖成孔，施工噪聲小、無(wú)振動(dòng)、對(duì)周圍土體擾動(dòng)小，可以很好地保護(hù)周圍的工程樁。

圖4 鋼套管內(nèi)開(kāi)挖

4 不銹鋼筒混凝土組合構(gòu)件安裝

4.1 不銹鋼筒和外包裹鋼筋混凝土組合構(gòu)件的制作

首先按照設(shè)計(jì)要求制作不銹鋼筒，然后在外面澆筑鋼筋混凝土。為了確?；炷翝仓^(guò)程中不銹鋼筒的圓形截面形狀不變形，采用直立模具澆筑混凝土。為了防止混凝土澆筑過(guò)程中造成的不銹鋼筒上浮并控制振搗質(zhì)量，采用自下而上分段澆筑。制作完成后在混凝土外表面刷上一層黑色聚氨酯涂料提高構(gòu)件的防水和防腐性能。

4.2 不銹鋼筒組合構(gòu)件的安裝定位

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不銹鋼的垂直度偏差為任何方向上不大于0.35％，頂部和底部的定位精度為任何方向不大于50 mm。為此，制作一個(gè)混凝土圓板定位器。該圓板厚度20 cm，圓板中心位置預(yù)埋一個(gè)等邊四棱錐凸起。組合構(gòu)件吊裝前先安裝該定位器，用免棱鏡的全站儀測(cè)量定位，調(diào)整等邊四棱錐凸起在孔底的位置，使其平面位置準(zhǔn)確定位在不銹鋼筒的軸線位置。同時(shí)在預(yù)制的不銹鋼混凝土構(gòu)件的底座上預(yù)制一個(gè)和定位器上的等邊四棱錐凸起完全匹配的四棱錐凹槽。采用等邊四棱錐凸起和凹槽在孔底對(duì)構(gòu)件進(jìn)行定位，再采用千斤頂對(duì)構(gòu)件頂部平面位置和垂直度進(jìn)行調(diào)整定位。

4.3 不銹鋼筒混凝土組合構(gòu)件的吊裝

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及預(yù)制構(gòu)件的重量、外形尺寸、吊裝高度、回轉(zhuǎn)半徑和吊機(jī)性能等情況，選用2 000 kN汽車吊來(lái)吊裝不銹鋼筒混凝土預(yù)制組合構(gòu)件。

首先將不銹鋼筒混凝土預(yù)制組合構(gòu)件卸車放置在擬安裝位置附近的松土上，然后用汽車吊將構(gòu)件起吊成直立狀態(tài)。保持直立狀態(tài)緩慢移動(dòng)構(gòu)件，準(zhǔn)確定位后緩慢下降構(gòu)件進(jìn)入深孔。構(gòu)件接近孔底時(shí)，在懸空狀態(tài)下用千斤頂對(duì)構(gòu)件平面位置進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)定位，使得構(gòu)件底部的四棱形凹槽對(duì)準(zhǔn)定位器上的四棱形凸起，再緩慢下降直至構(gòu)件完全坐在定位器上。構(gòu)件底部定位坐穩(wěn)后用千斤頂對(duì)構(gòu)件頂部的平面位置進(jìn)行調(diào)整，使得不銹鋼筒頂部的中心位置處于中線上，并確保不銹鋼筒的垂直度。

4.4 空隙灌注細(xì)石混凝土

不銹鋼筒混凝土組合構(gòu)件完成吊裝定位并固定后，對(duì)于鋼套管內(nèi)的空隙采用高流動(dòng)性、無(wú)收縮、自密實(shí)細(xì)石混凝土進(jìn)行灌注充填，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后拆除固定設(shè)施進(jìn)行后續(xù)施工。

5 結(jié)語(yǔ)

和現(xiàn)澆方案相比，聲光塔的地下結(jié)構(gòu)工廠預(yù)制、整體安裝方案大大縮短了現(xiàn)場(chǎng)的施工時(shí)間，減少了現(xiàn)場(chǎng)的施工干擾，特別是有利于施工質(zhì)量控制。在人工成本越來(lái)越高的情況下，地下結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)安裝方案的經(jīng)濟(jì)效益也將日益顯現(xiàn)。因此，本文所介紹的聲光塔地下結(jié)構(gòu)工廠化預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工方法在工程質(zhì)量、工期、成本和安全管理等方面都具有優(yōu)越性，對(duì)類似地下結(jié)構(gòu)施工具有借鑒和推廣價(jià)值。