超大臨邊局部逆作法關(guān)鍵施工技術(shù)分析

李娃娃，楊皓東，，朱學(xué)忠

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥建工集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

逆作法因具有適用復(fù)雜施工環(huán)境、支護(hù)安全系數(shù)高、工期短等優(yōu)勢(shì)被越來(lái)越多應(yīng)用于城市建筑中，但也存在施工難度大，土方暗挖困難等缺點(diǎn)[1]。因此往往需要根據(jù)工程特征結(jié)合順作優(yōu)勢(shì)對(duì)逆作法進(jìn)行調(diào)整，以滿足工程安全、經(jīng)濟(jì)、工期、環(huán)保等方面要求[2，3]。本文在合肥一超大基坑工程設(shè)計(jì)中，因基坑處于硬質(zhì)粘土層，創(chuàng)新采用排樁圍護(hù)大面積順作、局部逆作的施工方法，取得良好成效。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為商場(chǎng)工程，地上主樓6層裙樓5層，地下兩層，負(fù)一層5.25 m，負(fù)二層3.85 m，地下室板面標(biāo)高分別為-1.35 m、-6.6 m、-10.45 m，底板厚0.7 m?；?xùn)|側(cè)離高層小區(qū)僅8.8 m施工風(fēng)險(xiǎn)大，故該處兩跨采用逆作，西側(cè)結(jié)構(gòu)順作(圖1)。逆作區(qū)為19-21軸交A-Y軸區(qū)域基坑長(zhǎng)194 m,寬22.8 m，其中19-20軸交L-Y軸為裙樓區(qū)域采用上下同步逆作，剩余逆作區(qū)為純地下室區(qū)域采用單向逆作，即僅地下室結(jié)構(gòu)逆作。

圖1 基坑平面圖

1.2 工程中的重難點(diǎn)

(1)基坑?xùn)|側(cè)34層建筑對(duì)基坑側(cè)向土壓力較大，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求高，圍護(hù)樁頂累計(jì)最大位移需控制在20 mm以內(nèi)，支護(hù)難度大。

(2)逆作區(qū)地下室頂板東西向僅9 m，預(yù)留取土口狹小且距圍護(hù)結(jié)構(gòu)較近，挖運(yùn)條件苛刻。

(3)工程格構(gòu)柱15.8 m(導(dǎo)柱2 m)、鋼筋籠25 m長(zhǎng)細(xì)比較大，作為施工全過(guò)程豎向支撐構(gòu)件，如何控制格構(gòu)柱垂直度、標(biāo)高、扭轉(zhuǎn)等為逆作法中重點(diǎn)。

(4)永臨結(jié)合鋼梁支撐作為逆作法基坑支護(hù)的關(guān)鍵傳力構(gòu)件，其承載能力、長(zhǎng)細(xì)比等關(guān)系工程的安全，且在永臨轉(zhuǎn)換時(shí)需對(duì)其節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，確保傳力及防水要求。

2 支護(hù)方案

因開(kāi)挖范圍處于硬塑性粘土中，且承壓水離開(kāi)挖面較深，綜合考慮地質(zhì)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)性、地區(qū)施工慣例，逆作圍護(hù)采用“樁墻分離”方式，三排φ1 000 mm@1 800 mm灌注樁作為臨時(shí)圍護(hù)，順作400 mm剪力墻作永久外墻，樁墻間距1.2 m。樁長(zhǎng)分別為21 m、28.65 m、21 m，樁間通過(guò)1 000×800@1 800 mm連梁及800×1 000 mm冠梁和600×1 000 mm圍檁相連(圖2)。

圖2 基坑支護(hù)圖

水平支撐采用兩層地下室梁板結(jié)合剛度較大的鋼支撐[4]和底板與600×700的C25混凝土傳力帶，在施工階段共同對(duì)圍護(hù)樁形成有效支撐。于單向逆作、同步逆作區(qū)分別采用規(guī)格為460 mm、500 mm方格構(gòu)柱+φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25 m持力層為中風(fēng)化泥巖，組成豎向支撐體系。型鋼梁、格構(gòu)柱在施工階段作為臨時(shí)支撐，后期外包鋼筋混凝土作為結(jié)構(gòu)柱、支撐梁。

3 施工流程及施工工況

3.1 施工流程

臨邊局部逆作法施工流程如圖3所示。

圖3 施工流程圖

3.2 施工工況

逆作區(qū)施工主要分為5個(gè)工況。

工況一：土方挖至負(fù)一層頂梁板底15 cm,施工負(fù)一層頂梁板、鋼支撐。

工況二：土方挖至負(fù)二層頂梁板下1.5 m。

工況三：施工負(fù)二層頂梁板、鋼支撐，上部施工至正一層。

工況四：土方挖至底板下100 mm(最不利工況)。

工況五：施工墊層、底板、傳力帶，上部施工至負(fù)二層。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 土方挖運(yùn)及梁板工程

4.1.1 基坑分區(qū)施工

暗挖土方約34 000 m3均為鄰邊土，遂土方開(kāi)挖須有針對(duì)性方案。根據(jù)“平衡、對(duì)稱，早撐”的原則，共分為5個(gè)區(qū)(圖4)，采用“分區(qū)、分層”[5]的開(kāi)挖形式，由中部向兩邊推進(jìn)，避免基坑過(guò)長(zhǎng)中部基坑變形過(guò)大影響工程安全。根據(jù)土方量及流水分區(qū)共在北、中、南處設(shè)大小為5 m×8 m，5 m×8 m，5 m×10 m三個(gè)取土口。

圖4 土方運(yùn)輸及基坑分區(qū)圖

4.1.2 土方開(kāi)挖及運(yùn)輸

開(kāi)挖方式 因①②④區(qū)處在同步逆作區(qū)，地上結(jié)構(gòu)施工后負(fù)一層頂板寬僅9 m，板上取土翻挖困難，出土效率低。故利用西側(cè)地下汽車(chē)坡道作為下坑坡道，大量土方采用板下小挖機(jī)開(kāi)挖，板上取土口作輔助，水平挖運(yùn)代替垂直挖運(yùn)，極大提高施工效率(圖5)。翻挖時(shí)分小層、小段開(kāi)挖，長(zhǎng)度為4～6 m,層深為2.5～3 m，利于控制基坑變形，格構(gòu)柱兩邊土方高差控制在1 m。

圖5 土方開(kāi)挖圖

運(yùn)輸方式 同步逆作區(qū)頂板難以形成通暢環(huán)路，故利用汽車(chē)坡道與單向逆作頂板作為通路，①②④區(qū)土方于地下完成運(yùn)輸(圖6)，經(jīng)坡道運(yùn)送至單向逆作頂板后延西側(cè)順作人防頂板(施工荷載按30 kN/m2)指定路線從西門(mén)運(yùn)出。運(yùn)送路線樓板下采用臨時(shí)支撐柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

圖6 土方挖運(yùn)實(shí)拍圖

4.1.3 梁板施工優(yōu)化措施

負(fù)一層頂梁板采用磚胎膜加支架施工(圖7)，負(fù)二層頂梁板施工考慮到采用“磚胎膜”法雖安全性高，但工期長(zhǎng)、工序多，后期磚膜剔除困難，故將負(fù)二層土開(kāi)挖面定于負(fù)二層頂板下1.5 m，采用操作便捷、環(huán)保的“短支快拆支模”技術(shù)(圖7)。梁板隨小段流水開(kāi)挖而施工，使梁板施工緊隨土方開(kāi)挖，縮短間歇時(shí)間，極大提高地下施工速度，使上下施工協(xié)同，保障工程工期及安全要求。

圖7 梁板施工實(shí)拍圖

4.2 一柱一樁

一柱一樁的施工難點(diǎn)在于鋼立柱的固定、安裝以及垂直度的控制。

4.2.1 格構(gòu)柱、鋼筋籠組合安裝固定

本工程優(yōu)化施工順序，采用“分段吊放，孔口焊接、一起入孔”的施工方式。將鋼筋籠吊放至孔口露出孔外4 m，用扁擔(dān)梁于兩道φ25加強(qiáng)箍下(滿足鋼筋籠自重要求)固定；后將格構(gòu)柱垂直起吊，用全站儀控制對(duì)心后插入鋼筋籠內(nèi)4 m誤差≤50 mm，校正架輔助吊機(jī)固定；復(fù)核扭轉(zhuǎn)、平面位置后采用鋼筋籠主筋彎起及上下間隔1 m的φ16定位鋼筋將鋼筋籠與格構(gòu)柱四面牢焊成整體，隨后一起吊放入孔(圖8)。焊縫質(zhì)量必須符合《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661-2011)規(guī)定。

4.2.2 標(biāo)高及垂直度控制

因鋼柱及鋼筋籠已焊接成一體，遂只需以格構(gòu)柱頂端設(shè)計(jì)標(biāo)高不變?cè)瓌t，控制格構(gòu)柱頂至設(shè)計(jì)標(biāo)高，用扁擔(dān)梁、對(duì)稱焊接于導(dǎo)柱上4道200×200×10立托板、調(diào)節(jié)螺栓固定(標(biāo)高允許偏差±20 mm)。

格構(gòu)柱垂直度于兩方面控制：

(1)格構(gòu)柱底定位。在鋼筋籠主筋四周隔3 m(插入段間隔1 m)焊接4個(gè)d=100 mm的滑輪，將鋼筋籠與孔壁間縫隙縮至20～30 mm供鋼骨下放、調(diào)垂，格構(gòu)柱定位鋼筋及滑輪起定位器作用，使樁心、籠心、柱心“三心重合”，格構(gòu)柱底最大偏移20～30 mm。

(2)校正架柱頂精調(diào)。因柱底初步定位，格構(gòu)柱垂直度已接近控制要求，用校正架下層調(diào)節(jié)螺栓將格構(gòu)柱對(duì)中頂死，微調(diào)上層螺栓至垂直度滿足≤1/300的控制要求。

圖8 格構(gòu)柱、鋼筋籠組合安裝固定圖

4.2.3 支承樁澆筑回填

澆筑 鋼骨調(diào)垂后，安裝澆筑平臺(tái)(獨(dú)立于校正架)并下放導(dǎo)管，導(dǎo)管離孔底50 cm注自密實(shí)C30混凝土(可不振搗)?；炷撩婷可仙?00 mm，上下抽插導(dǎo)管10次，提升高度2-3 m，做好引氣工作保證混凝土密實(shí)，導(dǎo)管埋深應(yīng)控制在2-6 m內(nèi)。

回填 澆筑至樁頂標(biāo)高，在柱內(nèi)及空孔中用細(xì)石子、粗砂進(jìn)行對(duì)稱回填，防止因逆作法施工荷載大，構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比過(guò)大，發(fā)生壓穩(wěn)破壞。施工全過(guò)程通過(guò)測(cè)斜裝置觀察格構(gòu)柱的垂直度變化及時(shí)調(diào)整，至支承樁混凝土初步達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可解除固定。

4.3 型鋼梁施工及節(jié)點(diǎn)處理

4.3.1 型鋼梁的施工

預(yù)埋件 型鋼梁同地下室各層水平梁板及圍檁一起施工，在施工邊跨梁及圍檁鋼筋時(shí)，同步施工預(yù)埋件500 mm×500 mm×14 mm鋼板結(jié)合4φ25錨固鋼筋，將埋件錨入邊梁及圍檁。

鋼梁固定 確定鋼梁安裝標(biāo)高及軸線位置后(誤差控制在5 mm內(nèi))，依據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高在邊跨柱及圍檁埋件上焊接臨時(shí)托板擱置鋼梁，在復(fù)核定位后與埋件滿焊連接。其中邊跨柱上托板采用兩道300×200×16 mm的三角牛腿，以提高鋼梁作為結(jié)構(gòu)梁時(shí)節(jié)點(diǎn)的抗剪性能。

栓釘 于鋼梁上下表面焊接φ22長(zhǎng)100@100栓釘，使鋼梁與混凝土更好的結(jié)合提高粘結(jié)力，保證支撐梁強(qiáng)度及穩(wěn)定性。

施工縫預(yù)留 水平梁板混凝土澆筑時(shí)應(yīng)將施工縫位置留在距后施工地下室外墻不大于500 mm處，減少支撐長(zhǎng)度提高支撐效果(圖9)。

圖9 型鋼梁施工及節(jié)點(diǎn)連接圖

4.3.2 型鋼梁與地下室外墻節(jié)點(diǎn)處理

外墻、暗柱內(nèi)縱橫筋通過(guò)在鋼梁翼緣、腹板上作局部開(kāi)洞穿過(guò)鋼梁。在外墻鋼筋網(wǎng)內(nèi)埋設(shè)結(jié)構(gòu)梁預(yù)留鋼筋(錨接長(zhǎng)度≥35 d)，與先澆段外包鋼筋機(jī)械連接，與地下室外墻及先施工梁板作為永久結(jié)構(gòu)澆筑成整體。割除多余支撐后，將外露墻面50 mm型鋼用500×500×100 mm的木盒包裹并澆筑C25防水混凝土，墻內(nèi)鋼梁上滿焊止水鋼板，以防止腐蝕及節(jié)點(diǎn)滲水。

4.4 結(jié)構(gòu)柱、地下室外墻施工

4.4.1 結(jié)構(gòu)柱混凝土澆筑

在結(jié)構(gòu)柱混凝土澆筑時(shí)，后澆結(jié)構(gòu)柱與先澆柱間存在施工縫，由于自重、土體沉降、混凝土收縮等因素影響易產(chǎn)生裂縫。因此采取留設(shè)“喇叭口”作澆搗口,將后澆模板高于施工縫30 cm，并在施工縫模板上預(yù)留壓漿孔，壓入微膨脹混凝土預(yù)防裂縫，隨澆筑隨在柱外用掛壁式振動(dòng)機(jī)輔助振搗使混凝土澆筑密實(shí)。如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)柱澆筑圖

4.4.2 地下室外墻混凝土澆筑及外墻回填

混凝土澆筑 地下室外墻順作，與先澆樓板、外墻間空余樓板一起施工。先施工負(fù)二層外墻，將模板高于負(fù)二層頂板50 cm，通長(zhǎng)布設(shè)止水鋼板(露出模板一半)。負(fù)一層外墻與負(fù)一層頂板施工縫，采用留設(shè)“喇叭口”處理，又該施工縫處于板、外墻節(jié)點(diǎn)處，鋼筋布置密集止水鋼板布設(shè)較難，遂將其通長(zhǎng)布置后期不剔除代替止水鋼板來(lái)解決施工縫防水問(wèn)題，且回填后不影響外觀(圖11)。

圖11 地下室外墻澆筑圖

外墻回填 地下室外墻與圍護(hù)樁間由下向上分層肥槽回填，因外墻距圍護(hù)樁僅1.2 m且考慮0.6 m寬圍檁，回填無(wú)法按設(shè)計(jì)要求分層夯實(shí)，遂用C15混凝土回填。待回填至各層型鋼梁底標(biāo)高時(shí)暫?；靥?，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度方可將鋼支撐進(jìn)行割除，以控制周邊變形沉降。

5 逆作法施工測(cè)試

5.1 鋼撐軸力測(cè)試

鋼支撐在施工全過(guò)程至關(guān)重要關(guān)系著工程安全，選取最不利小區(qū)高層對(duì)應(yīng)位置界面層4道支撐梁作為研究對(duì)象如圖1，鋼梁上布置1個(gè)應(yīng)變片，1個(gè)表面應(yīng)變計(jì)，利用應(yīng)變采集儀收集數(shù)據(jù)，測(cè)試不同工況下軸力。鋼梁支撐軸力最大設(shè)計(jì)值為1 800 kN，報(bào)警值為其70%，預(yù)警值為其85%，測(cè)試圖(圖12)。

圖12 軸力測(cè)試實(shí)拍圖

圖13 支撐軸力圖

表1 支撐軸力結(jié)果分析表

從圖13可以看出，四道梁軸力有兩處突變峰值。結(jié)合工況分析，位于峰值時(shí)間段正對(duì)應(yīng)工況二、四，負(fù)一、二層土方開(kāi)挖，軸力最大出現(xiàn)在最不利工況四。且四道鋼支撐軸力變化趨勢(shì)一致且波動(dòng)穩(wěn)定，表明支撐布置合理、受力均勻。

結(jié)合表1，僅4#支撐軸力在施工過(guò)程中略高于報(bào)警值，最大達(dá)到1 277 kN,但低于理論計(jì)算值1 494.8 kN，遠(yuǎn)低于1 800 kN設(shè)計(jì)值。在工況三、五中水平梁板、鋼撐施工后，軸力先略微下降至峰值85%后迅速下降至峰值50%，說(shuō)明梁板、鋼撐剛施工后支撐效果較小，隨著混凝土硬化支撐開(kāi)始起作用，并最終在500 kN左右趨穩(wěn)，說(shuō)明鋼支撐的工作狀態(tài)穩(wěn)定，基坑支護(hù)安全。

5.2 樁頂水平位移測(cè)試

于內(nèi)排樁頂間隔小于25 m,布設(shè)QW14-19,6個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1)。施工初始時(shí)設(shè)定一初始坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)變化計(jì)算變化量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2，可見(jiàn)最大水平位移僅10.4，且最大位移QW17位于基坑中部同任[6]研究一致，QW18于四號(hào)梁附近位移較大同軸力監(jiān)測(cè)一致，測(cè)點(diǎn)最大位移變化速率為0.8 mm/d,都遠(yuǎn)小于控制值，說(shuō)明施工對(duì)周邊環(huán)境影響較小。

表2 樁頂水平位移結(jié)果分析表

6 結(jié)束語(yǔ)

排樁圍護(hù)支護(hù)的局部逆作法于超大臨邊基坑中的應(yīng)用是合肥地區(qū)代表性案例，工程結(jié)束時(shí)，圍護(hù)樁頂最大位移僅為挖深的0.09%，遠(yuǎn)低于控制值20 mm，施工中最大支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，取得良好的施工效果。以下幾點(diǎn)可供類(lèi)似工程參考。

局部逆作施工場(chǎng)地狹，板上無(wú)法滿足取土條件時(shí)，可合理利用順作結(jié)構(gòu)或臨時(shí)下坑坡道板下挖運(yùn)代替垂直挖運(yùn)，能解決暗挖效率低，土方運(yùn)輸困難等難題。

一柱一樁鋼筋籠、格構(gòu)柱通過(guò)合理的組合一起入孔，實(shí)現(xiàn)鋼立柱快速定位、調(diào)垂，極大提高施工效率，同時(shí)解決格構(gòu)柱內(nèi)插易掛籠、柱底難對(duì)心、調(diào)垂困難等難題。

永臨鋼支撐與排樁圍護(hù)結(jié)合的逆作法案例較少，國(guó)內(nèi)龍莉波雖涉及但缺乏具體施工技術(shù)措施及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，本文對(duì)此進(jìn)行了補(bǔ)充。