基于变形控制的超大直径深基坑双圆环支撑和高效开挖施工技术*

2014-09-20

建筑施工 2014年5期

上海建工七建集团有限公司上海 200050

1 工程概况

天津陆家嘴广场项目总建筑面积约为49 万m2，是一个集办公、购物娱乐为一体的超大型城市综合体。其地下工程体量巨大，为4 层地下室，建筑面积约为17 万m2。整个基坑近似梯形，面积达43 800 m2，周长946 m左右。基坑大面积开挖深度18.8 m、21.2 m，局部深坑为25.2 m。基坑支护形式采用“两墙合一”的地下连续墙加4 道双圆环钢筋混凝土桁架水平支撑，其眼镜形双圆环支撑直径分别为115 m、117 m。基坑支撑平面与剖面见图1。

2 工程特点与难点[1-4]

图1 支撑平面及剖面

（a）基坑周边环境复杂，保护要求高。工程位于天津市中心闹市区域，四周均有保护建筑，其北侧分布有清真大寺和惠灵顿国际学校，距离基坑最近为23.5 m；南侧北马路为城市主干道，距离基坑最近为15.7 m，地下管线众多；东侧为天津市长征医院用房（历史风貌建筑），距离基坑最近为14.3 m；西侧为运行中的天津市轨交1号线西北角站及其区间隧道，距基坑最近为23.43 m，其中风井距离仅为4 m。按地铁公司要求该侧围护墙深层水平位移报警值累计25.0 mm，速率3.0 mm/d。

（b）双圆环支撑形式的对称均衡挖土难度大，对基坑开挖变形控制要求高。众所周知，钢筋混凝土圆环桁架内支撑系统结构简单、形状规整、受力合理、充分利用了混凝土耐压的材料力学性质；同时利用了圆环桁架内支撑中间的无支撑空间，可以为基坑土方大开挖创造有利条件。但是，圆环支撑形式对开挖施工过程中不均匀受力极为敏感，变形控制难度大，施工过程中对支撑体系如何进行合理分块，采取对称均衡的开挖施工方法，以避免基坑周边不均匀荷载对支撑体系的不利影响而造成周边环境的过大变形。

（c）基坑工程量巨大，工期紧。整个基坑总土方量近80 万m3，平均每道钢筋混凝土水平支撑土方开挖量约为 15 ～17 万m3，每道钢筋混凝土支撑约1 万m3，底板混凝土约6.3 万m3。除第1道支撑外，业主要求在5～8月完成第2、3、4道支撑开挖与构筑，10月底完成整个底板浇筑工作。加之开挖施工期间遇中、高考，东亚运动会以及雨季降雨频繁等无法避免的客观因素，使得整个基坑开挖工期较为紧迫，因此，如何在有限时间内采取措施提高基坑开挖效率，加快进度是一大难题。

（d）施工场地狭小。由于基坑面积大，基本充满整个场地，在基坑工程施工阶段可供周转使用的场地较为狭小，对施工场地利用、交通组织造成较大困难。

3 高效开挖施工技术的应用与实践

3.1 挖土栈道与施工平台的设置

（a）为充分利用本工程基坑大直径圆环支撑形式，为快速开挖出土创造有利条件，结合以往天津地区类似深基坑工程经验以及本工程基坑开挖面以粉土、粉质黏土为主，土质较好的情况，可在圆环支撑内设置挖土栈道，作为坑内挖运土方的通道，土方车辆可由挖土栈道直接进出基坑。在经过充分降水后的开挖作业面跟随挖机挖土及时装运土方，这样可减少土方二次驳运，提高土方挖运施工工效。同时又可利用其作为地下结构施工材料入坑的运输通道或临时材料堆场。

因此，本工程基坑在2 个支撑圆环内分别设置1 座钢筋混凝土挖土栈道，每条栈道总长度约78 m，宽度分别为 12 m、14 m。栈道顶部与北侧坑外施工道路相衔接，设宽4 m过渡平台后，按照1∶8坡度向坑内延伸至底部长12 m作业平台，为便于基底土方开挖，挖土栈道的底部作业平台设置在－8.00 m（第2道支撑深度位置）。

（b）由于基坑的西、南两侧围墙距基坑较近，使得场内施工道路难以环通，对此，为便于车辆双向通行时交会、倒车与路口转弯，以及尽可能利用支撑位置开辟材料堆场的需要，从而在基坑2 个圆环之间的桁架对撑南北两侧、西北角和东南角支撑上方各设置1 个钢筋混凝土施工平台。施工平台与四周施工道路接平，以方便车辆进入。

挖土栈道与施工平台立柱除部分利用原支撑格构式钢立柱外，其余采取新增灌注桩内插格构式钢柱形式，板面结构采用钢筋混凝土梁板结构。

挖土栈道与施工平台平面布置见图2，挖土栈道剖面见图3。

图2 挖土栈道与施工平台平面布置

图3 挖土栈道剖面示意

3.2 基坑开挖施工技术

（a）根据双圆环支撑形式与特点，整个基坑土方开挖依照“分层、分块、对称、均衡”原则以及先四周后中间的岛式开挖方式进行施工，并确保每层土方开挖时上道环撑和围护结构体系逐步均匀受力。

（b）按照支撑系统的竖向布置，整个基坑分5 层进行土方开挖。除第1层土方开挖施工第1道支撑外，其余每层开挖均先行开挖，支撑下方范围土方并快速形成相应区域支撑，然后，开挖环内中心岛区域土方，包括第5层基底开挖，同样由四周向环内中心岛区域开挖，如图4所示。这样开挖一方面有利于每层开挖土方均从大圆环内中心岛区域挖土栈道顺利运出；另一方面，先开挖构筑支撑，再开挖环内中心岛区域土方，使混凝土支撑养护尽可能不占工期，并使整个土方开挖可以连续进行[5]。

图4 基坑岛式开挖竖向分层示意

（c）对于每道支撑区域开挖的平面分块，则按照“先角后边”，“环境保护低的先挖，环境保护高的后挖”的施工原则，平面上分成基本对称的15 个小块，如图5所示，其开挖顺序为：①→②→③→④→⑤→⑥。这一过程着重考虑邻近轨交1号线车站的西侧变形控制要求高，从而对这一侧区域分4 小块进行开挖。

图5 每道支撑对称分块开挖示意

开挖过程中尽可能做到对称、均衡，使上道支撑受力均匀[6]。同时，充分利用时空效应，控制挖土节奏，后一块开挖必须在前一块垫层浇筑完毕、支撑梁钢筋基本完成方可开始，而每一块开挖后必须在72 h内完成支撑浇筑。

（d）第4道支撑以下基底土方开挖则结合底板分块，在结合设计后浇带的基础上，采取适当设置施工缝的方式分块开挖，分块形成底板，如图6所示。这一过程着重考虑西侧与东侧变形控制要求高的特点，集中资源配置抓紧将东、西两侧底板分小开挖与限时浇筑完成。整个底板开挖施工流向为：基坑4 个角部→基坑东、西两侧→基坑北侧→基坑中部→基坑南侧→环内中心岛区域。

图6 基底开挖分块与底板浇筑分块示意

（e）在底板土方开挖前，对圆环内土坡平台进行修整，在西侧形成一个顺时针的螺旋坡道，东侧形成一个逆时针的螺旋坡道，见图7。坡道的底标高与第4道支撑面平，顶部与栈道末端－8.00 m作业平台接平[7]。底板结构施工随坡道区域逐步开挖缩小逐步跟进。

图7 基底开挖实景

（f）土方开挖始终采用连续搭接施工。按照施工进度，每道支撑开挖与浇筑施工需在40 d之内（含支撑养护时间）完成。由于每道支撑均分块形成，最后一块支撑施工时间与第1块支撑间隔较长。在下一层土方开挖前，圆环受力体系尚未完全形成[8]。为加快施工进度，在最后一块混凝土支撑浇筑完毕后达到一定强度（未达到设计强度）时，即着手开挖下一道支撑土方，组织搭接施工主要考虑以下因素，见图8。

图8 支撑分块开挖平面示意

首先，⑥区中心岛区域预留土方随下道支撑施工逐步开挖卸载，对环形支撑受力不会产生影响；其次，两圆环支撑中部的对撑部位（①块阴影部位）可以率先开挖，由于南北两侧被动土的存在，可以使圆环基本上不受水平力；再有，整体基坑4 个角部分布大量角撑（①、②块阴影部位），先开挖该部分土方，大部分水平荷载可以直接传递至地下连续墙上，而对环形支撑影响较少。