逆作法在闹市区深大基坑施工中的应用

2014-09-20

建筑施工 2014年4期

上海岩土工程勘察设计研究院有限公司上海 200070

1 工程概况

拟建工程位于福建省莆田市中心城区，占地面积约8.5 万m2，总建筑面积约50 万m2，为莆田最大的城市综合体项目。该项目地上建筑为8 幢4～5 层的钢结构商业裙房、5 幢30 层高层住宅，整体设3 层地下室。基坑呈不规则的手枪形，单边最长为330 m，地下室单层面积约71 732 m2，基坑开挖深度19.6 m。

项目周边环境复杂，北侧和东侧为繁华的商业街和道路，地下室边线距离人行道6～10 m；西侧和南侧地下室外墙距离用地红线1.5～5.2 m，红线外为下磨溪（泄洪河流）。基坑周边环境如图1所示。

根据勘察报告，拟建场地属于兴化滨海相平原与剥蚀残丘过渡地貌单元，桩端持力层主要分布⑨强风化凝灰熔岩层或者⑩中风化凝灰熔岩层。

图1 基坑周边环境

2 基坑支护选型

福建莆田以往的工程一般设置1～2 层地下室，深基坑工程一般采用“排桩＋锚杆”的支护形式。对本项目而言，将近20 m的开挖深度已经超越当地以往工程经验，况且该项目地处莆田市中心黄金地段，一旦工程发生任何事故，后果不堪设想，故基坑安全和周边环境保护非常重要。基坑北侧有深10 m地下商业街，南侧和西侧存在较深河流，故锚杆方案无法施工。另一方面，由于基坑面积巨大，若采用内支撑，工程造价和工期都非常惊人，因此内支撑方案也被否决。同时，建设单位要求商业裙房尽量能提前达到销售节点以快速回笼资金，而地下车库和高层住宅的工期则可相对滞后。根据以上要求，基坑设计单位和建设单位反复协商，最终决定本项目采用逆作法施工。

3 基坑支护设计方案[1-5]

根据计算分析，本项目采用厚800 mm的地下连续墙作为深基坑的临时围护结构，并兼作地下室的永久结构外墙。地下连续墙墙身进入第⑨层强风化凝灰熔岩不小于5 m，或者进入第⑩层中风化凝灰熔岩不小于2.5 m。地下连续墙采用锁扣管接头，槽段分缝处在基坑外侧采用3 根Φ800 mm高压旋喷桩，高压旋喷桩的入土需穿透第⑧层全风化凝灰岩，以防止漏水。地下连续墙每幅槽段内设置2根注浆管进行墙趾后注浆，便以控制地下连续墙的竖向沉降。

本项目采用逆作法施工，裙楼各层地下室的结构梁板替代水平支撑，因其支撑刚度大，对水平位移的控制较为有效，同时也避免了临时支撑拆除过程中因围护墙的二次受力和二次变形而对环境造成进一步的影响。

高层住宅区域采用顺作法施工，地下室各层楼板在这些区域开洞，开洞区域设置混凝土临时支撑。考虑到将来混凝土支撑凿除比较麻烦，临时支撑设计成宽扁梁的形式，两侧预留出相应的梁板钢筋，将来这些混凝土支撑直接浇筑在地下室楼板结构里，只要不影响建筑使用功能的都无需拆撑。

本逆作施工期间通过一柱一桩来传递梁板竖向荷载（柱网间距一般为9 m×9 m）。本项目一柱一桩采用钢管混凝土柱＋冲(钻)孔灌注桩。根据上部荷载的不同，钢管采用Φ700～Φ900 mm，壁厚10～12 mm，钢管内灌注C50混凝土，钢管插入冲(钻)孔灌注桩内3 m，灌注桩Φ1 200～Φ1 800 mm。立柱桩均利用工程桩，桩端进入⑩中风化凝灰熔岩不少于1 m，以控制一柱一桩和地下结构的沉降，单桩竖向承载力特征值为5 650～16 250 kN。

4 土方开挖方案

常规逆作法土方大部分为暗挖，出土效率较低[6]。本项目利用土质条件较好的优势，充分利用放坡尽可能多明挖土方。具体方法为，在正负零楼板浇筑之前，地下连续墙周边预留2 跨（西北角土质不好的区域预留4 跨）土方不挖，其余区域均采用盆式挖土的方法直接开挖至B1层梁底，然后再依次浇筑中心岛区域的B1楼板和全部的B0层楼板。由于B1层土方大部分均为明挖，土方车直接下坑作业，出土效率非常高。B1层土方盆式开挖的工况见图2。

另外，本项目B1、B2层用作商业卖场，B3层为机械式停车库和商业的混合体，层高为5.5 m、5.2 m；在地下车库中部还设有多级自动扶梯，南北方向长约120 m，东西方向为1 跨，宽9 m。

基坑设计充分利用结构上述特点，首先对永久汽车坡道和B1层部分楼板进行结构局部加强，等B0板完全形成后，土方车通过汽车坡道直接开到B1层楼板，如图3所示。

图2 地下室B1层土方盆式开挖工况（明挖）

图3 土方车从永久汽车坡道直接到达B1层

另外，在逆作法土方开挖阶段，中部多级自动扶梯的区域楼板暂时不浇筑，充分利用土体自身的结构强度，形成一个1∶9左右的临时土坡，在土坡东西两侧的临空面采用1∶2～1∶3放坡（遇到立柱设置平台），土方车通过该临时土坡可直接再从B1层楼板到达基坑底。

采用上述结构坡道结合临时土坡，B2、B3层土方为下坑开挖，出土效率大为提高，成功克服了传统逆作法土方暗挖和垂直运输效率低的缺点。

5 实施情况

本工程一柱一桩采用冲孔灌注桩，设计要求桩端进入⑩中风化凝灰熔岩不少于1 m。桩基入岩的终孔验收条件最为关键。本工程根据桩位附近的勘探孔对桩端岩样进行初步判断，另外根据冲孔灌注桩的施工效率来判断，一般在中风化凝灰熔岩内1 h的掘进深度为5～10 cm确定为中风化凝灰熔岩。

为确保地下连续墙的施工质量，本项目采用德国进口的利勃海尔成槽机[7]。对于强风化凝灰岩以上的地层，成槽机的抓斗可轻易将其抓碎，施工效率较高；但对于中风化凝灰岩，成槽机基本不能掘进。根据试验确定以下施工方法：先采用成槽机完成强风化岩以上成槽，入中风化岩区段则改用冲孔灌注桩设备，先将基岩破碎，然后再用成槽机的抓斗清除。地下连续墙的终孔验收方法与一柱一桩类似。

项目实施过程中，东北角区域各方对中风化岩与强风化岩的鉴别争议较大，导致地下连续墙实际进入中风化岩的深度可能还不到2.5 m。坑底土方开挖后在该区域施工抗浮锚杆时，坑底垫层以下的岩石裂隙水从锚杆孔冒上来，导致地下连续墙墙趾岩体泡水出现软化现象，同时锚杆施工时间要2 个月，对基坑安全非常不利。基于这种情况，为确保基坑安全，围护设计和施工单位商量确定临边区段先浇筑基础底板，在底板上预留锚杆孔洞[8]，如图4所示，等底板达到设计强度后再施工抗浮锚杆。

图4 底板上预留锚杆孔洞

本项目从2011年年初开始施工工程桩和地下连续墙，2011年5月份开始第一皮土方开挖，并随即进行±0.00 m楼板和裙房商业上部结构的施工。由于采用逆作法上下同步施工，2012年元旦前夕裙房商铺即进行全面销售和招商（从第一皮土方开挖算只用半年时间），有效地确保了建设单位的资金链，充分体现了逆作法的优势。后由于建设单位资金原因，直到2013年6月份，本项目最后一块基础底板才浇筑完毕。

虽然基坑工程的时间跨度偏长，但地下结构的各层楼板给基坑支护结构提供了足够的抗侧移刚度，监测数据表明地下连续墙测斜最大值仅为28.8 mm，基坑外市政道路地表最大沉降量均不超过3 cm，周围地下管线最大位移为25.7 mm，有效地确保了基坑自身安全，并很好的保护了周围环境。