明挖顺作法在多层支撑体系深基坑中的优化与改进

(北京韩建水利水电工程有限公司，北京 102488)

1 工程概况

北京房山良乡组团北部地区位于房山新城良乡组团中心区，是房山区政府所在地，全区的政治、文化、商贸中心。在近年的强降雨中，区域内出现多处积水点，给周边居民的生活带来极大的不便，本次工程的主要任务是：提升良乡组团北部地区府前广场及良乡体育场周边区域排水及内涝防治标准，解决区域标准内降雨积水问题。

该工程的主要建设内容为：良乡体育场泵站、泵站周边雨水管线工程等。其中该体育场泵站水池是工程的重点与难点。该泵站设计为矩形水池结构，东、西两侧通过箱涵与格栅间进行连接，泵站水池长49.5m，宽37.7m，四周采用地下连续墙做永久支护(前期作支护,后期作为池壁的一部分),墙深23m，开挖深13m,中间设28根灌注桩立柱，泵站采用5台水泵进行抽水。为保证水池开挖，泵站水池采用两层混凝土支撑梁进行临时支撑。

2 施工技术难点和重点

房山区体育场积水点治理为防洪排涝工程，对工期要求非常高，必须在下一个度汛期前具备蓄水排涝功能，否则一旦发生暴雨将严重危及房山区良乡镇安全。因此，如何在一个汛期内完成泵站水池及配套设施的施工是该工程的重点。

该工程泵站抽水水池设计开挖最大深度13m，属于一级深基坑。水池四壁采用0.6m 与0.8m(水泵安装侧)两种地下连续墙及墙外部分高压旋喷止水桩(墙体单元槽段接头处)的外支护结构，水池内部设计28根桩柱(下部灌注桩、上部钢格构),通过两层钢筋混凝土水平支撑将地下连续墙与钢格构连接形成水池开挖临时整体支护体系，如图1所示。

该工程仅从地质条件、地下连续墙施工、高压旋喷止水桩、灌注桩施工、开挖方法及支撑施工等均为普通工艺，施工先例较多，并不复杂。但在面积仅有1866m2、每层(两层)多达78根长6m的支撑梁、28根直径0.8m的钢格构柱的一级深基坑水池内，这种设计结构形式还是很少见的。如何在这种高密集的支撑体系下保证施工质量与进度是该工程的施工技术难点。

图1 格构柱及水平支撑梁平面布置 (单位:m)

3 实施方法及其局限性

3.1 土方开挖及局限性

该工程土方开挖采用常规的明挖顺作法。开挖时，在如上图1所示两个相对较大的“三角区”停放挖掘机进行开挖作业。第一层开挖采用普通挖掘机配翻斗车挖运。第二层开挖采用上部长臂挖掘机与下部小挖掘机接力挖运。此工法在浅层基坑施工中运用较为普遍与成熟，但对本工程施工却有很大局限性，导致工程土方施工进度缓慢。主要原因有：

ⓐ泵站水池占地面积1866m2，开挖总土方量约2万m3，分两次开挖，底层开挖深度达13m，远超过此工法常规施工深度。

ⓑ泵站水池四周支护形式为钢筋混凝土防渗墙+高压旋喷止水桩，支护结构无论从防渗性还是稳定性上很牢固、安全。设计为保证开挖时四周支护的不变形，两层内支撑设计布置的较为密集，既有角撑又有水平直撑，仅支撑梁与灌注桩截面的面积就约占水池面积的1/3，只有中间两处空档具备开挖作业面，其他部位的土渣只能采取小挖掘机在支撑梁下面倒运。在频繁的倒运过程中，极易碰到梁、柱，因此开挖效率低，严重影响工期，尤其是开挖第二层土方时，因深度达13m，一般长臂挖掘机难以达到此深度，开挖难度更大，效率更低。

ⓒ为保证支撑梁及上部车辆的安全，每层土方开挖必须在支撑梁混凝土达到90%的强度后才能开挖，严重占压直线工期。

因此，该工程土方开挖在有限的水池空间内，受结构形式的制约，很难找到更好的实施办法。

3.2 格构柱施工及局限性

该工程格构柱设计为钢格构柱，池底板以下为灌注桩，底板以上为钢格构，施工中钢格构与灌注桩一并浇筑到池顶。在格构柱二次衬砌时，再将外部包裹混凝土以及水平支撑钢筋穿过格构柱处内部混凝土凿掉，进行布筋、立模、浇筑。常规地下基础钢格构柱下部为灌注桩，上部为空心钢格构，混凝土浇筑时只需浇筑到钢格构底部。两种钢格构柱对比如图2、图3所示。

图2 空心钢格构柱

图3 混凝土实心钢格构柱

这种格构柱设计形式，其设计旨意是为增加格构住上部刚度，但在实际施工中，却存在以下两点局限性：

ⓐ进行水平支撑梁施工时，首先必须将格构柱外部包裹的素混凝土剔凿掉，如采取机械(炮锤)剔凿，因机械震动会对格构柱本身质量产生影响，如人工剔凿虽然影响较小，但因混凝土强度高，且高空作业，施工效率低，严重影响工期。其次，为保证支撑梁钢筋穿过格构柱，还需对格构柱内部混凝土进行剔凿，施工难度增大，且直接影响格构柱整体强度。常规格构柱因内外无混凝土，不存在这个问题。该工程中为保证水平支撑梁钢筋穿过格构柱，采取“水钻”钻孔将内部混凝土剔凿图，如图4所示。

图4 格构柱穿钢筋”水钻”孔

ⓑ钢格构尺寸460mm×460mm的方柱，二衬后为直径800mm的圆柱，两者之间间隙最小为75mm，最大仅为170mm，且方柱与圆柱之间还需绑扎钢筋、预留钢筋保护层，对前期灌注桩、钢格构施工的垂直度以及二衬混凝土浇筑带来极大难度。

4 优化与改进建议

ⓐ针对有限地下空间深基坑开挖，应结合地质条件、地下水位的情况、季节施工等特点，在保证安全的前提下，本着安全、经济、合理、高效的原则设计基坑内支撑体系。

该工程泵站水池四周本身设计为钢筋混凝土防渗墙，墙内每幅槽段接头为通长大“工”字钢结构。外支护从强度、刚度、防渗上安全性很高，再考虑所处位置地质条件相对较好，地下水位也较低，而且施工期在非汛期。因此，可减少两层水平支撑梁的数量，甚至在经过计算安全的前提下取消第二道水平支撑体系，或者将钢筋混凝土支撑梁改为钢支撑梁，这些设计方案的优化不仅能大大节约成本，而且能节省工期。

ⓑ结构的设计不仅仅要保证安全、稳定，还要考虑施工的合理性与实操性。

该工程格构柱的设计突破常规，采用在钢格构中充填高强度混凝土，看似钢格构柱稳定性提高，但为后续施工带来极大困难。建议还是按照常规设计进行设计，如确需提高钢格构的整体刚度与强度，可以从材质上优化，将钢格构四肢角钢加大、加厚来达到目的。

5 结 语

综上所述，采用明挖顺作法在多层支撑体系深基坑中施工时，施工的质量与进度主要受制于水平支撑体系的结构形式，如施工前在保证安全的前提下，从设计上或施工方案上对支撑结构进行合理优化，将会在施工中事半功倍。