场地及空域受限的深基坑施工技术研究

2021-12-10褚人猛

铁道建筑技术 2021年11期

褚人猛

(中铁十六局集团第一工程有限公司北京 101300)

1 引言

在深基坑工程的实践中，对于基坑变形控制多数以施工过程监测[1]及围护结构设计[2－3]自身为主要手段，除了个别工程采用分期开挖[4]控制基坑变形外，以开挖工艺控制基坑变形的工程少之又少。李清、姚志安[5－6]等人通过对基坑支护结构的研究，论证了以砼支撑与钢支撑相结合的益处；南学飞等[7]研究了深基坑结构合理分块对周边建筑物的影响；喻卫华、张具寿[8－9]等人提出了不良土质条件下，设计需加强的理论；石怀远、赵祥允[10－11]等人提出了基坑支护结构与开挖方法相适应的深基坑施工技术；卞少帅等[12]对大跨度基坑结构施工满堂架进行了研究分析，提出了满堂架代替换撑的理论。

本文以穗莞深城际轨道深圳机场站为依托，阐述了在场地及空域受限、周边建筑物环境保护要求高、地质条件差等诸多不利条件下的深基坑施工技术，为今后类似工程提供参考。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程概况

穗莞深城际轨道交通线是经国务院批准的珠江三角城际轨道交通网主轴线之一，也是广东省首个由省主导的城际轨道交通建设项目，全长86.62 km，总投资196.9亿元。全程运行时间60 min，速度目标值为140 km/h。深圳机场站位于深圳市宝安机场T3航站楼西侧，领航五路及领航四路人行道下，车站东侧为T3航站楼高架桥，西侧为机场驻场单位、办公区、能源中心等，工程总体平面布置如图1所示。

图1 车站总体平面布置

车站基坑长约912 m，标准段基坑宽度为23.34 m，有效站台中心里程处基坑深度为19.9 m；南端头井基坑宽度为30.16 m，深度为23.34 m；北端头井基坑宽度为30.16 m，深度为22.75 m，基坑安全等级为一级。车站为地下双层岛式车站，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，采用明挖顺作法，基坑围护结构采用地连墙＋内支撑的支护方式。该基坑单侧近接超大荷载单体，工程明挖段存在4组蓄冷罐，每组总重为14 500 t，距离地连墙最近处仅2 m，附近车流量较大，沿着主干道两侧布置有大量的地下电缆、管线等设施。

工程区域主要为滨海堆积平原地貌，后成为深圳宝安机场扩建区，现场址为机场出场路。本场地地表普遍分布人工填土，其构成主要有淤泥质黏土、砂性土以及碎石块等三种成分，其土层含水量普遍偏大、结构松散，为不良质土。

2.2 重难点分析

(1)待建工程正上方空域为深圳宝安机场起飞或降落航线，工程建设过程中其上方空间有限高要求，工程施工所需起重和吊装设备高度限制非常严格，特别是地连墙钢筋笼吊装高度高达50 m，在此空域绝对不允许。

(2)项目周围建筑物密集，单侧近接荷载超大且变形敏感的建筑物，对项目施工安全影响大，传统的深基坑分层开挖难以保证施工安全。

(3)基坑处在敏感建筑物和机场主干道领航四路之间，使得基坑上部施工空间狭窄。

3 场地及空域受限深基坑施工关键技术

3.1 地连墙钢筋笼分段连接技术

鉴于围护结构地连墙钢筋笼高度高，且受各种空间因素制约(如机场机械设备限高)，所以地连墙钢筋笼安装时常会采用分节吊装，接头采用机械连接的工艺措施。但是由于地连墙钢筋笼长度(50～60 m)、宽度(4～6 m)、厚度(1～1.2 m)较大且自重大，在钢筋笼分节起吊及运输过程中容易产生变形，给钢筋笼对接带来很大的困难。若对接头未完全连接密实，套筒与钢筋丝头拧入长度不够，钢筋连接段露丝过多，形成受力薄弱段给后期开挖施工带来较大的质量安全隐患；对接过程费时费力，耽误混凝土灌注时间，时常有因为接头对接时间过长，地连墙成槽孔壁不稳定而导致的塌孔现象出现，影响正常施工进度及质量。为了克服上述不足，实现地连墙钢筋笼分段连接，本工程研发了“一种钢筋机械连接可调节型直螺纹套筒”，获得了实用新型专利。

使用该套筒解决地连墙钢筋笼分段连接技术问题所采用的技术方案为:钢筋笼制作时，对接部位预留(L＋NL)间隙，此间隙满足规范要求不大于1/2套筒长度；在此套筒投入使用前要做相关的拉伸及抗弯强度等检测，强度满足规范要求后方可投入使用；钢筋接头套丝长度为L/2，并且套丝方向和可调节型套筒套丝方向一致。现场具体实施方式为:首节钢筋笼安装入槽后，可调节型短套筒端丝头与对接钢筋头贴合密实后，将短套筒和对接钢筋丝头拧紧，第二节钢筋笼起吊就位后，将长套筒和对接钢筋丝头拧到位，拧紧，装置原理如图2所示。

图2 钢筋套筒装置原理

图2中所示装置由三部分组成:下部待对接钢筋笼接头、可调节直螺纹套筒、上部待对接钢筋接头。地连墙钢筋笼吊运，采用160 t履带吊作为钢筋笼起吊主吊机，70 t履带吊配合起吊，钢扁担采用45号钢板加工制作而成，现场钢筋笼吊装如图3所示。

图3 现场钢筋笼吊装

3.2 深基坑“上翻下穿”开挖新工艺

鉴于基坑周边结构物、建筑物密布，无法停放和行走机械设备，首次提出了地下空间明挖施工“上翻下穿”工艺，即土方分层上翻开挖，渣土车驶入基坑内部装土，下穿修筑好第一道支撑，外运出土(见表1、图4)。此工艺开挖机械作业全部在基坑内部完成，减少了大型机械作业对基坑顶部产生的荷载，开挖过程中充分利用未开挖部分土体的抵抗能力，有效控制基坑内部土体位移，达到减缓基坑围护结构变形、保护周边建筑物的目的。一般可根据现场条件、基坑平面形状、支撑平面布置、支护形式和施工进度等情况，按照对称、平衡、限时的原则，确定土方开挖方法和顺序。

表1 地下空间明挖施工“上翻下穿”工艺流程

图4 “上翻下穿”施工现场

3.3 “龙门吊＋研发的可移动式物料平台”技术

由于基坑地下空间大，地下结构混凝土方量多，施工需要的基坑两侧地面空间常规施工须停放大型吊车设备、砼泵车等大型机械，但实际场地不能满足施工要求。鉴于此，利用龙门吊与研发的移动式物料平台组成的地下车站狭窄空间移动式物料系统，解决了狭窄场地条件下地下大空间结构施工问题。

3.3.1 工艺原理

采用移动式龙门吊的垂直运输和移动式物料平台的水平运输组合，解决了明挖基坑地面场地狭窄地下大型空间的结构施工中大型吊装机械设备没有站位的施工难题，具体操作如下:

(1)移动物料平台布设基坑正上方的龙门吊轨道内侧。

(2)采用龙门吊进行垂直运输，吊装平稳可靠。移动式龙门吊走行方便，不占用基坑两侧周边空间。

(3)根据施工特征和使用条件研发移动式物料平台，地下结构施工所需的材料可通过物料平台水平运输到基坑上方指定的位置。物料运输平台上设置布料杆，用以砼浇筑时布料，能全覆盖整个基坑。

(4)移动式龙门吊与移动式物料平台的组合，确保整个基坑上方和基坑下方大空间的吊装全覆盖，解决了地下结构施工的材料垂直和水平运输问题，克服了基坑周边场地狭窄无法站位大型设备的难题，尤其是实现了地下大空间内高大模板的安拆及移动问题(见图5)。高大模板可快捷、准确、安全地移动到预期位置。

图5 负二层背撑模板移动

3.3.2 龙门吊＋研发的可移动式物料平台

新研制的地下车站狭窄空间移动式物料系统，由16 t单梁龙门吊＋20 t移动物料平台组成。龙门吊的小车上设有电动葫芦，吊重16 t，跨度26.1 m，起升高度是轨上8 m、轨下20 m；移动物料平台由4台2.2 kW电机驱动，运行速度0～30 m/min，载重20 t，跨度22.6 m，平台堆料宽度4 m，两侧设置人行走道。移动物料平台性能参数见表2。

表2 移动物料平台性能参数

系统主要操作流程为物料平台移动至装料位置→龙门吊装料→物料平台移动至卸料位置→龙门吊卸料。单台物料平台的最大载重量为20 t，运料范围广，包含脚手架、模板、钢材、木材等周转性材料和实体材料。地下车站狭窄空间移动式物料系统现场施工，如图6所示。?

图6 地下车站狭窄空间移动式物料系统

采用此浇筑系统施工的地铁车站侧墙每个单元(18 m为1个单元)从绑扎钢筋至浇筑完成须用时3 d，现拼模板、天泵浇筑的深基坑侧墙每单元须用时8 d，即每单元侧墙浇筑节省5 d。整体移动式大模板整体好，在浇筑过程中可进行充分振捣，不存跑模、胀模情况，故混凝土成型效果好。

3.4 敏感建筑物监测保护结果

为了更好地验证前面基于敏感环境和安全保障要求提出的新技术、新工艺和新设备是否可行，对地下大空间明挖新方法进行现场验证试验。为此，以最为危险的蓄冷水罐所处位置进行研究，主要分析在基坑开挖施工过程中蓄冷水罐沉降和周围代表沉降是否超过设计允许值。

蓄冷水罐在开挖期间的累计最大沉降量为44.9 mm，小于蓄冷水罐累计不均匀沉降量警戒值78 mm，蓄冷水罐最大倾斜为0.169%，小于规定的最大限值0.29%，最大月变化沉降量为5.1 mm，日均沉降量为0.17 mm，小于规定的变化速率1 mm/d。由此可得，基坑开挖期间可以保证蓄冷水罐的安全。

基坑开挖期间蓄冷水罐周边地表累计最大沉降量7.1 mm，小于地表沉降监测警戒值24 mm，最大月变化沉降量为4.9 mm，日均沉降量为0.16 mm，小于规定的变化速率1 mm/d，因此在基坑开挖期间可以保证蓄冷水罐周边地表不发生塌陷，进而影响施工和蓄冷水罐的正常作业。综上所述，场地及空域受限的深基坑施工关键技术行之有效。