海峽文化藝術中心歌劇院深基坑綜合施工技術

汪述文, 陳仕源, 孫孟滋

(中建海峽建設發展有限公司， 福建福州 350000)

本項目沿江，地下水量豐富，地質條件不良，基坑支護開挖施工有較大難度。本文將主要闡述基坑支護結構的施工、降水及土方的開挖方法，為相關項目基坑施工作參考。

1 工程概況

海峽文化藝術中心位于福州市倉山區南臺島東，位于閩江沿岸。項目由五個功能性場館：建筑A(多功能戲劇廳)、建筑B(歌劇院)、建筑C(音樂廳)、建筑D(藝術博物館)、建筑E(影視中心)所組成，與裙樓建筑F(中央文化大廳)相連接，組成形似福州市花茉莉花的造型，項目設計效果如圖1所示。

圖1 項目建筑設計效果

項目占地面積約15.80 hm2。其中單體占地面積最大的建筑建筑B歌劇院位于項目西北端，其地下室占地約1.50×104m2。歌劇院臺倉區(舞臺升降區)位于地下室中央，屬坑中坑，如圖2建筑縱向剖面圖所示。其東西向約48 m，南北向約43 m，坑底距結構正負零標高約17.50 m，為深基坑結構。

圖2 歌劇院縱向剖面

2 地質水文狀況

場地地下以軟弱土為主，局部為中軟土。根據地質勘查報告，歌劇院地下各土層的顏色、狀態及平均厚度，自上而下分別如表1中所示。

場地西北端有梁厝河流過，北向匯入閩江中。場地地下水位隨江水潮汐變化，最高時可達5.800 m。臺倉區基坑底標高-5.90 m，低于地下室為最高值。基坑開挖前應做好基坑的降排水工作，以免開挖時地下室流入基坑導致施工困難。

表1 歌劇院地下各土層分布

3 工程難點

3.1 施工體量大、工期緊

臺倉區土方開挖總量約24 562 m3，工期要求嚴格，施工時應適當增加機械設備、物資及人力的投入，合理地安排工序，使進度目標能按時實現。

3.2 基坑深度大、暴露久

歌劇院地下室底部標高眾多，其中臺倉區標高最低(-5.90 m)。臺倉區基坑開挖深度深，開挖時應分層、多段施工，已開挖部分土體邊坡暴露時間長，存在一定安全隱患。

3.3 氣候條件差

基坑支護與土方開挖施工時正處福州七八月份，值臺風多發季，降雨多、持續時間長，已開挖土體易發生邊坡失穩等情況。施工時應及時在坑頂截水、疏水，坑底抽排水、降水，預防有可能出現的安全隱患。

4 施工工藝和方法

4.1 施工工藝

臺倉區基坑施工工序如下所示：

(1) 1道三軸攪拌樁作為止水帷幕，阻斷地下水入坑；

(2) 1道旋挖灌注咬合樁、1道鋼筋混凝土內支撐作為基坑支護結構；

(3) 26口降水井在基坑內外降水；

(4) 分層分段、多層多段的方式對土體進行開挖。

4.2 施工方法

4.2.1 止水帷幕：三軸水泥攪拌樁

本基坑需止水帷幕阻隔地下水，防止降雨或地下水大量進入基坑中。考慮到工期與施工便利程度等因素，本項目采用如圖3所示三軸攪拌樁作為止水帷幕。樁徑φ650 mm，樁間距450 mm，基坑外獨立成樁。

圖3 三軸水泥攪拌樁平面布置(單位:mm)

施工時，先進行樁定位。通過現場坐標基準點，用全站儀精確放樣樁中心與樁中心線。隨后三軸攪拌樁機進場進行套打施工。鉆頭下沉至樁底標高，下沉時噴水泥漿進行攪拌，提升時邊攪拌邊噴漿，待鉆頭完全提升后停止噴漿。移位下根樁處進行施工。相鄰攪拌樁施工間隙不超過10 h。

4.2.2 支護樁：旋挖灌注咬合樁

本工程支護結構采用旋挖灌注咬合樁，樁徑φ900 mm，樁間距650 mm，樁長17.70～19.20 m，由素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相互咬合而成(圖4)。圖中A為素混凝土樁，B為鋼筋混凝土灌注樁。先施工素混凝土A樁，相鄰兩根素混凝土樁初凝后，切割成孔施工鋼筋混凝土B樁。施工順序為：A1→A2→A3→B1→A4→B2。

圖4 旋挖灌注咬合樁平面布置(單位:mm)

施工咬合樁時，根據現場坐標基準點，利用全站儀放樣咬合樁中心點與中心線。鉆孔施工前調平鉆機，保持樁機垂直。搭建泥漿庫，以黃土為主，比重控制在1.10～1.30左右。設置孔壁鋼護筒，內徑大于樁徑200 mm，高出地面30.00 cm。護筒中心與樁中心偏差控制在5.00 cm內。

旋挖灌注樁機原地順時針旋轉開孔，以鉆斗自重、鉆桿自重及液壓力為鉆進動力，鉆速先慢后快。不同地質條件下采用不同鉆頭。鉆進時觀察鉆孔內水位、鉆頭深度及鉆機負荷，判斷鉆頭所處地層條件。

鉆至設計深度后進行驗收，合格后下放鋼筋籠。下放時對準孔位輕放、慢放。鋼筋籠外周焊接耳環，對鋼筋籠豎向垂直度與混凝土保護層厚度進行控制。

吊放混凝土澆筑導管，在離孔底1.00 m左右時，接泥漿清孔，確保孔底500 mm以內沉渣相對密度不大于1.15、泥漿黏度不大于28 s、含砂率不大于8 %。清孔驗收合格后灌注混凝土。灌注過程中確保灌注連續，確保樁承載力與密實度。

4.2.3 內支撐：冠梁、支撐梁

土方開挖至支護樁樁頂，清除樁頂松軟土、鋼筋上黏土，鑿除多余混凝土，確保樁頂能深入冠梁50 mm，并且冠梁坐落在咬合樁新鮮混凝土面上。為減少冠梁、支撐梁下土層沉降變形，將梁基槽底土方用鐵鍬拍實平整，澆筑C15混凝土墊層，凝固后鋪設油毛氈，將墊層與冠梁、支撐梁隔開，防止梁底與泥土黏結。

分兩段綁扎冠梁、支撐梁鋼筋，段與段交接處預留插筋，鋼筋搭接采用焊接。確保支護樁頂鋼筋露出長度達到設計要求。在墊層上根據尺寸制作、安裝模板。在冠梁、支撐梁施工區交接區留置施工縫。施工縫為企口縫，用鐵絲網圍擋，成型后表面予以鑿毛。澆筑混凝土，用插入式振動器振搗，使混凝土表面呈現浮漿，不再下沉。施工效果如圖5所示。

圖5 臺倉區冠梁、支撐梁模擬

4.2.4 降水井施工

在臺倉區內外布有26口降水井，深度-10.00～-5.00 m不等。井底安置有潛水泵，抽水至基坑頂排水溝中，排向梁厝河，達到降低臺倉區地下水位的目的。

施工前精確定位井口位置，埋設護口管。安裝鉆機，穩固水平，保持對中。根據不同地層條件采用沖擊鉆,螺旋鉆,回轉鉆等不同鉆頭，成孔直徑不小于400 mm。鉆至設計深度后，宜多鉆0.30～0.50 m。沖孔清除孔內雜物，確保孔底沉淤小于300 mm。

下降水井管，上下端設置直徑小于孔徑50 mm扶正器，保證井管居中。用大泵量水清洗井內泥漿，稀釋至比重接近1.05。后投放5 mm粒徑圓礫或角礫至井口。沖填連續至砂盡水清。下潛水泵，連接鋼絲軟排水管，開始抽水。保護井口，防止雜物掉入井內。降水期間每天檢查抽水設備和運行情況，發現問題及時處理。

4.2.5 土方開挖

基坑土方開挖考慮時空效應[4]，根據基坑的特點，依據對稱平衡原則分段分層開挖。沿規定次序逐段開挖，每段分層分小段開挖，減少基坑暴露時間。先對稱開挖四周，再開挖中心，使支護結構均勻受力。

4.2.5.1 開挖步驟

分兩階段開挖。第一階段放坡分層開挖至冠梁底標高，對邊坡進行噴錨支護。第二階段由冠梁底分層開挖至基坑底標高，需等冠梁、支撐梁強度達到設計要求后才可施工。

4.2.5.2 開挖方法

開挖前，進行外環及土方外運道路混凝土硬化工作，砌筑排水明溝，作為掘進機進場及土方外運道路。采用2 m3斗履帶式反鏟挖掘機挖土。采用分層、對稱開挖的模式，先開挖周邊，再開挖中間，每層厚度不超過2.0 m，嚴禁局部超挖。

采用側向挖土法。挖掘機沿著基坑一側移動，自卸汽車挖掘機兩側裝運土。基坑邊角部位、挖掘機開挖不到處，配合人工清土，人工將松土清理到挖掘機工作半徑內，由挖掘機清走。

采用坡道退土，坡度約為1∶4.25。土方由四周向退土坡道退挖，挖出來的土方隨挖隨運，不在場地堆積。退土路線如圖6所示。

圖6 臺倉區退土路線(單位:mm)

挖土時防止擾動基槽土體，不得碰撞支護樁、冠梁、支撐梁，不得碾壓冠梁、支撐梁。開挖至墊層底面，使用人工清底找平，避免超挖或基底土受擾動。完成挖土后，退土坡道用長臂挖機予以挖除。

4.2.6 支護系統拆除

臺倉區地下室外墻施工完成，混凝土達到設計強度，基坑外側土方回填至-0.50 m高程時，可拆除支護體系。采用機械破碎法[5]快速拆除，在機械無法拆除的區域采用人工風鎬拆除。

拆除內支撐時由基坑南北兩側向中間拆除。施工時在支撐梁上鋪設工字鋼，標準臂鎬頭機在工字鋼上對支撐梁拆除作業，工字鋼由鎬頭機自行鋪設。混凝土渣邊打邊清理，需與拆除施工保持足夠安全距離。

先拆除連桿，再拆除主撐。角撐由內向外機械拆除，鎬頭機逐跨后退式清鑿。先剝離混凝土保護層，切割上層鋼筋，待混凝土大部分脫離支撐后切割下層鋼筋。切割鋼筋用的乙炔、氧氣應堆放在穩定可靠處，防止墜落。

拆除的混凝土渣應靠近支撐空擋處堆放，便于長臂挖機在基坑邊上裝車外運。

4.2.7 基坑變形監測

基坑的安全穩定，既要關注側壁的局部破壞，又要重點防范支撐梁拉壓破壞而導致的支護結構整體破壞[6]。本工程設置監測項目與監測點如圖7所示，有：基坑坡頂水平位移監測27個點；基坑坡頂豎向位移監測27個點；基坑支護結構外側土體深層水平位移監測4個點；支護樁、冠梁、支撐梁鋼筋應力監測20個點；地下水位監測13個點。

圖7 臺倉區基坑監測點

5 實施效果分析

(1)考慮時空效應，根據基坑形狀，依據對稱平衡原則分塊分層開挖后，臺倉區基底原狀土保護較好。

(2)監控結果顯示，本工程基坑施工方法得當，基坑變形控制在預警值之內，第25次鋼筋應力(監測點位置見圖7)監測結果如表2所示。

表2 臺倉區冠梁、支撐梁應力監測結果 kN

續表2組號位置本次應力本次變化累計變化Y20支撐-15.52-0.54-15.02Y13支撐-16.12-1.09-15.61Y14支撐-14.96-1.42-14.42Y17支撐-8.82-0.51-6.56

表2所示施工工況為基坑已開挖至基底。由表2可知，該監測項目各項數據均未超過預警值，滿足設計要求。

(3)本工程基坑內支撐結構簡單，既節約工程成本，又節省工期。水平支撐采用機械破碎快速拆除法，工期較常規方法提前約1個月。