無內撐大型深基坑大體積混凝土溜槽澆筑系統設計與研究

姚海明

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

1 工程概況

某超高層建筑基坑面積61 250 m2，大面挖深15.1 m。2棟塔樓深坑位于基坑北側，塔樓底板厚4 m，局部深坑底板厚7 m，單個塔樓底板混凝土澆筑量達到16 000 m3（圖1）。基坑長邊采用排樁加5道預應力錨桿的支護形式，在底部增設1道斜拋撐用于換撐；基坑角部采用3道鋼筋混凝土角撐并在第1道角撐設置棧橋板（圖2）。按照常用52 m臂長的混凝土布料機，根據現場交通情況布設布料機（圖3），每臺布料設備澆筑效率按照50 m3/h計算，每小時澆筑量200 m3，澆筑完成需要超過80 h，難以保證在下層混凝土初凝前完成上層混凝土的澆筑和振搗工作，底板混凝土質量難以控制。需結合實際情況設計新的混凝土澆筑系統，以加快底板混凝土澆筑速度，控制振搗質量。

圖1 基坑概況

圖2 基坑支護結構剖面示意

2 支撐式溜槽試驗與選型

圖3 混凝土布料機布置情況

混凝土溜槽體系設計包括溜槽支撐設計、溜槽布料設計、布設位置設計和混凝土配合比設計等4個部分內容。溜槽支撐設計涉及支撐架體荷載確定，溜槽布料設計涉及溜槽角度和防離析裝置選擇，混凝土配合比設計主要確定混凝土初凝時間和流動性能。上述內容均需通過現場試驗進行確定，在背景工程現場進行了溜槽澆筑混凝土試驗。

2.1 溜槽截面與材料選擇試驗

為保證混凝土順利沿溜槽下滑，溜槽截面設計主要考慮的因素是平整度、槽壁摩擦力、制作與施工難易。常用溜槽截面形式有方槽形、半圓管形、圓管形。

2.1.1 方槽形溜槽

1）鋼板焊接加工，管段間法蘭連接。此種槽體的主要問題是彎角處鋼板焊接質量不易控制，容易產生焊接變形，造成槽體表面不平整。

2）成形鍍鋅鋼板附木模板骨架，管段間搭接連接。此種槽體的缺點是鍍鋅鋼板厚度薄，平面外剛度不足，需采用木模板搭設骨架。鍍鋅板與木模板開孔采用扎繩連接，在澆筑過程中易損壞；若采用整段槽體，則無法周轉。

2.1.2 半圓管形與圓管形溜槽

1）采用成型鋼管，管段間法蘭連接。此種槽體的主要問題是法蘭接口處有間隙，增大了混凝土下滑阻力；槽體與支撐架接觸形式為點接觸，對架體橫桿受力不利。

2）采用成品HDPE雙壁波紋管，管段間公母卡口連接。此種槽體的主要問題是管段接頭部位有高差坎，增大了混凝土下滑阻力；槽體與支撐架體連接只能采用扎繩固定，連接不牢固；內壁厚度較小，在混凝土骨料長時間的接觸摩擦下，管壁易磨損。

綜合上述分析與加工試驗，因圓管形槽體無法觀察到管內混凝土性狀，發生堵管后不易處理，故最終選定半圓管形成型鋼管槽體形式進行進一步試驗。

2.2 溜槽下傾角度選擇試驗

溜槽下傾角度會影響到混凝土能否順利下滑布料和溜槽的覆蓋范圍。溜槽角度過小，混凝土下滑力不足，可能導致混凝土在槽內局部堆積；溜槽角度過大，混凝土可能溢出槽體垂直下落產生離析，且覆蓋范圍小。本文選擇了15°、20°、25°、30°等4種溜槽下傾角度在現場各進行了3次混凝土澆筑試驗。采用同樣型號的混凝土罐車以最大卸料速度進行混凝土卸料，試驗情況記錄如表1所示，卸料時間如表2所示。

表1 不同溜槽下傾角度混凝土滿溢程度記錄

表2 不同溜槽下傾角度混凝土卸料時間記錄

根據試驗觀測結果，當溜槽下傾角度為25°時基本沒有出現滿溢現象，混凝土跌落量很少且澆筑速度與下傾角度為30°時相差不多，考慮到角度減小可以增長溜槽覆蓋范圍，確定選用溜槽下傾角度為25°±3°。

2.3 混凝土配合比設計試驗

溜槽澆筑方法對混凝土性能的主要要求為流動性（由坍落度控制）和初凝時間。較大的混凝土流動性有利于混凝土的擴散，但過大的混凝土坍落度在溜槽澆筑過程中容易造成離析。設計4種不同的混凝土配合比坍落度進行澆筑試驗，結果如表3所示。當混凝土坍落度小于160 mm時，底層混凝土黏滯導致上層混凝土積聚較多，發生分層涌浪現象，導致混凝土從溜槽跌落。當混凝土坍落度大于200 mm時，局部會產生離析現象。根據試驗結果，選用混凝土坍落度為180～190 mm。

表3 不同坍落度混凝土澆筑試驗記錄

3 支撐式溜槽的設計與布置

3.1 溜槽支撐體系設計

3.1.1 支撐架體設計

溜槽支撐架體系采用扣件式鋼管腳手架（圖4）。搭設高度最大14.0 m，最小0.5 m，立桿搭設高度超過溜槽底面1.2 m作為人員上架防護，架體水平投影長度30 m。由于溜槽支撐架體高寬比大于3，不滿足JGJ 130—2011《建筑施工扣件式鋼管腳手架安全技術規范》6.9.7條對于滿堂支撐架的規定，屬于獨立支撐塔架形式，規范中關于支撐架計算長度選取的規定不適用，因此采用有限元的方法對溜槽支撐架進行建模分析。

圖4 支撐式溜槽剖面示意

立桿縱向間距為1.5 m，步距為1.5 m，橫距分別為1.20、0.55 m，考慮到橫桿承受溜槽傳來的豎向荷載，其跨度不宜過大，最終決定取0.55 m；支架側向滿布剪刀撐，角度45°～60°，垂直于溜槽方向，每隔4跨滿布剪刀撐；架體短邊尺寸小，平面外剛度弱，沿架體長度方向每隔4跨設置1道斜拋撐。計算模型如圖5所示。

圖5 支撐架體有限元計算模型

立桿底部按一般支承制作考慮，約束x、y、z三個方向位移。考慮扣件連接為半剛性節點，桿兩端約束轉動剛度按20 kN·m/rad取值[1-2]。首先進行架體的屈曲模態分析，結果如圖6所示。

圖6 架體1階屈曲模態

將最不利的1階屈曲模態變形絕對值取為架體高度1/50（最大偏移量為280 mm），將初始變形施加到原始計算模型后，在重力與混凝土荷載下進行屈曲承載力分析，結果如圖7所示。

圖7 最終桿件應力

架體桿件最大應力出現在架體順坡向剪刀撐處，最大應力為156 MPa；槽體支撐橫桿最大應力為75 MPa，架體立桿最大應力為77.2 MPa，均小于鋼管抗彎強度設計值205 MPa，滿足要求[3-6]。

3.1.2 槽段固定設計

為保證槽體與架體固定牢固，在槽段法蘭連接處設置擋板，固定在架體支撐橫桿上，以防止槽體下滑。同時，在槽段法蘭連接處開孔，設置鋼絲繩穿孔與支撐架拉結，如圖8所示。

圖8 槽段與支架連接示意

3.2 溜槽布料體系設計

3.2.1 料斗轉料管設計

為增大混凝土從料斗下滑時的動能，在料斗與溜槽轉接部位設置落差為2 m的L形轉料管（圖9），從而可滿足GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》8.3.6條的規定，避免混凝土離析。在轉料管末端設置彎頭，可減小混凝土對溜槽的沖擊，避免混凝土濺溢槽外。

圖9 料斗轉料管設計

3.2.2 槽尾分配槽設計

由于溜槽混凝土的下落點為固定點，在底板混凝土澆筑后期，混凝土易在落點處產生堆積，致使溜槽無法使用。為此，在溜槽落點處設置混凝土二次分配槽，分配槽水平投影長度2 m，傾斜角度15°，由人工搬運調整角度，可以擴大溜槽的覆蓋范圍并避免在溜槽下料點處形成混凝土的堆積，如圖10所示。

圖10 槽尾二次分配槽

3.2.3 防離析串筒設計

為增強基坑穩定性，結構底板澆筑時應先封閉局部深坑位置，本文背景工程局部深坑距底板面層高度超過7 m。在溜槽落點局部深坑位置設置防離析串筒，在底板面層鋼筋上開孔，串筒采用掛鉤與料槽固定，以方便拆除，如圖11所示。當混凝土面與板面距離小于6 m時便可拆除串筒，對鋼筋開孔處進行封閉。

圖11 防離析串筒設計示意

3.3 溜槽布置位置選擇

3.3.1 溜槽布置位置

根據現場實際測量結果，在混凝土坍落度達到180 mm時，混凝土的自流擴散距離為15～20 m，擴散方向可用振搗棒輔助控制，基本可以做到四周均勻擴散。因此溜槽應盡量布設于基坑四周，溜槽落點間距控制在1.5～2.0倍的混凝土自流擴散距離。

3.3.2 落點位置選擇

溜槽落點應盡量選擇在底板電梯坑密集處，以便深坑混凝土快速澆筑，并延長混凝土擴散距離。

4 混凝土澆筑流程與質量控制

基于背景工程實際使用情況，對支撐式溜槽澆筑混凝土流程與質量控制進行如下總結：

1）底板澆筑前期，溜槽全部投入使用，配合二次分配槽與防離析串筒首先將局部深坑部位進行封閉。

2）局部深坑基本封閉后，按照100 m2設計1根振搗棒，保證混凝土分層振搗質量并擴大混凝土自流范圍。

3）混凝土全面澆筑過程中，根據實際情況配備汽車泵與固定泵，對溜槽覆蓋不到的區域進行補充澆筑。

4）當溜槽落點混凝土無法形成坡度自流，產生堆積后，停用溜槽，以汽車泵和固定泵為主進行混凝土收面工作，并及時覆蓋塑料薄膜進行養護。

5 技術經濟性對比

根據背景工程單個塔樓底板的實際應用情況，將傳統采用汽車泵搭配固定泵的澆筑方法與采用支撐式溜槽的澆筑方法的技術經濟性指標進行比較，如表4所示。

表4 混凝土澆筑技術經濟性指標對比

對于背景工程，不考慮溜槽周轉使用時，相較于傳統泵送方法，單個塔樓底板采用支撐式溜槽體系澆筑混凝土可節省施工成本27.2萬元，減少施工時間54 h。

6 結語

1）本文針對支撐式溜槽混凝土澆筑系統，從試驗選型、分析計算、構造設計、實際應用等4個方面進行了分析和研究，研究成果對后續類似工程應用支撐式溜槽系統進行底板混凝土施工有指導和借鑒意義。

2）對于無內撐深基坑工程，采用支撐式溜槽混凝土澆筑系統，在施工速度、混凝土質量控制和施工成本節約方面均較傳統泵送方法有較大提高，值得推廣和應用。