超大臨邊局部逆作法關(guān)鍵施工技術(shù)分析

李娃娃，楊皓東，，朱學(xué)忠

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

逆作法因具有適用復(fù)雜施工環(huán)境、支護安全系數(shù)高、工期短等優(yōu)勢被越來越多應(yīng)用于城市建筑中，但也存在施工難度大，土方暗挖困難等缺點[1]。因此往往需要根據(jù)工程特征結(jié)合順作優(yōu)勢對逆作法進行調(diào)整，以滿足工程安全、經(jīng)濟、工期、環(huán)保等方面要求[2，3]。本文在合肥一超大基坑工程設(shè)計中，因基坑處于硬質(zhì)粘土層，創(chuàng)新采用排樁圍護大面積順作、局部逆作的施工方法，取得良好成效。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本項目為商場工程，地上主樓6層裙樓5層，地下兩層，負(fù)一層5.25 m，負(fù)二層3.85 m，地下室板面標(biāo)高分別為-1.35 m、-6.6 m、-10.45 m，底板厚0.7 m。基坑?xùn)|側(cè)離高層小區(qū)僅8.8 m施工風(fēng)險大，故該處兩跨采用逆作，西側(cè)結(jié)構(gòu)順作(圖1)。逆作區(qū)為19-21軸交A-Y軸區(qū)域基坑長194 m,寬22.8 m，其中19-20軸交L-Y軸為裙樓區(qū)域采用上下同步逆作，剩余逆作區(qū)為純地下室區(qū)域采用單向逆作，即僅地下室結(jié)構(gòu)逆作。

圖1 基坑平面圖

1.2 工程中的重難點

(1)基坑?xùn)|側(cè)34層建筑對基坑側(cè)向土壓力較大，對支護結(jié)構(gòu)變形要求高，圍護樁頂累計最大位移需控制在20 mm以內(nèi)，支護難度大。

(2)逆作區(qū)地下室頂板東西向僅9 m，預(yù)留取土口狹小且距圍護結(jié)構(gòu)較近，挖運條件苛刻。

(3)工程格構(gòu)柱15.8 m(導(dǎo)柱2 m)、鋼筋籠25 m長細(xì)比較大，作為施工全過程豎向支撐構(gòu)件，如何控制格構(gòu)柱垂直度、標(biāo)高、扭轉(zhuǎn)等為逆作法中重點。

(4)永臨結(jié)合鋼梁支撐作為逆作法基坑支護的關(guān)鍵傳力構(gòu)件，其承載能力、長細(xì)比等關(guān)系工程的安全，且在永臨轉(zhuǎn)換時需對其節(jié)點進行精密設(shè)計，確保傳力及防水要求。

2 支護方案

因開挖范圍處于硬塑性粘土中，且承壓水離開挖面較深，綜合考慮地質(zhì)特點、經(jīng)濟性、地區(qū)施工慣例，逆作圍護采用“樁墻分離”方式，三排φ1 000 mm@1 800 mm灌注樁作為臨時圍護，順作400 mm剪力墻作永久外墻，樁墻間距1.2 m。樁長分別為21 m、28.65 m、21 m，樁間通過1 000×800@1 800 mm連梁及800×1 000 mm冠梁和600×1 000 mm圍檁相連(圖2)。

圖2 基坑支護圖

水平支撐采用兩層地下室梁板結(jié)合剛度較大的鋼支撐[4]和底板與600×700的C25混凝土傳力帶，在施工階段共同對圍護樁形成有效支撐。于單向逆作、同步逆作區(qū)分別采用規(guī)格為460 mm、500 mm方格構(gòu)柱+φ1 000 mm鉆孔灌注樁，樁長25 m持力層為中風(fēng)化泥巖，組成豎向支撐體系。型鋼梁、格構(gòu)柱在施工階段作為臨時支撐，后期外包鋼筋混凝土作為結(jié)構(gòu)柱、支撐梁。

3 施工流程及施工工況

3.1 施工流程

臨邊局部逆作法施工流程如圖3所示。

圖3 施工流程圖

3.2 施工工況

逆作區(qū)施工主要分為5個工況。

工況一：土方挖至負(fù)一層頂梁板底15 cm,施工負(fù)一層頂梁板、鋼支撐。

工況二：土方挖至負(fù)二層頂梁板下1.5 m。

工況三：施工負(fù)二層頂梁板、鋼支撐，上部施工至正一層。

工況四：土方挖至底板下100 mm(最不利工況)。

工況五：施工墊層、底板、傳力帶，上部施工至負(fù)二層。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 土方挖運及梁板工程

4.1.1 基坑分區(qū)施工

暗挖土方約34 000 m3均為鄰邊土，遂土方開挖須有針對性方案。根據(jù)“平衡、對稱，早撐”的原則，共分為5個區(qū)(圖4)，采用“分區(qū)、分層”[5]的開挖形式，由中部向兩邊推進，避免基坑過長中部基坑變形過大影響工程安全。根據(jù)土方量及流水分區(qū)共在北、中、南處設(shè)大小為5 m×8 m，5 m×8 m，5 m×10 m三個取土口。

圖4 土方運輸及基坑分區(qū)圖

4.1.2 土方開挖及運輸

開挖方式 因①②④區(qū)處在同步逆作區(qū)，地上結(jié)構(gòu)施工后負(fù)一層頂板寬僅9 m，板上取土翻挖困難，出土效率低。故利用西側(cè)地下汽車坡道作為下坑坡道，大量土方采用板下小挖機開挖，板上取土口作輔助，水平挖運代替垂直挖運，極大提高施工效率(圖5)。翻挖時分小層、小段開挖，長度為4～6 m,層深為2.5～3 m，利于控制基坑變形，格構(gòu)柱兩邊土方高差控制在1 m。

圖5 土方開挖圖

運輸方式 同步逆作區(qū)頂板難以形成通暢環(huán)路，故利用汽車坡道與單向逆作頂板作為通路，①②④區(qū)土方于地下完成運輸(圖6)，經(jīng)坡道運送至單向逆作頂板后延西側(cè)順作人防頂板(施工荷載按30 kN/m2)指定路線從西門運出。運送路線樓板下采用臨時支撐柱進行結(jié)構(gòu)補強。

圖6 土方挖運實拍圖

4.1.3 梁板施工優(yōu)化措施

負(fù)一層頂梁板采用磚胎膜加支架施工(圖7)，負(fù)二層頂梁板施工考慮到采用“磚胎膜”法雖安全性高，但工期長、工序多，后期磚膜剔除困難，故將負(fù)二層土開挖面定于負(fù)二層頂板下1.5 m，采用操作便捷、環(huán)保的“短支快拆支模”技術(shù)(圖7)。梁板隨小段流水開挖而施工，使梁板施工緊隨土方開挖，縮短間歇時間，極大提高地下施工速度，使上下施工協(xié)同，保障工程工期及安全要求。

圖7 梁板施工實拍圖

4.2 一柱一樁

一柱一樁的施工難點在于鋼立柱的固定、安裝以及垂直度的控制。

4.2.1 格構(gòu)柱、鋼筋籠組合安裝固定

本工程優(yōu)化施工順序，采用“分段吊放，孔口焊接、一起入孔”的施工方式。將鋼筋籠吊放至孔口露出孔外4 m，用扁擔(dān)梁于兩道φ25加強箍下(滿足鋼筋籠自重要求)固定；后將格構(gòu)柱垂直起吊，用全站儀控制對心后插入鋼筋籠內(nèi)4 m誤差≤50 mm，校正架輔助吊機固定；復(fù)核扭轉(zhuǎn)、平面位置后采用鋼筋籠主筋彎起及上下間隔1 m的φ16定位鋼筋將鋼筋籠與格構(gòu)柱四面牢焊成整體，隨后一起吊放入孔(圖8)。焊縫質(zhì)量必須符合《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》(GB 50661-2011)規(guī)定。

4.2.2 標(biāo)高及垂直度控制

因鋼柱及鋼筋籠已焊接成一體，遂只需以格構(gòu)柱頂端設(shè)計標(biāo)高不變原則，控制格構(gòu)柱頂至設(shè)計標(biāo)高，用扁擔(dān)梁、對稱焊接于導(dǎo)柱上4道200×200×10立托板、調(diào)節(jié)螺栓固定(標(biāo)高允許偏差±20 mm)。

格構(gòu)柱垂直度于兩方面控制：

(1)格構(gòu)柱底定位。在鋼筋籠主筋四周隔3 m(插入段間隔1 m)焊接4個d=100 mm的滑輪，將鋼筋籠與孔壁間縫隙縮至20～30 mm供鋼骨下放、調(diào)垂，格構(gòu)柱定位鋼筋及滑輪起定位器作用，使樁心、籠心、柱心“三心重合”，格構(gòu)柱底最大偏移20～30 mm。

(2)校正架柱頂精調(diào)。因柱底初步定位，格構(gòu)柱垂直度已接近控制要求，用校正架下層調(diào)節(jié)螺栓將格構(gòu)柱對中頂死，微調(diào)上層螺栓至垂直度滿足≤1/300的控制要求。

圖8 格構(gòu)柱、鋼筋籠組合安裝固定圖

4.2.3 支承樁澆筑回填

澆筑 鋼骨調(diào)垂后，安裝澆筑平臺(獨立于校正架)并下放導(dǎo)管，導(dǎo)管離孔底50 cm注自密實C30混凝土(可不振搗)。混凝土面每上升500 mm，上下抽插導(dǎo)管10次，提升高度2-3 m，做好引氣工作保證混凝土密實，導(dǎo)管埋深應(yīng)控制在2-6 m內(nèi)。

回填 澆筑至樁頂標(biāo)高，在柱內(nèi)及空孔中用細(xì)石子、粗砂進行對稱回填，防止因逆作法施工荷載大，構(gòu)件長細(xì)比過大，發(fā)生壓穩(wěn)破壞。施工全過程通過測斜裝置觀察格構(gòu)柱的垂直度變化及時調(diào)整，至支承樁混凝土初步達到設(shè)計強度方可解除固定。

4.3 型鋼梁施工及節(jié)點處理

4.3.1 型鋼梁的施工

預(yù)埋件 型鋼梁同地下室各層水平梁板及圍檁一起施工，在施工邊跨梁及圍檁鋼筋時，同步施工預(yù)埋件500 mm×500 mm×14 mm鋼板結(jié)合4φ25錨固鋼筋，將埋件錨入邊梁及圍檁。

鋼梁固定 確定鋼梁安裝標(biāo)高及軸線位置后(誤差控制在5 mm內(nèi))，依據(jù)設(shè)計標(biāo)高在邊跨柱及圍檁埋件上焊接臨時托板擱置鋼梁，在復(fù)核定位后與埋件滿焊連接。其中邊跨柱上托板采用兩道300×200×16 mm的三角牛腿，以提高鋼梁作為結(jié)構(gòu)梁時節(jié)點的抗剪性能。

栓釘 于鋼梁上下表面焊接φ22長100@100栓釘，使鋼梁與混凝土更好的結(jié)合提高粘結(jié)力，保證支撐梁強度及穩(wěn)定性。

施工縫預(yù)留 水平梁板混凝土澆筑時應(yīng)將施工縫位置留在距后施工地下室外墻不大于500 mm處，減少支撐長度提高支撐效果(圖9)。

圖9 型鋼梁施工及節(jié)點連接圖

4.3.2 型鋼梁與地下室外墻節(jié)點處理

外墻、暗柱內(nèi)縱橫筋通過在鋼梁翼緣、腹板上作局部開洞穿過鋼梁。在外墻鋼筋網(wǎng)內(nèi)埋設(shè)結(jié)構(gòu)梁預(yù)留鋼筋(錨接長度≥35 d)，與先澆段外包鋼筋機械連接，與地下室外墻及先施工梁板作為永久結(jié)構(gòu)澆筑成整體。割除多余支撐后，將外露墻面50 mm型鋼用500×500×100 mm的木盒包裹并澆筑C25防水混凝土，墻內(nèi)鋼梁上滿焊止水鋼板，以防止腐蝕及節(jié)點滲水。

4.4 結(jié)構(gòu)柱、地下室外墻施工

4.4.1 結(jié)構(gòu)柱混凝土澆筑

在結(jié)構(gòu)柱混凝土澆筑時，后澆結(jié)構(gòu)柱與先澆柱間存在施工縫，由于自重、土體沉降、混凝土收縮等因素影響易產(chǎn)生裂縫。因此采取留設(shè)“喇叭口”作澆搗口,將后澆模板高于施工縫30 cm，并在施工縫模板上預(yù)留壓漿孔，壓入微膨脹混凝土預(yù)防裂縫，隨澆筑隨在柱外用掛壁式振動機輔助振搗使混凝土澆筑密實。如圖10所示。

圖10 結(jié)構(gòu)柱澆筑圖

4.4.2 地下室外墻混凝土澆筑及外墻回填

混凝土澆筑 地下室外墻順作，與先澆樓板、外墻間空余樓板一起施工。先施工負(fù)二層外墻，將模板高于負(fù)二層頂板50 cm，通長布設(shè)止水鋼板(露出模板一半)。負(fù)一層外墻與負(fù)一層頂板施工縫，采用留設(shè)“喇叭口”處理，又該施工縫處于板、外墻節(jié)點處，鋼筋布置密集止水鋼板布設(shè)較難，遂將其通長布置后期不剔除代替止水鋼板來解決施工縫防水問題，且回填后不影響外觀(圖11)。

圖11 地下室外墻澆筑圖

外墻回填 地下室外墻與圍護樁間由下向上分層肥槽回填，因外墻距圍護樁僅1.2 m且考慮0.6 m寬圍檁，回填無法按設(shè)計要求分層夯實，遂用C15混凝土回填。待回填至各層型鋼梁底標(biāo)高時暫停回填，待混凝土達到設(shè)計強度方可將鋼支撐進行割除，以控制周邊變形沉降。

5 逆作法施工測試

5.1 鋼撐軸力測試

鋼支撐在施工全過程至關(guān)重要關(guān)系著工程安全，選取最不利小區(qū)高層對應(yīng)位置界面層4道支撐梁作為研究對象如圖1，鋼梁上布置1個應(yīng)變片，1個表面應(yīng)變計，利用應(yīng)變采集儀收集數(shù)據(jù)，測試不同工況下軸力。鋼梁支撐軸力最大設(shè)計值為1 800 kN，報警值為其70%，預(yù)警值為其85%，測試圖(圖12)。

圖12 軸力測試實拍圖

圖13 支撐軸力圖

表1 支撐軸力結(jié)果分析表

從圖13可以看出，四道梁軸力有兩處突變峰值。結(jié)合工況分析，位于峰值時間段正對應(yīng)工況二、四，負(fù)一、二層土方開挖，軸力最大出現(xiàn)在最不利工況四。且四道鋼支撐軸力變化趨勢一致且波動穩(wěn)定，表明支撐布置合理、受力均勻。

結(jié)合表1，僅4#支撐軸力在施工過程中略高于報警值，最大達到1 277 kN,但低于理論計算值1 494.8 kN，遠(yuǎn)低于1 800 kN設(shè)計值。在工況三、五中水平梁板、鋼撐施工后，軸力先略微下降至峰值85%后迅速下降至峰值50%，說明梁板、鋼撐剛施工后支撐效果較小，隨著混凝土硬化支撐開始起作用，并最終在500 kN左右趨穩(wěn)，說明鋼支撐的工作狀態(tài)穩(wěn)定，基坑支護安全。

5.2 樁頂水平位移測試

于內(nèi)排樁頂間隔小于25 m,布設(shè)QW14-19,6個測點(圖1)。施工初始時設(shè)定一初始坐標(biāo)，通過坐標(biāo)變化計算變化量，測試數(shù)據(jù)如表2，可見最大水平位移僅10.4，且最大位移QW17位于基坑中部同任[6]研究一致，QW18于四號梁附近位移較大同軸力監(jiān)測一致，測點最大位移變化速率為0.8 mm/d,都遠(yuǎn)小于控制值，說明施工對周邊環(huán)境影響較小。

表2 樁頂水平位移結(jié)果分析表

6 結(jié)束語

排樁圍護支護的局部逆作法于超大臨邊基坑中的應(yīng)用是合肥地區(qū)代表性案例，工程結(jié)束時，圍護樁頂最大位移僅為挖深的0.09%，遠(yuǎn)低于控制值20 mm，施工中最大支撐軸力遠(yuǎn)小于設(shè)計值，取得良好的施工效果。以下幾點可供類似工程參考。

局部逆作施工場地狹，板上無法滿足取土條件時，可合理利用順作結(jié)構(gòu)或臨時下坑坡道板下挖運代替垂直挖運，能解決暗挖效率低，土方運輸困難等難題。

一柱一樁鋼筋籠、格構(gòu)柱通過合理的組合一起入孔，實現(xiàn)鋼立柱快速定位、調(diào)垂，極大提高施工效率，同時解決格構(gòu)柱內(nèi)插易掛籠、柱底難對心、調(diào)垂困難等難題。

永臨鋼支撐與排樁圍護結(jié)合的逆作法案例較少，國內(nèi)龍莉波雖涉及但缺乏具體施工技術(shù)措施及節(jié)點設(shè)計，本文對此進行了補充。