新型出土棧橋平臺(tái)在超深基坑施工中的應(yīng)用研究

傅柏勇 毛建康 宋志輝

1. 浙江協(xié)力建設(shè)有限公司 浙江 杭州 310030；2. 浙江省三建建設(shè)集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310016

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，超深基坑工程項(xiàng)目越來(lái)越常見(jiàn)，其中當(dāng)基坑土方開(kāi)挖深度超過(guò)10 m時(shí)，出土效率將面臨較為嚴(yán)重的降效問(wèn)題[1-2]。為保證土方開(kāi)挖效率和工程工期，業(yè)內(nèi)技術(shù)人員和專家進(jìn)行了一定程度的優(yōu)化探索。

陳學(xué)光等[3]針對(duì)20 m深度的深基坑，設(shè)計(jì)采用了一種土方組合開(kāi)挖技術(shù)，即采用“棧橋、出土平臺(tái)＋預(yù)留出土洞內(nèi)中心島式土方開(kāi)挖＋支撐結(jié)構(gòu)下盆式開(kāi)挖”的方案，使基坑出土效率達(dá)到2 100 m3/d。

程亮[4]基于某21 m深的狹小場(chǎng)區(qū)超深基坑項(xiàng)目，通過(guò)妥善處理與支護(hù)施工交叉作業(yè)場(chǎng)地占用問(wèn)題，分步分段進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，優(yōu)化布置場(chǎng)區(qū)內(nèi)走向和坡度，合理安排土方坡道改移作業(yè)時(shí)間，及時(shí)對(duì)坡道進(jìn)行恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)土方開(kāi)挖綜合效率近2 000 m3/d。

胡海英等[5]依托深圳平安金融中心大廈項(xiàng)目，為保證開(kāi)挖深度達(dá)約34 m基坑的出土效率，借助圓環(huán)支撐設(shè)計(jì)了棧橋坡道出土，取得了較好的效果。

陽(yáng)凡等[6]在傳統(tǒng)出土方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)一套完整的多功能組合出土系統(tǒng)，使3臺(tái)起重機(jī)均可吊裝開(kāi)挖裝備至基坑挖土處，從而有效加快出土進(jìn)度。

王龍等[7]為實(shí)現(xiàn)基坑土方的快速高效出土，創(chuàng)造性地在出土坡道的臨時(shí)擋土墻中設(shè)置了鋼板樁，使出土通道基于對(duì)撐和出土坡道而形成，達(dá)到了高效經(jīng)濟(jì)的效果。

覃敏寧等[8]則設(shè)計(jì)了一種螺旋形棧橋，借助樁基＋鋼格構(gòu)＋鋼構(gòu)造＋混凝土棧橋的形式，實(shí)現(xiàn)了在圓環(huán)支撐內(nèi)側(cè)的高效出土，解決了深基坑無(wú)法設(shè)置直線出土坡道的難題。

綜上所述，根據(jù)基坑不同的支撐設(shè)計(jì)形式，可結(jié)合實(shí)際工況，采取不同的出土方式。本文在前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[9-12]，結(jié)合某項(xiàng)目深基坑開(kāi)挖實(shí)例，通過(guò)將超深基坑分解成若干個(gè)較淺的淺基坑，保證渣土車均能直接在作業(yè)面裝土外運(yùn)，從而形成了一種新型的深基坑土方出土方案。

1 工程概況

背景案例中的大型綜合體項(xiàng)目位于繁華的城市中央商務(wù)區(qū)，整個(gè)用地近似呈矩形（圖1），主要業(yè)態(tài)為地下室、商業(yè)、辦公樓及酒店型公寓，為典型的超高層工程。項(xiàng)目基坑周長(zhǎng)近500 m，土方開(kāi)挖量逾30萬(wàn) m3，基坑開(kāi)挖深度在24～31 m之間，采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻圍護(hù)形式。

圖1 項(xiàng)目基坑俯瞰示意

2 施工重難點(diǎn)分析

2.1工程工期緊

在地下連續(xù)墻及樁基施工階段，受到相關(guān)政策停工及秋冬季大氣污染治理停工等影響嚴(yán)重，最終使土方開(kāi)挖的實(shí)際開(kāi)始日期較合同規(guī)定的開(kāi)始工期滯后了3個(gè)月，但甲方要求底板澆筑完成節(jié)點(diǎn)以及工程整體竣工交付日期不變。同時(shí)，超高層施工結(jié)構(gòu)工期相對(duì)固定，工期挖掘潛力集中在地下階段。按合同規(guī)定且倒推工期，土方開(kāi)挖及支撐施工階段有效出土?xí)r間僅150 d。

2.2土方開(kāi)挖任務(wù)重

本工程基坑安全等級(jí)為一級(jí)，且位于以淤泥質(zhì)土、粉砂、雜填土為主的軟土地區(qū)，土質(zhì)較差。工程基坑土方開(kāi)挖量逾30萬(wàn) m3，挖深超過(guò)30 m，已達(dá)到第一承壓水層的隔水層底部，隨時(shí)有突涌風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，受環(huán)保高壓態(tài)勢(shì)影響，每天僅夜間8 h允許渣土外運(yùn)。因此，為保證按期履約，需充分利用時(shí)空效應(yīng)，快速完成基坑土方開(kāi)挖任務(wù)，減少變形累積。

2.3常規(guī)出土方法效率低

項(xiàng)目地處繁華區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地十分狹小，周圈用地紅線距基坑邊僅3.0～4.4 m。無(wú)法形成環(huán)形道路，導(dǎo)致無(wú)法投入大量開(kāi)挖機(jī)械設(shè)備。經(jīng)BIM技術(shù)的開(kāi)挖工況模擬分析，推算土方開(kāi)挖所需時(shí)間超過(guò)200 d，遠(yuǎn)無(wú)法滿足預(yù)期的150 d要求。其中，基坑在10 m深度內(nèi)的出土效率可達(dá)3 000 m3/d，而之后的深層土方出土降效十分嚴(yán)重，平均不足1 500 m3/d，導(dǎo)致工期拖后較多。

3 解決對(duì)策與主要思路

項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)投入的挖掘機(jī)、渣土車等十分充足，且基坑支撐已由5道支撐變?yōu)?道支撐，滿足挖掘機(jī)掏土需要。基于該實(shí)際情況，從加快土方開(kāi)挖、節(jié)約工期等方面的需求考慮，提出新型出土方案的基本設(shè)計(jì)原則為：渣土車可以直達(dá)坑底進(jìn)行土方外運(yùn)；優(yōu)化利用基坑空間，降低時(shí)間成本；開(kāi)挖時(shí)應(yīng)用裝土效率更高的挖掘機(jī)，而摒棄效率不高的抓斗機(jī)。

具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)將一個(gè)超深基坑在平面上通過(guò)出土島分解成若干區(qū)域，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)出土。再結(jié)合支撐，將整個(gè)基坑在深度上分解成若干較淺基坑來(lái)施工，使得深層土方的出土效率對(duì)比淺層土方的出土效率降效在85%以內(nèi)。因此，提出的總體方案為“結(jié)合支撐＋坡道棧橋＋多點(diǎn)出土”，即與支撐相結(jié)合，設(shè)置坡道式出土棧橋，渣土車直接行駛到土方開(kāi)挖面，利用與支撐結(jié)合的多個(gè)出土平臺(tái)，由挖掘機(jī)裝土后直接運(yùn)輸出場(chǎng)。

4 應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

4.1棧橋布置方式

本項(xiàng)目棧橋采用一橋四島形式，如圖2所示。渣土車需穿過(guò)支撐間眾多的格構(gòu)柱，但靠近場(chǎng)外道路，進(jìn)出場(chǎng)便利。出土島均布置在南北兩區(qū)，適合平衡對(duì)稱開(kāi)挖的原則，且不影響塔樓施工，出土效率高。對(duì)棧橋采用一定的安全防護(hù)措施，可保障渣土車行駛安全。

圖2 “一橋四島”式棧橋布置

初步設(shè)計(jì)完成后，利用REVIT、NAVISWORKS等專業(yè)軟件建立三維模型，將支撐與棧橋合二為一，對(duì)支撐和即將施工的正式結(jié)構(gòu)進(jìn)行碰撞檢查，不斷地修改模型布置，達(dá)到不影響支撐以及即將施工的塔樓結(jié)構(gòu)的目的。同時(shí)，利用漫游技術(shù)對(duì)比相較實(shí)際尺寸稍大的渣土車模型進(jìn)行漫游分析（圖3），考慮拐彎角度，對(duì)棧橋進(jìn)行進(jìn)一步的深化布置。

圖3 利用漫游技術(shù)對(duì)棧橋進(jìn)行進(jìn)一步深化布置

4.2棧橋豎向支撐結(jié)構(gòu)

棧橋豎向支撐結(jié)構(gòu)采用灌注樁上插格構(gòu)柱形式，格構(gòu)柱工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)施工，操作簡(jiǎn)單。格構(gòu)柱為典型的豎向支撐結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)高。具體實(shí)施時(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)確定，最后選擇四肢角鋼作為肢件，選擇460 mm×400 mm×12 mm的鋼板周邊滿焊作為綴材，插入灌注樁深度3 500 mm。通過(guò)對(duì)棧橋梁深化布置，利用現(xiàn)場(chǎng)已有工程樁，不進(jìn)行補(bǔ)樁。對(duì)格構(gòu)柱的加固進(jìn)行深化設(shè)計(jì)復(fù)核計(jì)算，通過(guò)377 mm直徑鋼管與160 mm×160 mm×16 mm的角鋼進(jìn)行加固。由第三方監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行每日監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)采取對(duì)策。

4.3棧橋橋面結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目棧橋面板采用鋼筋混凝土梁板，施工簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，與鋼混支撐連接節(jié)點(diǎn)處理簡(jiǎn)單，且剛度和穩(wěn)定性容易得到保證，適合大型渣土車進(jìn)出。通過(guò)對(duì)作用力進(jìn)行受力分析，對(duì)棧橋防滑用的預(yù)埋角鋼進(jìn)行深化設(shè)計(jì)。選擇5#角鋼作為預(yù)留預(yù)埋，角鋼間距400 mm，預(yù)埋完成后進(jìn)行檢查驗(yàn)收。驗(yàn)收合格后進(jìn)行混凝土澆筑（圖4）。

圖4 防滑角鋼施工效果

4.4安全防護(hù)結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目棧橋采用雙波板圍擋，防護(hù)效果好，能有效防止車輛行駛時(shí)偏離棧橋。實(shí)施時(shí)，在棧橋上預(yù)留錨板，間距3 m布置，工字鋼做圍擋支柱，滿焊在錨板上（圖5）。在工字鋼翼緣上穿孔固定方鋼管，順棧橋方向斜向布置，保證圍擋頂高于棧橋1.5 m（車輪一般高1 m）。方鋼管采用螺栓與焊接在錨板上的工字鋼進(jìn)行連接，保障方鋼管可以周轉(zhuǎn)使用。

圖5 防護(hù)圍擋節(jié)點(diǎn)

5 實(shí)施效果

出土棧橋平臺(tái)全面實(shí)施完畢后，對(duì)渣土車在棧橋上的行駛以及出土情況進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)渣土車能夠直達(dá)坑底直接取土運(yùn)出，出土路線順暢、高效。最終，項(xiàng)目提前合同節(jié)點(diǎn)近90 d即完成了四道撐、五步土的土方開(kāi)挖施工，平均日出土能達(dá)到178車，每車土方能運(yùn)輸15 m3土。日均出土量達(dá)到2 670 m3，高峰日出土3 705 m3，高效地完成了土方開(kāi)挖任務(wù)，保證了工期節(jié)點(diǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

在本項(xiàng)目軟土地區(qū)設(shè)計(jì)圖紙無(wú)法滿足快速出土、基坑施工安全的背景下，創(chuàng)新提出了新型出土棧橋平臺(tái)，土方開(kāi)挖全程沒(méi)有使用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)和抓斗機(jī)械等，只在最后使用塔吊和汽車吊吊運(yùn)坑中剩余的小型挖掘機(jī)。實(shí)現(xiàn)了快速出土，節(jié)約工期的目的，并且提升了項(xiàng)目的科技創(chuàng)新管理水平。總結(jié)的施工技術(shù)在今后復(fù)雜深基坑施工應(yīng)用中具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。施工過(guò)程中快速出土快速形成支撐，充分利用時(shí)空效應(yīng)，基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)一切正常，確保了基坑的安全性。