環形斜坡棧橋在超深基坑工程中應用

雍金兵 張 磊

1. 南京南大巖土工程技術有限公司 江蘇 南京 210000

2. 中建八局第二建設有限公司 山東 濟南 250000

1 工程概況

本工程基坑形狀近似為70m×160m的長方形，開挖面積11200m2，支護周長460m，開挖深度19.70～20.70m。基坑支護結構安全等級為一級，重要性系數為ro=1.1。基坑周邊環境復雜，北側為博愛街及高架橋引橋，地下室外邊線距紅線最近距離約5.0m，距引橋最近距離約11.6m。東側為地鐵一號線、地鐵三號線、站中四路，地下室外邊線距紅線最近距離約4.25m，距地鐵一號線最近處約32.80m，距地鐵三號線最近處約44.60m。南側為創新街，地下室外邊線距紅線最近距離約6.5m，距道路路牙最近距離約6.5m。基坑西側為創新街和已建成D地塊（地下兩層，基礎埋深10m），地下室外邊線距紅線最近距離約3.0m，距道路路牙最近距離約3.0m，距D地塊最近距離約22.0m。

圖1 支護結構與地鐵關系圖

2 工程水文地質條件

擬建場地隸屬于崗地～崗間坳溝地貌單元。基坑開挖影響范圍內的土層分布如下：

1-2素填土，灰黃～灰色，松散，以黏性土為主，夾少量碎石、磚塊和風化巖，局部底部為灰色淤質填土，不均質，密實度差。填齡不一，主要為近8年內人工堆填而成。層厚2.40～7.30m，均有分布。

2-1粉質黏土，灰黃～黃灰色，可塑，含鐵錳質浸染斑點及灰色黏土團塊，粉質含量稍重，層厚0.90～4.80m，層頂埋深2.40～5.60m，坳溝區分布。

2-2粉質黏土，黃灰～灰色，可塑局部軟塑，含鐵錳質浸染斑點，層厚1.00～11.40m，層頂埋深4.40～8.50m，坳溝區分布。

3-3粉質黏土，褐黃色，硬塑，局部可塑含鐵錳質結核及青灰色黏土團塊，局部底部夾少量碎石。層厚2.50～15.10m，層頂埋深3.20～16.70m，普遍分布。

4含碎石粉質黏土，褐黃色，硬塑，碎石含量5～20%，棱角狀為主，大小1～3cm，層厚0.60～0.80m，層頂埋深15.30～18.60m。局部分布。

5-1強風化泥質砂巖，紫紅色，密實原巖已風化呈砂土狀，手捏易碎，遇水軟化強烈。屬極軟巖類，極破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚0.90～5.70m，層頂埋深14.70～21.60m，普遍分布。

5-2中風化泥質砂巖，紫紅色，巖芯呈短柱～柱狀，較完整，裂隙較發育，鈣質及泥質充填或膠結，巖質較軟，夾薄層狀泥巖。較完整，屬極軟巖～軟巖類，巖體質量基本等級為V級。層頂埋深16.50～23.30m，普遍分布。

擬建場地下水主要為孔隙潛水，賦存于①層、②層土體中，主要接受大氣降水入滲補給，以蒸發排泄及側向徑流為主，水位動態受季節性變化影響明顯。勘探期間測得孔隙潛水初見水位埋深為1.80～2.70m（水位10.38～11.10m），穩定水位為埋深1.60～2.50m（水位10.58～11.39m）。據區域水文地質資料表明，該地區潛水水位年變幅在2.0m左右，歷史及近3～5年最高水位可按場地整平室外地坪下埋深0.50m考慮。場區內基巖主要為泥質砂巖，其強風化巖層厚薄不均、泥質重，富水性弱；中等風化巖層裂隙較發育，但裂隙多被泥質及鈣質充填，彼此連通性差，富水性較弱，局部裂隙發育密集區域，會賦存一定量裂隙水，總體水量小。

表1 深基坑基坑設計參數表

3 設計方案

圖2 支撐方案及棧橋圖

基坑形狀比較規則，開挖面積大，支護周長長，開挖深度深，屬于深大基坑。基坑周邊存在地鐵、市政道路、管線和已建建筑，周邊環境條件復雜，需采取有效支護體系保護基坑周邊環境的安全。同時場地開挖深度內局部分布可塑～軟塑狀態2-2粉質黏土，土的工程性質差，對基坑支護結構選型影響大。結合類似工程經驗，充分考慮本項目基坑特點和周邊環境，基坑外側采用灌注樁擋土方案，內側采用角撐加對撐的常規混凝土支撐體系，共設置三層，利用混凝土支撐體系剛度大有效保護基坑周邊環境，坳溝區域采用φ850@1200單排三軸深攪樁套幅施工進行止水，內側采用“明溝加集水坑”進行疏干排水；坡頂設置“截水溝”排水系統進行截水，支護樁內側設置樁間掛網噴漿防護網。基坑共設置四道換撐結構，當底板換撐和負四層頂板換撐結構施工結束后拆除第三層支撐，負三層頂板換撐施工結束后拆除第二層支撐，負二層頂板換撐施工結束后拆除第一層支撐。

4 工程難點及解決方案

設有多道內支撐基坑土方開挖施工時一般采取設置土坡，挖掘機械及運輸車輛經由土坡入坑施工；土坡按一定的坡比放坡需要占用較大的坑內空間，極大影響坑底作業面的展開[1]。本項目基坑周邊可利用場地小，土方外運量接近23萬m3，開挖量很大。基坑普遍挖深20.0m以上，在土方開挖至第二層混凝土支撐以下時，受場地限制傳統的出土坡道已無法滿足其修坡距離，一半以上土方量不能在坑底進行裝車，影響出土效率。怎么加快土方開挖速度，節約工期是本方案首要解決的問題。工程中常見的解決方案是設置棧橋，利用首層混凝土支撐角撐或對撐形成梁板體系，不僅可以提供運土作業平臺，還可以作為臨時材料堆放點[2]。在棧橋區域停放土方運輸車輛和挖土機械進行土方開挖外運。土方外運結束后利用棧橋進行材料加工和混凝土澆筑施工。這種棧橋體系雖然能提高土方外運效率，但由于棧橋覆蓋不到的區域需要在坑底進行土方翻倒至棧橋附近進行裝車外運，整體開挖效率并不高，土方開挖周期仍然很長。

本工程結合項目自身特點設置環形斜坡棧橋，棧橋從地面標高下降至第三層支撐梁梁頂標高，沿角撐和對撐區域以1:8坡比環形下降，在首層、二層和三層支撐梁標高處設置三處平臺。棧橋內側與支撐梁體系共用格構鋼立柱和立柱樁節約工程成本，外側單獨設置格構鋼立柱和立柱樁。該方案可使土方外運車輛沿棧橋下至坑底，在坑底裝車后沿棧橋外運至場外，大大提高了土方外運的效率。同時土方開挖至坑底后，可利用棧橋進行混凝土澆筑，加快底板澆筑速度，減少基坑暴露時間。

5 斜坡棧橋方案設計

棧橋受外界影響因素隨機性很強，作用效果復雜，尤其豎向移動荷載增大了支撐桿件及立柱的平面失穩幾率，在設計階段應綜合考慮棧橋寬度及其平面覆蓋范圍、豎向移動荷載取值、立柱承載力及結構計算模式等因素[3]。棧橋結構在施工和使用中要受到自身的、外部的、直接的、間接的各種因素的作用，如結構自重、人群荷載、車輛荷載及其沖擊力、制動力、搖擺力等[4]。棧橋體系是臨時結構，設計采用承載能力極限狀態法進行設計，不考慮正常使用狀態下的裂縫及擾度驗算。棧橋梁和支撐梁共用構件設計時，按照受彎構件和壓彎構件兩種工況進行包絡設計，純棧橋梁按照純彎構件設計，棧橋板的施工車輛荷載參照《公路橋涵設計通用規范》車輛荷載標準值表4.3.1-3車輛荷載的主要技術指標取值。參照《建筑結構荷載規范》中由可變荷載控制的效應設計值進行組合計算荷載設計值。棧橋梁長邊方向按照多跨連續梁設計，短邊方向按照兩端固定支座梁設計，棧橋板按照雙向板進行設計，鋼立柱按照雙向壓彎構件復核承載力和穩定性，彎矩應疊加斜坡棧橋汽車荷載制動力在水平方向分力引起的彎矩。經復核計算棧橋構件混凝土強度等級采用C35混凝土，梁跨度按照小于9.0m控制，采用900×900混凝土梁和300厚混凝土板作為棧橋梁板，梁上口與板坡度一直下口水平，減少斜坡棧橋梁板澆筑時的難度。支撐梁與棧橋共用立柱時設置四根L180×18的角鋼作為鋼立柱，外側單獨設置立柱時采用四根L160×14的角鋼作為鋼立柱。棧橋與支撐梁共用節點和立柱共同組成桁架體系，平面內、外剛度均很大，棧橋下方未設置剪刀撐，減少了棧橋覆蓋區土方開挖的難度。土方開挖至第二層混凝土支撐標高時開始施工棧橋，棧橋梁與首層支撐梁共用節點時在支撐梁澆筑時預埋鋼筋。斜坡棧橋體系的設置解決了第二層混凝土支撐標高以下至坑底標高以上部分土方開挖難題。

6 棧橋施工要求

圖3 格構柱偏位處理大樣

棧橋施工時各構件嚴格按照圖紙要求及規范規定實施。棧橋立柱樁為端承樁，孔底沉渣厚度需要嚴格控制確保立柱樁承載力。格構柱和立柱樁施工同步完成，同時格構柱頂部須嵌入棧橋梁中，標高隨棧橋梁板標高變化，頂標高控制是一大難點。土方開挖至第二層支撐梁標高時，開始施工第二層混凝土支撐和斜坡棧橋。棧橋覆蓋區域土方開挖時，按照棧橋坡度及標高進行修坡、開槽。在修坡時對承載力不滿足設計要求的基底土進行換填、壓實，完成后澆筑墊層、綁扎鋼筋。土方采用機械與人工相結合的方式進行，大部分土方以機械開挖為主，基底往上30cm采用人工開挖，避免擾動基底原狀土。與首層支撐梁共用節點處，預埋鋼筋應進行除銹調直處理，檢查預留鋼筋長度是否滿足規范要求。鋼筋施工結束后進行梁板混凝土澆筑，棧橋混凝土采取分段澆筑并加入早強劑、微膨脹劑及控制混凝土溫度應力的措施防至混凝土收縮開裂。局部格構柱偏位時按照偏位處理措施進行施工。

棧橋梁、板達到設計強度后方可投入使用，施工荷載施加保證均勻分布，每跨內最多同時分布一輛施工機械，全部鄰跨布置施工機械不得超過一輛，堆載不得超過25kPa，單位施工車輛滿載下不得超過50t。施工車輛進度場地后控制行駛速度，不得突然加速、急剎車或急轉彎，盡量防止急停，施工現場設置明確的施工車輛行駛方向指示牌和限速標志牌。使用過程中應保持棧橋橋面的干凈整潔，及時清理車輛外運灑落的泥土塊、污泥、污水等。棧橋使用完畢后要編制詳細的拆除方案，拆除過程中應有可靠的保護措施確保主體結構安全。

7 總結

土方外運速度是制約深大基坑工期的一大因素，多層支撐梁體系的基坑，由于開挖深度很深，土方外運車輛不能利用土坡坡道下至坑底進行裝土外運。解決此類問題的方案往往是在首層支撐梁上面設置水平棧橋，利用棧橋平臺來進行土方外運，棧橋平臺覆蓋區域以外的土方需要機械進行內倒至棧橋覆蓋區域進行外運，出土效率較低。本工程利用環形斜坡棧橋，土方外運車輛可在基坑底部進行裝土外運，大大提高了土方外運的效率，縮短了土方開挖周期。同時棧橋沿角撐和對撐區域環形設置，與支撐體系共用部分支撐梁桿件、鋼立柱和立柱樁節約了工程造價。在基坑開挖到底后，利用斜坡棧橋進行底板混凝土澆筑，縮短了底板封閉周期，減少了基坑暴露時間。環形斜坡棧橋為類似深大基坑提供了一種切實可行的解決方案。