深基坑棧橋出土方案設計與應用

任建業, 毛運超, 邢 帥, 賈金龍, 任亞津

(1.河北建設集團股份有限公司,河北 保定 071000;2.河北省建筑設計研究院,河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著建筑物高度的增加,基礎埋深在逐漸增大,基坑深度也相應越來越大,形成了較多的深基坑工程。[1]而大部分深基坑工程又經常出現在主城區,基坑周邊管線錯綜復雜,同時已建建筑、周邊道路距坑邊距離小,對變形較為敏感。這就要求挖土工期不可過長,并應合理安排出土方式,提高出土效率,盡快形成內支撐梁、筏板支撐體系,以控制基坑的變形。[2]同時,大部分工程地下室幾乎布滿用地紅線,施工場地使用范圍受限,場地極其狹小,造成場內無施工道路,嚴重制約工程機械進出場效率,進而延長工程工期,也不利于項目的經濟性和安全性。[3]

支撐梁結合棧橋施工平臺的結構設計與應用,正逐漸成為一種必要的支護結構形式。陳學光等[4]針對20 m深度的深基坑,設計并采用了一種土方組合開挖技術,即采用“棧橋+出土平臺+預留出土洞內中心島式土方開挖+支撐結構下盆式開挖”的方案,使基坑出土效率達到2 100 m3/d ;胡海英等[5]依托深圳平安金融中心大廈項目,借助圓環支撐設計了棧橋坡道出土方式,保證了開挖深度約34 m的深基坑的出土效率,取得了良好效果;覃敏寧等[6]則設計使用了一種螺旋形棧橋,借助“樁基+鋼格構+鋼構造+混凝土棧橋”的形式,實現了在圓環支撐內側的高效出土,解決了深基坑無法設置直線出土坡道的難題?？v觀各類棧橋應用文獻,基坑支撐形式不同,棧橋設計也千變萬化。而如何既確保結構的安全,又節約造價,同時適合項目特點并最大限度為施工提供便利,是需要經常考慮的問題。本文在前人研究經驗的基礎之上通過衡百國際廣場建設項目工程實例,總結深基坑工程“一橋一島兩坡道”出土施工技術,為建筑施工行業類似工程項目提供施工參考依據。

1 工程概況

1.1 整體概況

衡百國際廣場建設項目位于河北省衡水市桃城區,東側為衡百國際購物中心,北側為怡水居住宅樓及商業樓,西側為衡水市政務中心,南側為人民路。人民路為城市中央區域主干道路,人流量大,車流密集。東側為營業中的衡百國際購物中心,且地下停車場出入口緊鄰本項目,同時北側西部住宅樓出入道路緊鄰基坑西側邊緣,人員密集,擁堵現象時有發生。北側東部商業樓及西側政務中心辦公樓均為天然地基,無地下室,基礎埋深淺,對變形較敏感。項目周邊環境如圖1所示。

圖1 項目周邊環境

項目由東西塔樓、5層裙房和2層地下室組成。西塔樓共計27層,為綜合辦公樓;東塔樓共計21層,為公寓式住宅樓;底部5層裙房為商業;地下室2層,為車庫。建筑最高部位106 m,建筑面積90 000 m2,通過連廊與已施工完成的衡百國際購物中心連接將成為200 000 m2級別的,集辦公、公寓、購物于一體的大型商業綜合體。項目區域東西長132.4 m,南北寬63.5 m、83 m(西側寬63.5 m,東側寬83 m),占地面積12 000 m2。項目效果如圖2所示。

圖2 項目效果圖

1.2 基坑概況

基坑面積11 000 m2,周長475 m,現地坪絕對高程為19.200 m(建筑±0.000絕對高程為19.800 m)。基坑開挖深度為12.1 m,局部為13.9 m,土方開挖量135 000 m3,基坑支護為支護灌注樁擋土結構+三軸水泥攪拌樁隔水結構,基坑內部設一道鋼筋混凝土內支撐梁。內支撐局部為角撐,大部采用對稱雙圓環環撐+對撐的形式。梁頂標高原設計16.0 m,優化后為15.0 m,平立面布置如圖3、圖4所示?；影踩燃墳橐患?使用期限為24個月,坑邊無可利用道路,場地極其狹小。周邊布滿熱力、燃氣、供電、通信、國防電纜、雨水、污水、地埋消防管道等管線,錯綜復雜。

圖3 基坑支護立面布置

圖4 基坑支護平面布置

場地鉆探揭露表層為素填土、雜填土,其下均為第四系全新統沖積、沉積地層?；娱_挖段為素填土、雜填土、粉土、粉質黏土。人民路南側為滏陽河,政務中心西側為怡水公園水系,地下水豐富,探明場地內淺層地下水穩定水位的相對標高為-2.85～-2.93 m,基坑滲漏水,坑底突涌風險大。

2 施工難點分析

工程位于衡水市主城區,三面環樓,一面臨路,場內即基坑,無法設置常規內部交通道路。場外人流量大,車流密集,上下班高峰施工機械禁止上路,日出土允許時長為8 h,考慮環保政策影響,平均出土時長不足6 h,挖土處于“內外交困”狀態,工期極為緊張。場地內部無場地設置常規洗車池,車輛沖洗效率低,車輛出場速度慢制約工期。本工程為繁華地段商業綜合體項目,商業價值巨大,業主預期工期緊湊,對工期要求極其嚴苛,合同總工期僅為860 d,工期壓力大。基坑北側商業樓及西側政務中心辦公樓均為天然地基,無地下室,基礎埋深淺,距離坑邊近,對基坑變形極其敏感。為減少基坑變形,必須組織快速出土,及時完成內支撐梁、筏板支撐帶施工。

3 棧橋出土結構設計

3.1 設計思路

整體考慮進度、安全、質量、環保、施工流水組織及經濟性,利用FUZOR軟件4D模擬技術,進行虛擬施工,對整個地下階段施工過程進行預演,盡可能多地將問題暴露出來,不斷地解決碰撞問題、優化行車路線,對各道工序進行梳理優化,將問題解決在方案設計階段。最終確定施工方案后,將整體設計方案提供給設計單位進行復核、咨詢、論證、再優化,形成最終方案。

3.2 整體設計

出土結構整體設計為“一橋一島兩坡道”的結構形式,如圖5所示。

圖5 “一橋一島兩坡道”結構形式

橋,即混凝土棧橋,標高同場地標高,設置于主出入口部位,作為車輛進出的交通樞紐;島,即土方中心島,標高與內支撐梁頂持平,作為二步土(支撐梁以下土方)開挖平臺,滿足環島多點作業,互不干擾,也作為重要的運土路線與坡道連接,同時中心島兼做墊層、筏板、負二層混凝土澆筑平臺,如圖6所示;坡道,作為棧橋及次出入口與中心島的連接,起承上啟下的作用。設兩條坡道對應兩個出入口,車輛根據實際情況自行選擇出入口,解決車輛沖洗等待時間長、出場效率低,進而造成車輛滯留的情況。一橋一島兩坡道的設計,打通狹窄場地內部交通運輸體系,創造土方運輸路線,保證運土車輛安全快速出場。

圖6 墊層混凝土澆筑模擬

同時基于智慧工地平臺物聯監測技術深基坑監測系統,分別對基坑頂部沉降及位移、深層水平位移、支撐梁軸力、土壓力、觀測井水位、棧橋平臺水平位移進行全周期監測,實時預警,利用科技輔助的手段實時了解支護結構、棧橋結構的安全狀態,保證出土施工安全。

3.3 棧橋設計

利用基坑支護內支撐結構的對撐部分作為棧橋下部結構,在支撐梁上部建設棧橋框架結構直至場地地坪標高,內支撐與棧橋形成一個整體穩定、剛度大的2層框架結構,如圖7所示。荷載通過橋面、立柱、格構柱最終傳遞到了基礎,不影響支撐系統的安全。[7]同時在棧橋橋面以降板形式設置洗車池系統,滿足車輛沖洗需要。洗車池與棧橋一體化施工[8],可解決狹小空間洗車池功能系統設置不全的問題,降低洗車池的施工措施費,符合綠色施工“四節一環保”要求。

圖7 棧橋結構模型

棧橋除服役于地下出土,還將作為地下主體結構混凝土澆筑平臺、材料進出場裝卸平臺,如圖8所示。棧橋選址位于車庫上部,裙房外部,不影響裙房主體結構施工。

圖8 混凝土澆筑模擬

同時,借鑒前輩對內支撐進行優化[9,10]的經驗。對支撐梁標高進行優化調整,絕對高程由16.000 m降為15.000 m,整體下降1 m,最終減少掏挖土方量5 000 m3,降低了施工難度,提高了施工效率。

4 施工流程

土方開挖在豎向以支撐梁為界,分兩步開挖,支撐梁以上土體為一步土,支撐梁以下為二步土。

一步土,約45 000 m3。一步土方開挖重點在于合理規劃支撐梁、棧橋施工穿插及出土過程坡道的轉換。總體順序為自東向西分層退挖,挖土初期土方由1#出入口(棧橋位置)出場,緊跟挖土進度,進行內支撐梁施工及支護樁護面混凝土施工,支撐梁總體順序自東向西,局部預留1#口臨近位置,逐步向1#口收攏。具體施工又有側重,首先施工2#出口臨近位置支撐梁,確保能夠及時插入2#坡道修筑,使2#坡道早日具備上車條件,防止1#口位置挖土時,2#口不具備上車條件,導致土方外運受阻。2#口具備條件后,一步土方基本進入尾聲,此時對1#口位置土方進行開挖,由2#口出土(需預留部分土方,修筑1#坡道)。1#口位置土方清運完成后,施工此部位內支撐梁,支撐梁施工完成后形成整體,進行上部棧橋結構施工,棧橋達到一定強度后,開始修筑1#坡道。最終形成“一橋兩坡道”形式,由兩個出入口通過坡道下探到一步土坑底,形成內部交通體系,為二步土開挖創造良好條件。

二步土,約90 000 m3。如圖9所示,依據負二層施工流水段劃分,以流水段7段、8段、9段、10段部分區域南北向10 m寬為預留中心島,采用環中心島多點開挖,可同時插入1/2段、3/4段、5/6段土方開挖,多點進行,互不干擾,提升裝車效率。同時,坑底渣土車土方裝運完成后,可根據1#出入口和2#出入口洗車、滯留車狀況,自由選擇在1#出入口或者2#出入口出場,減少出場等待時間,提高土方外運效率。1～6段土方完成后,中心島即7～10段自西向東退挖,適時插入1#坡道拆除,由2#出入口出土,最后逐步拆除2#坡道,直至所有土方清運完成。

圖9 負二層流水段劃分

為避免長時間晾槽,造成水分流失形成沙土。土方開挖、清槽完成后,采用分段驗槽分段施工的原則,完成一段,驗收一段,隱蔽一段。及時插入墊層、防水、筏板基礎施工,形成筏板支撐帶,對支護結構形成可靠支撐,減少基坑變形量。

5 施工效果

衡百國際廣場建設項目深基坑土方開挖及地下主體結構施工采用“一橋一島兩坡道”結構,為地下主體結構施工的順利開展打下了堅實的基礎。

(1) “一橋一島兩坡道”結構體系打通狹窄場地內部交通運輸體系,解決無施工道路難題,機械行駛便捷,日均出土量為1 600 m3,遠超1 100 m3目標值。用時85 d完成135 000 m3土方外運,較計劃工期縮短近40 d。

(2) 有效利用棧橋作為混凝土澆筑施工平臺、施工材料進出場裝卸平臺、支撐梁拆除外運吊裝平臺,加快了施工進度,縮短工期50 d,經濟效益達300萬元。

(3) 快速出土期間未發生滲水、透水、突涌等事故,基坑變形均在允許范圍內,周邊既有建筑、道路、市政管線等未發生明顯變形。

(4) 智慧工地物聯監測技術的探索應用,實時監測基坑、棧橋安全運行狀況。讓基坑安全狀態、棧橋安全狀態科學化、數據化、自動化直觀展示,并實時預警推送數據。把現代信息技術和人工智能技術滲透到項目管理之中,促進了建造技術升級、生產方式轉變和管理模式變革,從真正意義上降低管理強度、提高工作效率,增加了項目團隊智慧工地運用經驗,也將為公司項目管理納入智慧房管及智慧城市建設提供十足的動力。

6 結束語

工程實踐證明,“一橋一島兩坡道”結構形式適用于采用一道混凝土內支撐梁進行基坑支護的、土方開挖深度在10～15 m的、周邊存在已建建筑物且距離坑邊距離小的、施工場地極其狹小的深基坑工程土方開挖外運及地下主體結構施工,施工效率高、經濟效益好、結構安全可靠。可為類似工程提供借鑒與借鑒。