地铁旁地下结构半逆作法施工探索论文
【摘 要】邻近地铁及周边地下管线和现有建筑众多的工程施工, 对基坑稳定和周边环境保护要求较高, 基坑施工采用逆作法、半逆作法日益增长。针对工程实际, 介绍邻近地铁深基坑采用半逆作法施工的工艺方法、适用条件, 分析了施工顺序中的难点及采取相应的技术措施, 为类似工程施工提供借鉴。
【关键词】深基坑 地下结构 半逆作法 支撑系统 " 盆式 " 开挖
1 工程概况
某大厦地处闹市, 属旧区改造项目。由 1#、2# 主楼及裙楼组成, 占地面积 7 040.6 m2, 建筑面积 58 136.0 m2, 地下建筑面积 9 408.2 m2, 基坑面积约 4 730 m2。主要用途为商业、酒店式公寓等。1#、2# 主楼均为地上 28 层, 地下两层。裙房为地上 4 层地下两层,整个地下室连成一体。采用桩筏基础, 桩基采用钻孔灌注桩。主体结构为钢筋混凝土框架 - 核心筒结构, 裙楼为钢筋混凝土框架结构。地下两层为车库, 战时为六级人防工程, 平战结合。
基坑南北方向长约 93 m,东西方向宽约 5 9 m, 呈不规则形状。地下一层层高为 4 .5 m, 地下二层层高为 3.7 m,主楼底板板厚 1 .6 m, 裙房底板厚 0.7 m。主楼基坑开挖深度为 9 .45 m( 包括 0 .20 m厚垫层) , 裙楼基坑开挖深度8 .55 m( 包括 0 .20 m厚垫层) 。本工程基坑等级为一级基坑。
地铁线区间隧道位于基地西侧, 呈南北走向分布。基坑边距区间隧道净距约 6 m,平行距离约 80 m, 地铁隧道顶部深约 11～15 m, 隧道 φ6.2 m。且基地周边市政管线和临近的多层、高层建筑物众多。
根据项目岩土工程勘察报告揭示, 本工程场地土砂性较严重, 自然地面下 1.5 m至 14 m左右均为砂性土, 且含水量丰富, 渗透系数较大。
2 基坑施工方案
根据本工程的基坑面积、地下室分布、开挖深度、周边环境的实际情况以及工期和造价等因素的综合考虑, 基坑施工最终确定先是裙楼向下逆作, 待基础底板形成后再主楼( 芯筒部分) 向上顺作至±0.000 的半逆作法方案。
采用地下连续墙 + 结构梁板替代水平支撑 + 主楼顺作、裙楼逆作的总体围护设计构想; 即基坑开挖阶段采用地下连续墙作为临时围护体, 结构梁板作为水平支撑, 临时立柱作为基坑的竖向支撑系统, 裙楼地下各层结构采用由上而下的逆作施工方式, 主楼待逆作施工至基底时采用由下而上的顺作施工方式 。逆作施工阶段为方便土方出土, 加快施工速度, 在裙楼地下结构楼梯扶梯部位和主楼核芯筒剪力墙位置设置出土口, 出土口周边的结构梁兼作为临时支撑作加强处理, 中间设双拼 H型钢临时支撑。
2.1 水平支撑系统
以结构梁板作为基坑开挖阶段的水平支撑, 其支撑刚度大, 对水平变形的控制极为有效, 同时也避免了大量临时支撑的设置和拆除以及临时支撑拆除过程中围护墙的二次受力和二次变形对环境造成的进一步影响, 较大程度上保证了基坑的安全性。在首层结构梁板上设置专用的施工车辆运行通道及堆载梁板, 作为施工机械的挖土平台及车辆运输通道, 主楼及裙楼局部位置预留出土口, 为逆作施工阶段的出土带来极大的方便, 有利于加快施工进度节约工期。
2.2 竖向支承系统
本工程采用地下连续墙作为基坑围护结构, 地下墙墙体厚度 800 mm, 入土深度 20 m, 在基坑开挖阶段作为竖向支承系统; 钢格构临时立柱采用 4L160 mm×14 mm角钢制作,截面为 470 mm×470 mm, 立柱桩利用主楼结构框架下的工程桩作承载体。
2.3 留土护壁及分块开挖
本基杭工程面积较大, 开挖深度也较深, 基坑周边环境保护要求较高, 尤其基坑西侧分布有已建成的地铁区间隧道, 为进一步控制基坑大面积挖土卸荷不可避免产生的基坑变形及基底回弹隆起, 最大限度减少因基坑开挖对周边环境产生的影响, 采取先逆作施工地下室各层梁板结构, 然后盆式开挖中部区域的挖土方式; 同时考虑到基坑开挖的第二层、第三层挖土工况, 即顶板、中楼板结构形成后开挖至每次挖土基底的工况下, 围护体的竖向暴露跨度较大, 为减少围护体的跨度以控制其变形, 该工况下采取基坑周边留土放坡开挖至坑底标高, 其后分段开挖基坑周边的留土, 并迅速浇筑垫层, 使之形成对通支撑, 最后再快速浇筑中楼板、基础底板, 以控制基坑内的土体回弹和围护墙的变形, 保护地铁及周边环境。特别是在第三层挖土工况中, 由于结构底板厚度不一, 垫层不在同一标高上, 难以形成对撑作用; 故结构底板采用分三块进行施工, 先开挖两主楼间的裙楼区域至基底,保留两边主楼区域土体, 并迅速形成裙楼结构底板, 在基坑中央形成一道刚度较大的对撑; 然后再开挖两边主楼区域土体, 再浇筑结构底板( 图 1) 。
3 技术准备与部署
3.1 逆作法施工的设计特点
逆作法施工需要设计与施工的紧密结合。根据目前的工程实践, 逆作法施工适用于:
( 1) 坑面积大、深度深, 周围环境复杂, 对变形要求较严格;
( 2) 结构形式尽可能为框架结构, 并尽可能地减少剪力墙部位的逆作施工;
( 3) 地下室层高较高, 柱网较规则且柱距较大, 如采用全逆作法施工, 则首层层高也应较高( 以便出土机械、车辆作业施工) ;
( 4) 从顶板往下各层楼板的标高、梁高应尽可能统一、规则, 有可能的话可设计成无梁楼盖, 以减少同层挖土中的标高差;
( 5) 柱下布有工程桩, 且尽可能布置“一柱一桩”型竖向临时立柱, 以减少坑内立柱数量, 当桩的设计承载力较大时,可设计成大口径桩以提高单桩承载力, 柱截面尺寸应偏大,尽可能采用“宽柱窄梁”;
( 6) 结构顶板上应布置有重载区域, 以便重型施工机械及车辆停放、行走。
3.2 本工程设计状况
由于本工程地下结构存在 3 家设计单位 ( 主体设计、围护设计及人防设计) 平行分包设计, 且过程中缺乏必要的协调和结合; 而且原先的主体设计在方案阶段直至施工图阶段, 全部按顺作考虑, 根本没有考虑到逆作法的设计特点。这主要表现在以下几点:
( 1) 地下室层高偏低, 挖土净空高度较小;
( 2) 柱网不够规则, 且柱距偏小, 围护设计在布置临时立柱时, 抽掉了一部分柱而没有布置临时立柱, 使结构柱网在地下结构施工工况下与正常使用工况下不同, 要求对结构梁、板根据施工工况进行复算;
( 3) 板、中楼板标高太多, 且梁高不一;
( 4) 大多数柱下无桩, 只能采用“一柱二桩”“、一柱三桩”型, 使基坑内立柱大量增多, 桩间托梁使结构梁、柱节点变得更为复杂, 且柱截面尺寸普遍偏小, 而梁受层高限制做得较宽, 成为“窄柱宽梁”型;
( 5) 原主体设计单位对取土口周边梁、顶板重载区域等设计需与围护设计单位、施工单位结合并优化。
3.3 技术准备与部署
根据本工程半逆作法施工的.具体情况,我们在施工前作了下述技术准备与部署:
( 1) 据现场车辆行走条件及出土、施工等需要, 确定重载区域和楼面荷载, 提交设计单位进行验算;
( 2) 对取土口周边梁按围护结构圈梁要求进行验算和优化;
( 3) 对梁板水平传力体系进行验算和优化, 特别是楼板标高变化处, 防止梁、立柱在水平力传递过程中受扭或受剪破坏;
( 4) 由于本工程立柱较多, 对立柱布置进行优化, 使之尽可能方便土方开挖;
( 5) 对“一柱一桩”型结构柱截面作优化, 使临时立柱在合理偏差下能包含于柱中;
( 6) 对原“一柱二桩”、“一柱三桩”立柱间的托梁设计进行优化, 使框架节点尽可能地简单化;
( 7) 由于本工程施工工况与正常使用工况的结构柱网存在差异, 故需对施工工况下的结构梁、板进行全面验算;
( 8) 对梁、柱节点的钢筋布置, 进行深化、翻样。
( 9) 在全面理解围护设计半逆作法施工设计意图的基础上, 对本工程围护及地下结构施工顺序作全面部署, 见图2。
4 立柱垂直度控制
立柱垂直度的偏差控制, 是逆作法施工的技术难点之一。根据当前的工程实践, 控制立柱垂直度偏差的有效方法就是利用特制的定位纠偏架。定位纠偏架采用高强膨胀螺栓固定于硬地坪上, 利用测量仪器可将架体的中心与桩位中心重合; 利用架体下端螺栓可将立柱位置( 包括中心位置与平面转动) 准确固定; 利用架体上部的千斤顶校正立柱垂直度( 图 3) 。
5 基坑降水
本工程基坑降水采用真空深井降水。由于本工程场地土砂层深厚, 含水率高, 土的渗透系数大, 所以降水条件优越,但是降水效果的好坏将直接影响到土方开挖的顺利进行, 以至直接影响到基坑安全。也就是说, 成功地进行基坑降水, 能大大改善砂性土的物理力学性能, 使之有利于挖土施工; 反之则对挖土施工带来极大的困难, 甚至还会引发流砂、管涌等现象, 危及基坑安全。
6 土方开挖
土方开挖是逆作法施工的又一技术难点。由于逆作法土方开挖采用暗挖法施工, 所以挖土净空高度、立柱布置等因素对土方顺利开挖起到很大的影响; 深基坑土方开挖对围护结构及环境影响理论的研究和实践, 特别是“时空效应”理论的建立, 为深基坑土方开挖施工提供了概念性设计。
本工程土方开挖总体上依据地下结构施工的顺序及设计工况要求, 分三层开挖施工。在每层挖土作业中, 遵循“盆式”开挖的概念, 进行分区、分段开挖, 即首先保留基坑四周一定宽度的土坡以增强围护结构的被动土压力, 对基坑中央先行开挖至设计标高; 然后再分段开挖基坑四周的留置土坡, 减少围护结构( 地下连续墙) 无支撑下的暴露时间。混凝土垫层随挖随浇, 并尽可能地形成对通, 减少坑底土的暴露时间, 防止土体回弹。
第三层挖土( 最下层) 由于深度较深, 对围护结构和环境影响较大, 而主楼、裙楼底板厚度不一, 基底不在同一标高上, 所以混凝土垫层难以起到支撑作用, 故对第三层挖土、底板结构施工作分段处理, 即先开挖基坑中间段( 裙楼区域) ,并浇筑裙楼底板后, 再开挖基坑两侧主楼区域。在每段挖土作业中, 遵循“盆式”开挖法。
7 信息化施工及应急预案
深基坑施工中, 对基坑及环境监测是保障工程安全性的必要前提, 同时也为信息化施工提供必要数据; 利用基坑监测的第一手数据, 指导施工的具体组织, 控制施工速率的变化, 判定目前施工所处的状态。任何施工计划和方案都不是一成不变的, 而是通过监测信息的反馈而进行不断地修正与变化。
应急预案是我们根据以往的工程实践经验, 对可能发生危害性情况下的组织分工、物资准备和应对措施等作出的计划与部署, 如果危害性情况一旦发生, 可立即启动应急预案, 使工程施工始终处于可控制状态。应急预案的编制应通过设计单位及其他相关单位的审核与批准。
8 半逆作法结构施工
8.1 梁、柱节点钢筋施工
半逆作法结构施工的难点在于梁、柱节点的钢筋施工。一般而言, 梁、柱节点是钢筋比较密集的区域, 在逆作法施工中, 在梁、柱节点区域还需布置柱子混凝土的浇捣管、振捣管及注浆管, 同时部分梁、柱节点还布置有临时立柱, 这样使钢筋的布置变得尤为困难。逆作法施工需要我们对梁、柱节点进行细致、周密的策划, 合理布置纵向钢筋及浇捣管、振捣管和注浆管, 合理确定箍筋样式。
8.2 模板施工
逆作法施工中, 模板工程施工基本上与顺作法施工没有差别, 关键在于平台排架形式、高度等的确定, 这涉及到每层挖土的深度, 及设计工况计算。在满足设计工况计算的前提下, 合理确定每层挖土的深度及平台排架的高度。排架形式、高度等关系到合理利用施工人工、施工周转材料和施工质量。由于受设计工况计算的限制, 一般逆作法施工的平台排架较低, 在排架方案的确定过程中, 应考虑到拆模的方便。
8.3 混凝土施工
逆作法施工中, 墙、柱等竖向结构构件的混凝土浇筑是施工质量控制的重点。由于墙、柱等竖向结构构件的混凝土浇筑是通过在结构中预埋的铁管进行, 而铁管直径较小, 一般浇筑速度较慢, 要求在混凝土浇筑过程中, 应加强监控, 振捣密实。同时为了防止混凝土收缩, 使墙、柱顶部新、老混凝土交接处出现细缝, 我们从混凝土初凝到终凝的全过程中,进行注浆补液, 使墙、柱顶部浆液饱满。
9 结语
通过本工程的施工实践, 我们体会到逆作法施工的关键在于“细与精”。
“细”就是细致。逆作法施工要求我们在施工技术上做到工作细致, 这表现在设计工况的理解、施工前的技术准备与部署、施工顺序的安排、梁柱节点的设计等等。
“精”就是精度。逆作法施工的难点就在于对施工精度的要求比较高, 有些甚至是远远高于国家施工验收规范。这是逆作法施工的真正难点。围绕施工精度的要求, 我们必须采取一系列的技术措施来保证。技术措施的策划与应用需要我们长期的工程探索、实践与总结。
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