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地鐵旁地下結(jié)構(gòu)半逆作法施工探索論文
【摘 要】鄰近地鐵及周邊地下管線和現(xiàn)有建筑眾多的工程施工, 對(duì)基坑穩(wěn)定和周邊環(huán)境保護(hù)要求較高, 基坑施工采用逆作法、半逆作法日益增長(zhǎng)。針對(duì)工程實(shí)際, 介紹鄰近地鐵深基坑采用半逆作法施工的工藝方法、適用條件, 分析了施工順序中的難點(diǎn)及采取相應(yīng)的技術(shù)措施, 為類似工程施工提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】深基坑 地下結(jié)構(gòu) 半逆作法 支撐系統(tǒng) " 盆式 " 開挖
1 工程概況
某大廈地處鬧市, 屬舊區(qū)改造項(xiàng)目。由 1#、2# 主樓及裙樓組成, 占地面積 7 040.6 m2, 建筑面積 58 136.0 m2, 地下建筑面積 9 408.2 m2, 基坑面積約 4 730 m2。主要用途為商業(yè)、酒店式公寓等。1#、2# 主樓均為地上 28 層, 地下兩層。裙房為地上 4 層地下兩層,整個(gè)地下室連成一體。采用樁筏基礎(chǔ), 樁基采用鉆孔灌注樁。主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架 - 核心筒結(jié)構(gòu), 裙樓為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。地下兩層為車庫, 戰(zhàn)時(shí)為六級(jí)人防工程, 平戰(zhàn)結(jié)合。
基坑南北方向長(zhǎng)約 93 m,東西方向?qū)捈s 5 9 m, 呈不規(guī)則形狀。地下一層層高為 4 .5 m, 地下二層層高為 3.7 m,主樓底板板厚 1 .6 m, 裙房底板厚 0.7 m。主樓基坑開挖深度為 9 .45 m( 包括 0 .20 m厚墊層) , 裙樓基坑開挖深度8 .55 m( 包括 0 .20 m厚墊層) 。本工程基坑等級(jí)為一級(jí)基坑。
地鐵線區(qū)間隧道位于基地西側(cè), 呈南北走向分布�；舆吘鄥^(qū)間隧道凈距約 6 m,平行距離約 80 m, 地鐵隧道頂部深約 11～15 m, 隧道 φ6.2 m。且基地周邊市政管線和臨近的多層、高層建筑物眾多。
根據(jù)項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告揭示, 本工程場(chǎng)地土砂性較嚴(yán)重, 自然地面下 1.5 m至 14 m左右均為砂性土, 且含水量豐富, 滲透系數(shù)較大。
2 基坑施工方案
根據(jù)本工程的基坑面積、地下室分布、開挖深度、周邊環(huán)境的實(shí)際情況以及工期和造價(jià)等因素的綜合考慮, 基坑施工最終確定先是裙樓向下逆作, 待基礎(chǔ)底板形成后再主樓( 芯筒部分) 向上順作至±0.000 的半逆作法方案。
采用地下連續(xù)墻 + 結(jié)構(gòu)梁板替代水平支撐 + 主樓順作、裙樓逆作的總體圍護(hù)設(shè)計(jì)構(gòu)想; 即基坑開挖階段采用地下連續(xù)墻作為臨時(shí)圍護(hù)體, 結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐, 臨時(shí)立柱作為基坑的豎向支撐系統(tǒng), 裙樓地下各層結(jié)構(gòu)采用由上而下的逆作施工方式, 主樓待逆作施工至基底時(shí)采用由下而上的順作施工方式 。逆作施工階段為方便土方出土, 加快施工速度, 在裙樓地下結(jié)構(gòu)樓梯扶梯部位和主樓核芯筒剪力墻位置設(shè)置出土口, 出土口周邊的結(jié)構(gòu)梁兼作為臨時(shí)支撐作加強(qiáng)處理, 中間設(shè)雙拼 H型鋼臨時(shí)支撐。
2.1 水平支撐系統(tǒng)
以結(jié)構(gòu)梁板作為基坑開挖階段的水平支撐, 其支撐剛度大, 對(duì)水平變形的控制極為有效, 同時(shí)也避免了大量臨時(shí)支撐的設(shè)置和拆除以及臨時(shí)支撐拆除過程中圍護(hù)墻的二次受力和二次變形對(duì)環(huán)境造成的進(jìn)一步影響, 較大程度上保證了基坑的安全性。在首層結(jié)構(gòu)梁板上設(shè)置專用的施工車輛運(yùn)行通道及堆載梁板, 作為施工機(jī)械的挖土平臺(tái)及車輛運(yùn)輸通道, 主樓及裙樓局部位置預(yù)留出土口, 為逆作施工階段的出土帶來極大的方便, 有利于加快施工進(jìn)度節(jié)約工期。
2.2 豎向支承系統(tǒng)
本工程采用地下連續(xù)墻作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu), 地下墻墻體厚度 800 mm, 入土深度 20 m, 在基坑開挖階段作為豎向支承系統(tǒng); 鋼格構(gòu)臨時(shí)立柱采用 4L160 mm×14 mm角鋼制作,截面為 470 mm×470 mm, 立柱樁利用主樓結(jié)構(gòu)框架下的工程樁作承載體。
2.3 留土護(hù)壁及分塊開挖
本基杭工程面積較大, 開挖深度也較深, 基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求較高, 尤其基坑西側(cè)分布有已建成的地鐵區(qū)間隧道, 為進(jìn)一步控制基坑大面積挖土卸荷不可避免產(chǎn)生的基坑變形及基底回彈隆起, 最大限度減少因基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響, 采取先逆作施工地下室各層梁板結(jié)構(gòu), 然后盆式開挖中部區(qū)域的挖土方式; 同時(shí)考慮到基坑開挖的第二層、第三層挖土工況, 即頂板、中樓板結(jié)構(gòu)形成后開挖至每次挖土基底的工況下, 圍護(hù)體的豎向暴露跨度較大, 為減少圍護(hù)體的跨度以控制其變形, 該工況下采取基坑周邊留土放坡開挖至坑底標(biāo)高, 其后分段開挖基坑周邊的留土, 并迅速澆筑墊層, 使之形成對(duì)通支撐, 最后再快速澆筑中樓板、基礎(chǔ)底板, 以控制基坑內(nèi)的土體回彈和圍護(hù)墻的變形, 保護(hù)地鐵及周邊環(huán)境。特別是在第三層挖土工況中, 由于結(jié)構(gòu)底板厚度不一, 墊層不在同一標(biāo)高上, 難以形成對(duì)撐作用; 故結(jié)構(gòu)底板采用分三塊進(jìn)行施工, 先開挖兩主樓間的裙樓區(qū)域至基底,保留兩邊主樓區(qū)域土體, 并迅速形成裙樓結(jié)構(gòu)底板, 在基坑中央形成一道剛度較大的對(duì)撐; 然后再開挖兩邊主樓區(qū)域土體, 再澆筑結(jié)構(gòu)底板( 圖 1) 。
3 技術(shù)準(zhǔn)備與部署
3.1 逆作法施工的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
逆作法施工需要設(shè)計(jì)與施工的緊密結(jié)合。根據(jù)目前的工程實(shí)踐, 逆作法施工適用于:
( 1) 坑面積大、深度深, 周圍環(huán)境復(fù)雜, 對(duì)變形要求較嚴(yán)格;
( 2) 結(jié)構(gòu)形式盡可能為框架結(jié)構(gòu), 并盡可能地減少剪力墻部位的逆作施工;
( 3) 地下室層高較高, 柱網(wǎng)較規(guī)則且柱距較大, 如采用全逆作法施工, 則首層層高也應(yīng)較高( 以便出土機(jī)械、車輛作業(yè)施工) ;
( 4) 從頂板往下各層樓板的標(biāo)高、梁高應(yīng)盡可能統(tǒng)一、規(guī)則, 有可能的話可設(shè)計(jì)成無梁樓蓋, 以減少同層挖土中的標(biāo)高差;
( 5) 柱下布有工程樁, 且盡可能布置“一柱一樁”型豎向臨時(shí)立柱, 以減少坑內(nèi)立柱數(shù)量, 當(dāng)樁的設(shè)計(jì)承載力較大時(shí),可設(shè)計(jì)成大口徑樁以提高單樁承載力, 柱截面尺寸應(yīng)偏大,盡可能采用“寬柱窄梁”;
( 6) 結(jié)構(gòu)頂板上應(yīng)布置有重載區(qū)域, 以便重型施工機(jī)械及車輛停放、行走。
3.2 本工程設(shè)計(jì)狀況
由于本工程地下結(jié)構(gòu)存在 3 家設(shè)計(jì)單位 ( 主體設(shè)計(jì)、圍護(hù)設(shè)計(jì)及人防設(shè)計(jì)) 平行分包設(shè)計(jì), 且過程中缺乏必要的協(xié)調(diào)和結(jié)合; 而且原先的主體設(shè)計(jì)在方案階段直至施工圖階段, 全部按順作考慮, 根本沒有考慮到逆作法的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。這主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
( 1) 地下室層高偏低, 挖土凈空高度較小;
( 2) 柱網(wǎng)不夠規(guī)則, 且柱距偏小, 圍護(hù)設(shè)計(jì)在布置臨時(shí)立柱時(shí), 抽掉了一部分柱而沒有布置臨時(shí)立柱, 使結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)在地下結(jié)構(gòu)施工工況下與正常使用工況下不同, 要求對(duì)結(jié)構(gòu)梁、板根據(jù)施工工況進(jìn)行復(fù)算;
( 3) 板、中樓板標(biāo)高太多, 且梁高不一;
( 4) 大多數(shù)柱下無樁, 只能采用“一柱二樁”“、一柱三樁”型, 使基坑內(nèi)立柱大量增多, 樁間托梁使結(jié)構(gòu)梁、柱節(jié)點(diǎn)變得更為復(fù)雜, 且柱截面尺寸普遍偏小, 而梁受層高限制做得較寬, 成為“窄柱寬梁”型;
( 5) 原主體設(shè)計(jì)單位對(duì)取土口周邊梁、頂板重載區(qū)域等設(shè)計(jì)需與圍護(hù)設(shè)計(jì)單位、施工單位結(jié)合并優(yōu)化。
3.3 技術(shù)準(zhǔn)備與部署
根據(jù)本工程半逆作法施工的具體情況,我們?cè)谑┕で白髁讼率黾夹g(shù)準(zhǔn)備與部署:
( 1) 據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車輛行走條件及出土、施工等需要, 確定重載區(qū)域和樓面荷載, 提交設(shè)計(jì)單位進(jìn)行驗(yàn)算;
( 2) 對(duì)取土口周邊梁按圍護(hù)結(jié)構(gòu)圈梁要求進(jìn)行驗(yàn)算和優(yōu)化;
( 3) 對(duì)梁板水平傳力體系進(jìn)行驗(yàn)算和優(yōu)化, 特別是樓板標(biāo)高變化處, 防止梁、立柱在水平力傳遞過程中受扭或受剪破壞;
( 4) 由于本工程立柱較多, 對(duì)立柱布置進(jìn)行優(yōu)化, 使之盡可能方便土方開挖;
( 5) 對(duì)“一柱一樁”型結(jié)構(gòu)柱截面作優(yōu)化, 使臨時(shí)立柱在合理偏差下能包含于柱中;
( 6) 對(duì)原“一柱二樁”、“一柱三樁”立柱間的托梁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化, 使框架節(jié)點(diǎn)盡可能地簡(jiǎn)單化;
( 7) 由于本工程施工工況與正常使用工況的結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)存在差異, 故需對(duì)施工工況下的結(jié)構(gòu)梁、板進(jìn)行全面驗(yàn)算;
( 8) 對(duì)梁、柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋布置, 進(jìn)行深化、翻樣。
( 9) 在全面理解圍護(hù)設(shè)計(jì)半逆作法施工設(shè)計(jì)意圖的基礎(chǔ)上, 對(duì)本工程圍護(hù)及地下結(jié)構(gòu)施工順序作全面部署, 見圖2。
4 立柱垂直度控制
立柱垂直度的偏差控制, 是逆作法施工的技術(shù)難點(diǎn)之一。根據(jù)當(dāng)前的工程實(shí)踐, 控制立柱垂直度偏差的有效方法就是利用特制的定位糾偏架。定位糾偏架采用高強(qiáng)膨脹螺栓固定于硬地坪上, 利用測(cè)量?jī)x器可將架體的中心與樁位中心重合; 利用架體下端螺栓可將立柱位置( 包括中心位置與平面轉(zhuǎn)動(dòng)) 準(zhǔn)確固定; 利用架體上部的千斤頂校正立柱垂直度( 圖 3) 。
5 基坑降水
本工程基坑降水采用真空深井降水。由于本工程場(chǎng)地土砂層深厚, 含水率高, 土的滲透系數(shù)大, 所以降水條件優(yōu)越,但是降水效果的好壞將直接影響到土方開挖的順利進(jìn)行, 以至直接影響到基坑安全。也就是說, 成功地進(jìn)行基坑降水, 能大大改善砂性土的物理力學(xué)性能, 使之有利于挖土施工; 反之則對(duì)挖土施工帶來極大的困難, 甚至還會(huì)引發(fā)流砂、管涌等現(xiàn)象, 危及基坑安全。
6 土方開挖
土方開挖是逆作法施工的又一技術(shù)難點(diǎn)。由于逆作法土方開挖采用暗挖法施工, 所以挖土凈空高度、立柱布置等因素對(duì)土方順利開挖起到很大的影響; 深基坑土方開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及環(huán)境影響理論的研究和實(shí)踐, 特別是“時(shí)空效應(yīng)”理論的建立, 為深基坑土方開挖施工提供了概念性設(shè)計(jì)。
本工程土方開挖總體上依據(jù)地下結(jié)構(gòu)施工的順序及設(shè)計(jì)工況要求, 分三層開挖施工。在每層挖土作業(yè)中, 遵循“盆式”開挖的概念, 進(jìn)行分區(qū)、分段開挖, 即首先保留基坑四周一定寬度的土坡以增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)土壓力, 對(duì)基坑中央先行開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高; 然后再分段開挖基坑四周的留置土坡, 減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)( 地下連續(xù)墻) 無支撐下的暴露時(shí)間�；炷翂|層隨挖隨澆, 并盡可能地形成對(duì)通, 減少坑底土的暴露時(shí)間, 防止土體回彈。
第三層挖土( 最下層) 由于深度較深, 對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和環(huán)境影響較大, 而主樓、裙樓底板厚度不一, 基底不在同一標(biāo)高上, 所以混凝土墊層難以起到支撐作用, 故對(duì)第三層挖土、底板結(jié)構(gòu)施工作分段處理, 即先開挖基坑中間段( 裙樓區(qū)域) ,并澆筑裙樓底板后, 再開挖基坑兩側(cè)主樓區(qū)域。在每段挖土作業(yè)中, 遵循“盆式”開挖法。
7 信息化施工及應(yīng)急預(yù)案
深基坑施工中, 對(duì)基坑及環(huán)境監(jiān)測(cè)是保障工程安全性的必要前提, 同時(shí)也為信息化施工提供必要數(shù)據(jù); 利用基坑監(jiān)測(cè)的第一手?jǐn)?shù)據(jù), 指導(dǎo)施工的具體組織, 控制施工速率的變化, 判定目前施工所處的狀態(tài)。任何施工計(jì)劃和方案都不是一成不變的, 而是通過監(jiān)測(cè)信息的反饋而進(jìn)行不斷地修正與變化。
應(yīng)急預(yù)案是我們根據(jù)以往的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn), 對(duì)可能發(fā)生危害性情況下的組織分工、物資準(zhǔn)備和應(yīng)對(duì)措施等作出的計(jì)劃與部署, 如果危害性情況一旦發(fā)生, 可立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案, 使工程施工始終處于可控制狀態(tài)。應(yīng)急預(yù)案的編制應(yīng)通過設(shè)計(jì)單位及其他相關(guān)單位的審核與批準(zhǔn)。
8 半逆作法結(jié)構(gòu)施工
8.1 梁、柱節(jié)點(diǎn)鋼筋施工
半逆作法結(jié)構(gòu)施工的難點(diǎn)在于梁、柱節(jié)點(diǎn)的鋼筋施工。一般而言, 梁、柱節(jié)點(diǎn)是鋼筋比較密集的區(qū)域, 在逆作法施工中, 在梁、柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域還需布置柱子混凝土的澆搗管、振搗管及注漿管, 同時(shí)部分梁、柱節(jié)點(diǎn)還布置有臨時(shí)立柱, 這樣使鋼筋的布置變得尤為困難。逆作法施工需要我們對(duì)梁、柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致、周密的策劃, 合理布置縱向鋼筋及澆搗管、振搗管和注漿管, 合理確定箍筋樣式。
8.2 模板施工
逆作法施工中, 模板工程施工基本上與順作法施工沒有差別, 關(guān)鍵在于平臺(tái)排架形式、高度等的確定, 這涉及到每層挖土的深度, 及設(shè)計(jì)工況計(jì)算。在滿足設(shè)計(jì)工況計(jì)算的前提下, 合理確定每層挖土的深度及平臺(tái)排架的高度。排架形式、高度等關(guān)系到合理利用施工人工、施工周轉(zhuǎn)材料和施工質(zhì)量。由于受設(shè)計(jì)工況計(jì)算的限制, 一般逆作法施工的平臺(tái)排架較低, 在排架方案的確定過程中, 應(yīng)考慮到拆模的方便。
8.3 混凝土施工
逆作法施工中, 墻、柱等豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土澆筑是施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)。由于墻、柱等豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土澆筑是通過在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋的鐵管進(jìn)行, 而鐵管直徑較小, 一般澆筑速度較慢, 要求在混凝土澆筑過程中, 應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控, 振搗密實(shí)。同時(shí)為了防止混凝土收縮, 使墻、柱頂部新、老混凝土交接處出現(xiàn)細(xì)縫, 我們從混凝土初凝到終凝的全過程中,進(jìn)行注漿補(bǔ)液, 使墻、柱頂部漿液飽滿。
9 結(jié)語
通過本工程的施工實(shí)踐, 我們體會(huì)到逆作法施工的關(guān)鍵在于“細(xì)與精”。
“細(xì)”就是細(xì)致。逆作法施工要求我們?cè)谑┕ぜ夹g(shù)上做到工作細(xì)致, 這表現(xiàn)在設(shè)計(jì)工況的理解、施工前的技術(shù)準(zhǔn)備與部署、施工順序的安排、梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)等等。
“精”就是精度。逆作法施工的難點(diǎn)就在于對(duì)施工精度的要求比較高, 有些甚至是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家施工驗(yàn)收規(guī)范。這是逆作法施工的真正難點(diǎn)。圍繞施工精度的要求, 我們必須采取一系列的技術(shù)措施來保證。技術(shù)措施的策劃與應(yīng)用需要我們長(zhǎng)期的工程探索、實(shí)踐與總結(jié)。
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