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        逆作法在高層建筑地基施工中的應(yīng)用

        2011-05-04 08:07:30曹俊芳
        鐵道建筑 2011年5期
        關(guān)鍵詞:挖土作法土方

        曹俊芳

        (中鐵三局集團 第四工程有限公司,北京 102300)

        1 工程概況

        和諧家園工程地上十六層,建筑高度45.0 m,地下兩層,為地下車庫、人防工程和地下設(shè)備層,基坑深度8.2 m,修建平面約為長105.0 m,寬59.0 m的矩形。施工現(xiàn)場可利用的場地較小,加工場、堆料場等無法設(shè)置,現(xiàn)場道路狹窄,且僅工地東側(cè)可以設(shè)出入口。由于本工程南側(cè)、北側(cè)及西側(cè)緊鄰現(xiàn)狀住宅樓及居民區(qū),距用地紅線不到4.0 m,其西側(cè)路與醫(yī)院、居民區(qū)相鄰,南側(cè)為六層住宅小區(qū),東側(cè)為鐵路。設(shè)計明確要求,必須嚴(yán)格控制基坑水平位移及豎向沉降,絕不容許出現(xiàn)相鄰建構(gòu)筑物發(fā)生傾斜、變形或路面開裂、下沉的情況。另一方面,從使用功能上提出要求,一是地下室的邊線應(yīng)盡量貼近用地紅線,以取得最大使用空間;二是要求盡可能縮短工期,以便及早安置回遷居民。

        2 地質(zhì)情況

        2.1 地層條件

        根據(jù)北京京西建筑勘察設(shè)計院有限公司提供的巖土工程勘察報告,現(xiàn)場場地地形較平坦,地面絕對高程為106.70~107.58 m。在勘察范圍深度內(nèi),場地地層主要由人工填土及一般第四紀(jì)洪沖積地層組成,各土層自上而下為:①層填土層為雜色,稍密,含碎石、磚塊、灰渣等,厚度約0.5~1.7 m;②層黏土層為褐黃色,稍濕,土質(zhì)均勻,含氧化鐵,厚度約2.6~3.7 m;③層卵石層為雜色,稍密,一般粒徑4~8 cm,最大粒徑14 cm,厚度約2.1~3.5 m;④細(xì)砂層為褐黃色,密實,砂質(zhì)較均勻,厚度約0~1.8 m;⑤中粗砂及粉砂層為褐黃色,松散,均勻厚度5.5 m;⑥卵石層為雜色,中密,一般粒徑4~8 cm,最大粒徑18 cm。

        2.2 地下水情況

        擬建場區(qū)內(nèi)在勘察期間 25.00 m深度范圍內(nèi),未見地下水,擬建場地地下水位埋深近3~5年內(nèi)在絕對高程81.70 m以下。

        3 施工方案

        3.1 方案設(shè)計

        由于施工場地狹小,且地下結(jié)構(gòu)南側(cè)5.1 m處有一六層居民住宅樓,北側(cè)辦公樓距紅線4.0 m,為克服場地狹小,保證施工進度,避免施工擾民等綜合各方面因素,結(jié)合現(xiàn)場施工條件確定圍護結(jié)構(gòu)采用排樁,支撐柱采用鋼管柱,圍護樁和鋼管柱均采用人工挖孔,地下室施工采用逆作法施工技術(shù)。

        按設(shè)計圖地下圍護樁為 φ800 mm,深度13.2 m,即到達基坑底面以下5.0 m為錨固深度,以確保其穩(wěn)定效果用以抵抗挖土?xí)r外側(cè)土壓力和固定連接地下室樓層板,見表1。

        鋼管柱設(shè)計采用φ750高強硅鋼管柱,長12.0 m。當(dāng)人工挖孔樁完成后,通過安裝定位器附屬裝置,把成形的1層至負(fù)2層的鋼管柱、電梯筒內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)架柱一次定位吊裝到位。

        表1 圍護樁的施工參數(shù)

        3.2 逆作法施工工序

        本工程逆作法施工是先施工地下圍護樁作為擋土圍護結(jié)構(gòu),以先澆筑的負(fù)1層樓板作為水平支撐,同時向上向下雙向施工。具體施工流程為:人工挖孔施工地下圍護樁和支撐柱→吊裝鋼管柱→0層梁板→負(fù)1層土方開挖→負(fù)1層地下室梁底板和外墻→負(fù)2層土方開挖→負(fù)2層地下室底板、負(fù)2層外墻→地下室完成。逆作法施工程序示意如圖1。

        圖1 逆作法施工程序示意圖

        3.3 逆作法步驟

        1)按基礎(chǔ)外圍面積,先施工四周的支護結(jié)構(gòu),支護體系采用地下排樁支護,排樁采用挖孔樁,人工挖孔樁采用間隔跳段施工,成孔后下鋼筋籠澆筑C25號混凝土。

        2)按設(shè)計圖施工中間支承柱和基礎(chǔ),人工挖孔樁分為基樁部分與上部空段兩部分。當(dāng)基樁部分澆筑到樁頂設(shè)計高程時,便由工人下去布置定位環(huán)安裝定位鋼板并調(diào)校水平,然后由工人在下面扶正、卡位,保證其垂直度后,在地面用十字架固定鋼管柱上端,用高拋法澆筑管內(nèi)混凝土。

        3)利用0以下的土方夯實修整后作地模,澆筑地下室0層的頂層鋼筋混凝土的梁和板,梁、板體系為圍護樁提供牢固的側(cè)向支承,其結(jié)構(gòu)類似于對撐體系。并在此層預(yù)留出挖土的出土洞口,在平面靠近便路處預(yù)留8 m×10 m出土口,方便運輸。

        4)進行地下室一層土方開挖并清運到室外卸土區(qū),土方開挖至-4 m高程,施工負(fù)二層樓面梁板及上部結(jié)構(gòu),負(fù)二層樓面出土口位置與首層同等。就地下圍護樁而言,首層和負(fù)二層樓面的水平剛度可視為兩個鉸支座。但是出土口處的槽段應(yīng)設(shè)置腰梁和鋼支持。

        5)開挖至-8.2 m高程(地下室底板底),完成土方施工,施工底板和負(fù)二層樓側(cè)墻,吊出挖土機,封閉出土口。至此地下室土建主體已竣工,同時上部結(jié)構(gòu)也已施工到8層。

        4 逆作法施工的關(guān)鍵技術(shù)

        4.1 支柱樁正確定位

        逆作法施工時,支承垂直力的是由工程樁接高的鋼管柱,將來在立柱外再包裹混凝土作正式地下室柱,所以其軸線位置與垂直度必須正確,要求偏差在20 mm以內(nèi),否則會影響正式工程柱子位置的正確性,由于鋼管柱支承在人工挖孔樁上,故兩者的準(zhǔn)確連接是施工中的一大重點和難點,本工程采用設(shè)置限位鋼板的方法來固定鋼管柱(如圖2),在人工挖孔樁樁芯混凝土上安裝25 mm厚M1型環(huán)形鋼板,在其上焊接3個16 mm厚限位鋼板用于固定鋼管位置,然后吊裝鋼管柱及澆筑樁芯混凝土封住鋼管柱腳,這樣就能最大限度地保證鋼管柱的準(zhǔn)確連接,且施工快捷。

        圖2 鋼管柱定位圖(單位:mm)

        4.2 沉降差異控制

        逆作法是先施工地下室樓板與上部結(jié)構(gòu),后施工基礎(chǔ)大底板,所以工程樁在施工前期部分受力部分不受力,因此,各根立柱會有沉降產(chǎn)生。如果各根立柱之間或立柱與圍護排樁之間有較大的沉降差,已澆筑的樓板與梁系就會產(chǎn)生裂縫,危及正式結(jié)構(gòu)的安全。以往的逆作法施工之所以不能從試驗研究推廣到大型工程,主要難點就是變形控制無法把握。現(xiàn)在隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,變形控制能夠把握,在成功的工程中,采取的措施主要有兩條。

        1)設(shè)定工況并計算沉降

        逆作法施工順序是事先設(shè)定的,在挖土的各個階段,立柱與地墻排樁受力可以正確計算,按荷載與地基樁和地質(zhì)指標(biāo)進行沉降估算,各立柱與地墻排樁相鄰沉降計算差值應(yīng)當(dāng)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計要求,其沉降差一般按結(jié)構(gòu)允許可以定為10~20 mm。

        2)施工動態(tài)控制

        巖土力學(xué)的計算與實際相差很大,因此保證結(jié)構(gòu)安全是信息化施工的重要任務(wù)。對地下墻、柱、樁,垂直與水平變形、地下水位變化、挖土工況條件等要全面進行監(jiān)測,根據(jù)實測結(jié)果再按實際工況來反算土體力學(xué)參數(shù),修正下一步工況計算,當(dāng)出現(xiàn)相鄰柱間沉降差超過報警值,可以采取停止上部結(jié)構(gòu)施工、局部放慢或加速挖土、個別地方可采取注漿和加固等措施,這些措施在和諧家園施工中都實施過。實踐證明,動態(tài)控制可以保證沉降差在一定范圍之內(nèi)的要求。

        為保證逆作法施工時圍護排樁的變形側(cè)移在安全范圍內(nèi),本工程在圍護樁上每隔20 m設(shè)1個觀測點,以防圍護樁出現(xiàn)較大位移。通過本工程逆作法施工實踐,應(yīng)注意以下問題:減少基坑支撐暴露時間,以減小基坑變形;各種節(jié)點的連接方法要適當(dāng),才能保證施工質(zhì)量;充分考慮混凝土的收縮對排樁支護結(jié)構(gòu)變形的影響。在整個施工過程中,地下圍護樁最大位移為14.3 mm,遠小于設(shè)計要求的允許值?;又苓叺乇砦窗l(fā)現(xiàn)明顯下陷,相鄰結(jié)構(gòu)物未見明顯變化,施工效果非常理想。

        4.3 逆作法施工中的挖土技術(shù)

        挖土是逆作法施工的重要環(huán)節(jié),有頂蓋的地下挖土難度大,周期長,不僅是影響工期的關(guān)鍵因素,而且挖土是產(chǎn)生變形的主要原因,也是施工安全的關(guān)鍵。由于采用逆作法施工,暗挖時受某些客觀條件影響限制而無法采用大型機械,為確保工期,本工程采用2臺pc100小型挖土機配合人力開挖,且每個工作面配備10~15人,地下水平運輸采用人力拖車運輸?shù)匠鐾量紫拢鐾恋踹\由提升設(shè)備完成,再由卡車運出工地。按正常情況應(yīng)能保證每天完成300 m3土方量,為保證土方被及時清運離場,根據(jù)現(xiàn)場情況,本工程利用了預(yù)留的2個車道口,并采用鋼結(jié)構(gòu)龍門架2臺電動葫蘆及吊斗進行土方運輸,從而滿足每天土方運輸量的要求,見圖3。

        圖3 向上施工結(jié)構(gòu)、向下施工挖土示意

        4.4 柱、梁、板的節(jié)點施工

        由于逆作法施工,其地下室的結(jié)構(gòu)節(jié)點形式與常規(guī)施工法有較大的區(qū)別。墻梁是將圍護樁上預(yù)留的埋件鑿出焊上鋼筋,柱梁的節(jié)點施工是先在中柱樁預(yù)留的鋼圈上焊上鋼筋,然后綁扎梁、板的鋼筋、澆搗混凝土,待基礎(chǔ)大底板完成后,再澆搗外包復(fù)合柱和復(fù)合墻的混凝土,見圖4。

        圖4 支撐柱與梁的連接節(jié)點

        因此施工中預(yù)埋件位置必須正確完好,后續(xù)焊接必須牢固。后澆混凝土要采取可靠措施,做到密實無收縮裂縫,這些都是逆作法施工中必須注意采取的技術(shù)措施。

        4.5 施工關(guān)鍵技術(shù)

        1)施工組織設(shè)計中應(yīng)進行逆向思維。在正作法中,地下室的剪力墻如焦點筒、人防墻及地下室外墻等作為豎向構(gòu)件承受荷載。但在逆作法中,剪力墻是先施工上一層,再施工下一層,受力模式已發(fā)生變化,故創(chuàng)建計算模型時也應(yīng)調(diào)整輸入模式。為了有效地控制基坑變形,采用了圍護排樁作為基坑支護手段,地下室各層樓面的梁板體系作為水平側(cè)向支持,圍護結(jié)構(gòu)將與內(nèi)襯墻一起組成地下室外墻結(jié)構(gòu),成為永久性構(gòu)件。

        2)鋼管柱與梁板的就位連接。本工程采用環(huán)梁節(jié)點,須預(yù)先在鋼管上焊接抗剪環(huán)箍,且定位要求一定要準(zhǔn)確。施工地下室時如高程發(fā)生錯誤,處理措施相當(dāng)困難,由于現(xiàn)場補焊環(huán)箍操作困難,而且管內(nèi)混凝土可能因溫度過高而影響受力性能。

        3)鋼管柱吊裝的垂直度控制。由于逆作法的施工工藝的特別性,決定了地下室的豎向構(gòu)件必須采用鋼管柱或格構(gòu)式鋼柱,而吊裝這一豎向構(gòu)件時怎樣控制垂直度成為關(guān)鍵因素,本工程先在樁頂高程以下1 m處布置定位鋼板,定位鋼板有三個調(diào)整螺栓,以調(diào)整鋼板水平,鋼管柱中部采用鋼筋制成籠狀定位架,在地面也設(shè)有井字形定位木架,實踐證明,這種定位方法取得了較高的精度,可以滿足工程需要。

        4)地下室樓面梁與圍護樁的連接。在逆作法工程中,內(nèi)襯墻尚未完成,邊跨的樓面梁一端支承在鋼管柱上,另一端則必須支承在地下圍護樁上。原計劃在地下圍護樁鋼筋籠中預(yù)埋連接鋼筋,地下室開挖后鑿去混凝土保護層后,扳出鋼筋與梁鋼筋焊接即可,但由于施工偏差及方案修改,這些預(yù)埋鋼筋位置難免有偏差出現(xiàn),施工中可采用局部植筋的措施解決。

        5)開挖深度的控制。土方開挖過程中必須嚴(yán)格控制開挖深度,避免圍護樁及鋼管柱的失穩(wěn),并應(yīng)在圍護樁上進行測斜監(jiān)控。

        6)樁基選定。從鋼管柱布置定位的要求來看,人工挖孔樁是較好的選擇,筆者曾在另一個工程中使用鉆孔灌注樁,由于泥漿的作用,鋼管柱難以保證垂直度,開挖后發(fā)現(xiàn)偏差較大。就本工程的地質(zhì)情況而言,黏土層和砂層比較厚且無地下水,適合采用挖孔樁。事實證明,這一措施是有效的。

        5 結(jié)語

        通過該工程的實踐表明,逆作法與通常的施工方法相比有著不可替代的優(yōu)勢。

        1)基坑與地下室結(jié)構(gòu)施工不占用關(guān)鍵線路工期,顯著地壓縮了工程施工的總工期,本工程采用逆作法比采用正作法壓縮了至少兩個月工期,取得巨大的經(jīng)濟效益。

        2)基坑施工最擔(dān)心的問題是影響鄰近地下建筑與管線安全,一般的支撐型支護體系,土體水平與垂直變形達500 mm以上,而逆作法可以控制在30 mm以內(nèi)。基坑變形小,相鄰建構(gòu)筑物影響小,實測效果表明基坑最大變形不夠20 mm,周邊路面沉降量也極小,未造成不良影響。

        3)可最大限度地使用規(guī)劃紅線地下空間,在容許區(qū)域內(nèi)充分?jǐn)U大地下室修建面積。

        4)由于支護樁與結(jié)構(gòu)墻合一,支撐與樓板合一,工程成本有了較大降低。

        [1]夏明耀,曾進倫.地下工程設(shè)計施工手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

        [2]李艷春.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

        [3]朱蕾,王如路.軌道交通安全保護區(qū)內(nèi)的深基坑逆作法施工技術(shù)[J].鐵道建筑,2007(3):49-50.

        [4]何成滔,王小林,王輝.天津地鐵和平站逆作法模板設(shè)計與施工[J].鐵道建筑,2010(8):73-76.

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