吳波士
上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050
從我國(guó)較多的工程實(shí)例總結(jié)來(lái)看,基礎(chǔ)施工占到了整個(gè)建筑物施工很大的份額,不管是工程造價(jià)還是工期,基礎(chǔ)都要占到1/3以上,大型工程甚至?xí)嫉?/2。其中基坑圍護(hù)工程對(duì)整個(gè)地下結(jié)構(gòu)施工期間的安全來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。通常情況下,單一的圍護(hù)形式因施工簡(jiǎn)便及圍護(hù)結(jié)構(gòu)完成的可靠性、便利性等特點(diǎn)而被采納[1-2]。然而單一的圍護(hù)形式(例如支撐體系)往往造價(jià)高昂,如何既能滿足基坑圍護(hù)的安全技術(shù)要求,又能節(jié)約項(xiàng)目成本,加快工程進(jìn)度,是亟待解決的問(wèn)題。本文以上海市奉賢區(qū)青少年活動(dòng)項(xiàng)目為例,根據(jù)地質(zhì)、復(fù)雜周邊環(huán)境條件等工況,研究了多種圍護(hù)形式在同一基坑工程中的優(yōu)化與應(yīng)用。
奉賢區(qū)青少年活動(dòng)中心項(xiàng)目位于上海市奉賢區(qū)奉賢新城19單元16-02地塊。該工程為綜合性大型公共文化建筑綜合體,包含工人文化宮、文化館、青少年活動(dòng)中心、婦女兒童發(fā)展指導(dǎo)中心、殘疾人綜合服務(wù)中心五大文化功能(圖1)。
圖1 工程效果圖
項(xiàng)目地上4層,地下1層,建筑高度24 m,共包含8棟單體,為綜合性大型公共文化綜合體,地下室主要為車庫(kù)及設(shè)備機(jī)房。7棟新建單體為鋼框架結(jié)構(gòu),1棟改建單體為混凝土框架結(jié)構(gòu)。
項(xiàng)目總建筑面積約9.4萬(wàn) m2?;娱_(kāi)挖面積約3.1萬(wàn) m2,基坑周長(zhǎng)約981 m,基坑大面積挖深約5.7 m,局部降板區(qū)域挖深約8.1 m,基坑為不規(guī)則多邊形,總出土量約19.5 萬(wàn) m3。
該基坑工程地質(zhì)條件較差,為上海典型土層,基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)分布有較厚的③、④層淤泥質(zhì)土層,土層軟弱,不利于基坑施工?;铀闹茑徑缆?,道路下有多條市政管線,但離基坑較遠(yuǎn),場(chǎng)地內(nèi)基坑?xùn)|南角有局部保留建筑物,周邊環(huán)境較復(fù)雜,基坑環(huán)境保護(hù)等級(jí)除東南角保留建筑物區(qū)域?yàn)槎?jí)外,其余區(qū)域均為三級(jí)。
該工程采用設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工一體化模式(EPC工程總承包模式),項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)模式為總價(jià)包干類別,施工單位與設(shè)計(jì)單位的成本、利益、風(fēng)險(xiǎn)共享。EPC總承包盈利模式需各個(gè)分項(xiàng)內(nèi)容統(tǒng)籌考慮,優(yōu)選出既能滿足業(yè)主功能和工藝要求,又能降低工程造價(jià)的方案。在該工程圍護(hù)初步設(shè)計(jì)出圖時(shí),總承包單位充分發(fā)揮設(shè)計(jì)施工聯(lián)動(dòng)的優(yōu)勢(shì),在保證基坑圍護(hù)安全性的前提下,針對(duì)圍護(hù)形式方案的選擇進(jìn)行多次比選與技術(shù)優(yōu)化。
初版圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮到重力壩圍護(hù)形式無(wú)內(nèi)支撐,且方便土方開(kāi)挖、工期相對(duì)較短等特點(diǎn),因此大部分區(qū)域均采用雙軸攪拌樁重力壩的圍護(hù)形式,鄰近保留建筑物采用鉆孔樁+雙軸攪拌樁作為擋土止水系統(tǒng),豎向設(shè)置1道內(nèi)支撐的支護(hù)形式(圖2)。
圖2 基坑圍護(hù)平面(原設(shè)計(jì))
攪拌樁采用φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁,水泥摻量13%,攪拌樁搭接200 mm,重力壩壓頂厚度300 mm,內(nèi)配φ8 mm@200 mm雙向鋼筋。鉆孔樁采用φ650 mm,混凝土等級(jí)為C30,鉆孔樁間距200 mm,鉆孔樁與止水帷幕間距150 mm。
3.3.1 東南角保留改造建筑區(qū)域圍護(hù)選型優(yōu)化
基坑?xùn)|南角鄰近1棟保留改造建筑,此區(qū)域?yàn)楸净庸こ炭刂频闹攸c(diǎn),需保護(hù)其結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)不受基坑開(kāi)挖影響。由于場(chǎng)地?zé)o卸土條件,圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工空間有限,考慮工法樁剛度較小,且與保留建筑距離較近,后期內(nèi)插型鋼拔除可能存在困難,增加造價(jià)且型鋼拔除時(shí)對(duì)周邊環(huán)境有一定影響。因此靠近改造建筑的東南角區(qū)域仍采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大、對(duì)變形控制較為有利的鉆孔灌注樁+止水帷幕+鋼支撐的圍護(hù)形式。對(duì)撐另一側(cè)靠近北側(cè)淺基礎(chǔ)的區(qū)域位移控制及穩(wěn)定性要求相比鄰近改造建筑側(cè)較低,采用工法樁的形式。
3.3.2 降板區(qū)域圍護(hù)選型優(yōu)化
對(duì)于挖深8.1 m的降板區(qū)域,原圍護(hù)方案在頂部以1∶1.5放坡卸土2 m,再采用1道鋼管斜拋撐圍護(hù)的方案(圖3)??紤]到降板區(qū)域與場(chǎng)地西北角施工生活區(qū)臨設(shè)相距較近且需預(yù)留一定余量布置施工道路,否則無(wú)法環(huán)通。同時(shí),若無(wú)卸土條件,則原先1道斜拋撐無(wú)法滿足此區(qū)域位移控制要求,因此改為2道斜拋撐(圖4)。
圖3 降板區(qū)原圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剖面
圖4 降板區(qū)優(yōu)化后圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面
支撐牛腿位于降板區(qū)東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)底板及頂板上,因此牛腿擱置處的地下室分區(qū)在整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的優(yōu)先級(jí)需提前。
3.3.3 轉(zhuǎn)角處及其他區(qū)域圍護(hù)選型優(yōu)化
該基坑工程受場(chǎng)地限制較小,例如基坑西側(cè)周邊場(chǎng)地寬松,基坑開(kāi)挖邊線至圍墻邊線約22 m,有足夠空間采用二級(jí)放坡的圍護(hù)形式,但根據(jù)地勘報(bào)告,現(xiàn)場(chǎng)有③t層砂質(zhì)粉土層存在,在一定水動(dòng)力條件下易發(fā)生塌方、管涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象,因此二級(jí)放坡區(qū)域采用雙排雙軸攪拌樁加強(qiáng)止水效果。
根據(jù)圍護(hù)及地下室結(jié)構(gòu)施工階段的場(chǎng)布圖,合理調(diào)整了周邊道路、臨時(shí)設(shè)施、材料堆場(chǎng)、距紅線較近或?qū)ξ灰瓶刂埔筝^高區(qū)域的圍護(hù)形式。采用一級(jí)放坡+工法樁的圍護(hù)形式。基坑角部形變較大的區(qū)域輔以角撐作為加固。
3.3.4 優(yōu)化后的多種基坑圍護(hù)形式
1)雙軸攪拌樁止水帷幕+二級(jí)放坡:止水帷幕采用2φ700 mm@900 mm雙軸水泥土攪拌樁;采用1∶1.5放坡,坡面設(shè)60 mm厚C20細(xì)石混凝土護(hù)坡。
2)工法樁+一級(jí)放坡:工法樁采用2φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼,頂部設(shè)置1道1 200 mm×800 mm圈梁;采用1∶1.5放坡,坡面設(shè)置60 mm厚的C20細(xì)石混凝土護(hù)坡。
3)鉆孔灌注排樁+雙軸攪拌樁止水帷幕:排樁采用φ600 mm@800 mm鉆孔灌注樁,樁頂設(shè)置1道1 200 mm×800 mm圈梁;止水帷幕采用雙排φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥攪拌樁。
4)雙軸攪拌樁重力壩:采用2φ700 mm@1 000 mm雙軸水泥土攪拌樁,壩體寬度4.2 m,攪拌樁長(zhǎng)11.0 m,攪拌樁內(nèi)外排插長(zhǎng)5.0 m、φ48 mm×3.0 mm鋼管,壩頂設(shè)置200 mm厚C20細(xì)石混凝土壓頂(圖5)。
圖5 基坑圍護(hù)平面(優(yōu)化后)
鋼支撐包含4處角撐、1處對(duì)撐、2處降板區(qū)域斜拋撐,均采用φ609 mm×16 mm鋼管。鋼管連桿采用H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼,支撐相交處設(shè)置立柱。立柱樁為φ700 mm雙軸攪拌樁,長(zhǎng)度15.0 m,水泥摻量18%。H型鋼和鋼管撐強(qiáng)度等級(jí)為Q235B(圖6)。
圖6 支撐平面布置
基坑開(kāi)挖按照后澆帶劃分各小塊(圖7)?;油练搅吭?9.5萬(wàn) m3左右,整個(gè)場(chǎng)地先卸土1.5~2.0 m進(jìn)行輕型井點(diǎn)降水后再分塊開(kāi)挖。由于場(chǎng)地及道路等條件限制,每天出土量控制在4 000 m3以內(nèi)。
圖7 基坑開(kāi)挖分區(qū)示意
由于降板區(qū)需等周邊區(qū)域施工至頂板并養(yǎng)護(hù)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度再開(kāi)挖,因此1-1區(qū)待周邊圍護(hù)及降水完成后作為第1次土方開(kāi)挖的區(qū)域。第2次開(kāi)挖范圍為1-2區(qū),跳倉(cāng)施工。第3次開(kāi)挖范圍為2-1區(qū)、2-2區(qū),由于東側(cè)外墻外有高壓電纜,2-2區(qū)在2-1區(qū)底板澆筑完成后再開(kāi)挖施工。2區(qū)土方開(kāi)挖前,4區(qū)淺基礎(chǔ)需施工完成,4區(qū)基坑南側(cè)、西側(cè)20 m范圍內(nèi)卸土2.75 m。
第4次土方開(kāi)挖為1-3區(qū)降板區(qū),降板區(qū)地下室結(jié)構(gòu)施工期間,第2道支撐通過(guò)φ609 mm鋼管端頭的400 mm×400 mm的H型鋼與鋼圍檁連接,通過(guò)焊接穿墻止水片穿墻施工、不拆撐。最后破除3區(qū)與1區(qū)中間的臨時(shí)施工道路,開(kāi)挖西側(cè)二級(jí)放坡段的3區(qū)(圖8~圖11)。
圖8 第1階段挖土工況
圖9 第3階段挖土工況
圖10 第4階段挖土工況
圖11 第5階段挖土工況
工期方面,多種形式圍護(hù)于工程樁完成、孔隙水壓力消散后開(kāi)始施工。從2019年6月25日開(kāi)始打設(shè)雙軸攪拌樁圍護(hù)至2019年8月30日完成先開(kāi)挖分區(qū)的降水與鋼支撐的安裝,具備挖土前置條件,歷時(shí)2個(gè)月。整個(gè)地下室于2019年12月31日出±0 m,圓滿地提前完成地下室結(jié)構(gòu)階段的施工,為上部結(jié)構(gòu)及裝飾施工作了充足的準(zhǔn)備。
經(jīng)濟(jì)效益方面,在滿足基坑安全性的前提下,經(jīng)測(cè)算,優(yōu)化后的基坑圍護(hù)方案較原圍護(hù)方案,工程成本共節(jié)逾600萬(wàn)元。
整個(gè)基坑圍護(hù)安全性方面,根據(jù)監(jiān)測(cè)總結(jié)報(bào)告,在整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中,各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目均有一定的變化量,少部分測(cè)點(diǎn)的日變化量超過(guò)了報(bào)警值,但在施工中均采取了相應(yīng)的施工措施,確保了基坑圍護(hù)體系和周邊環(huán)境的安全。以對(duì)保留改造建筑的影響為例,共在保留改造建筑周邊布設(shè)12個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和4個(gè)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)。
監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,整個(gè)地下室施工階段,施工對(duì)保留改造建筑的影響較小,整體變形在報(bào)警值范圍內(nèi)。在樁基施工過(guò)程中,周邊土體受到擾動(dòng),建筑物呈下沉趨勢(shì)。在開(kāi)挖時(shí),因?yàn)榭觾?nèi)土方的卸載,致使坑內(nèi)外土體壓力失衡,最終呈現(xiàn)出周邊建筑物上抬的現(xiàn)象,但無(wú)明顯差異沉降。在底板澆筑完成后,周邊變化逐漸趨向于穩(wěn)定狀態(tài),最終累計(jì)量變化范圍在1.10~8.45 mm。在開(kāi)挖過(guò)程中,保留改造建筑未出現(xiàn)明顯傾斜變化。
本文以奉賢區(qū)青少年活動(dòng)中心項(xiàng)目基坑工程為例,在基坑開(kāi)挖面積大、施工周期長(zhǎng)、變形控制要求高的情況下,因地制宜地采用多種圍護(hù)形式對(duì)整個(gè)基坑進(jìn)行圍護(hù)優(yōu)化、施工策劃,最終在工程進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)成本、基坑安全性等方面取得理想的效果,可為相似特點(diǎn)、難點(diǎn)的工程施工提供借鑒。