深基坑棧橋出土方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

任建業(yè), 毛運(yùn)超, 邢 帥, 賈金龍, 任亞津

(1.河北建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,河北 保定 071000;2.河北省建筑設(shè)計(jì)研究院,河北 石家莊 050000)

0 引 言

隨著建筑物高度的增加,基礎(chǔ)埋深在逐漸增大,基坑深度也相應(yīng)越來(lái)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(jīng)常出現(xiàn)在主城區(qū),基坑周邊管線錯(cuò)綜復(fù)雜,同時(shí)已建建筑、周邊道路距坑邊距離小,對(duì)變形較為敏感。這就要求挖土工期不可過(guò)長(zhǎng),并應(yīng)合理安排出土方式,提高出土效率,盡快形成內(nèi)支撐梁、筏板支撐體系,以控制基坑的變形。[2]同時(shí),大部分工程地下室?guī)缀醪紳M(mǎn)用地紅線,施工場(chǎng)地使用范圍受限,場(chǎng)地極其狹小,造成場(chǎng)內(nèi)無(wú)施工道路,嚴(yán)重制約工程機(jī)械進(jìn)出場(chǎng)效率,進(jìn)而延長(zhǎng)工程工期,也不利于項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性和安全性。[3]

支撐梁結(jié)合棧橋施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用,正逐漸成為一種必要的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。陳學(xué)光等[4]針對(duì)20 m深度的深基坑,設(shè)計(jì)并采用了一種土方組合開(kāi)挖技術(shù),即采用“棧橋+出土平臺(tái)+預(yù)留出土洞內(nèi)中心島式土方開(kāi)挖+支撐結(jié)構(gòu)下盆式開(kāi)挖”的方案,使基坑出土效率達(dá)到2 100 m3/d ;胡海英等[5]依托深圳平安金融中心大廈項(xiàng)目,借助圓環(huán)支撐設(shè)計(jì)了棧橋坡道出土方式,保證了開(kāi)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(shè)計(jì)使用了一種螺旋形棧橋,借助“樁基+鋼格構(gòu)+鋼構(gòu)造+混凝土棧橋”的形式,實(shí)現(xiàn)了在圓環(huán)支撐內(nèi)側(cè)的高效出土,解決了深基坑無(wú)法設(shè)置直線出土坡道的難題?？v觀各類(lèi)棧橋應(yīng)用文獻(xiàn),基坑支撐形式不同,棧橋設(shè)計(jì)也千變?nèi)f化。而如何既確保結(jié)構(gòu)的安全,又節(jié)約造價(jià),同時(shí)適合項(xiàng)目特點(diǎn)并最大限度為施工提供便利,是需要經(jīng)?？紤]的問(wèn)題。本文在前人研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上通過(guò)衡百?lài)?guó)際廣場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目工程實(shí)例,總結(jié)深基坑工程“一橋一島兩坡道”出土施工技術(shù),為建筑施工行業(yè)類(lèi)似工程項(xiàng)目提供施工參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 整體概況

衡百?lài)?guó)際廣場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目位于河北省衡水市桃城區(qū),東側(cè)為衡百?lài)?guó)際購(gòu)物中心,北側(cè)為怡水居住宅樓及商業(yè)樓,西側(cè)為衡水市政務(wù)中心,南側(cè)為人民路。人民路為城市中央?yún)^(qū)域主干道路,人流量大,車(chē)流密集。東側(cè)為營(yíng)業(yè)中的衡百?lài)?guó)際購(gòu)物中心,且地下停車(chē)場(chǎng)出入口緊鄰本項(xiàng)目,同時(shí)北側(cè)西部住宅樓出入道路緊鄰基坑西側(cè)邊緣,人員密集,擁堵現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。北側(cè)東部商業(yè)樓及西側(cè)政務(wù)中心辦公樓均為天然地基,無(wú)地下室,基礎(chǔ)埋深淺,對(duì)變形較敏感。項(xiàng)目周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目周邊環(huán)境

項(xiàng)目由東西塔樓、5層裙房和2層地下室組成。西塔樓共計(jì)27層,為綜合辦公樓;東塔樓共計(jì)21層,為公寓式住宅樓;底部5層裙房為商業(yè);地下室2層,為車(chē)庫(kù)。建筑最高部位106 m,建筑面積90 000 m2,通過(guò)連廊與已施工完成的衡百?lài)?guó)際購(gòu)物中心連接將成為200 000 m2級(jí)別的,集辦公、公寓、購(gòu)物于一體的大型商業(yè)綜合體。項(xiàng)目區(qū)域東西長(zhǎng)132.4 m,南北寬63.5 m、83 m(西側(cè)寬63.5 m,東側(cè)寬83 m),占地面積12 000 m2。項(xiàng)目效果如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目效果圖

1.2 基坑概況

基坑面積11 000 m2,周長(zhǎng)475 m,現(xiàn)地坪絕對(duì)高程為19.200 m(建筑±0.000絕對(duì)高程為19.800 m)?；娱_(kāi)挖深度為12.1 m,局部為13.9 m,土方開(kāi)挖量135 000 m3,基坑支護(hù)為支護(hù)灌注樁擋土結(jié)構(gòu)+三軸水泥攪拌樁隔水結(jié)構(gòu),基坑內(nèi)部設(shè)一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐梁。內(nèi)支撐局部為角撐,大部采用對(duì)稱(chēng)雙圓環(huán)環(huán)撐+對(duì)撐的形式。梁頂標(biāo)高原設(shè)計(jì)16.0 m,優(yōu)化后為15.0 m,平立面布置如圖3、圖4所示。基坑安全等級(jí)為一級(jí),使用期限為24個(gè)月,坑邊無(wú)可利用道路,場(chǎng)地極其狹小。周邊布滿(mǎn)熱力、燃?xì)狻⒐╇?、通信、?guó)防電纜、雨水、污水、地埋消防管道等管線,錯(cuò)綜復(fù)雜。

圖3 基坑支護(hù)立面布置

圖4 基坑支護(hù)平面布置

場(chǎng)地鉆探揭露表層為素填土、雜填土,其下均為第四系全新統(tǒng)沖積、沉積地層。基坑開(kāi)挖段為素填土、雜填土、粉土、粉質(zhì)黏土。人民路南側(cè)為滏陽(yáng)河,政務(wù)中心西側(cè)為怡水公園水系,地下水豐富,探明場(chǎng)地內(nèi)淺層地下水穩(wěn)定水位的相對(duì)標(biāo)高為-2.85～-2.93 m,基坑滲漏水,坑底突涌風(fēng)險(xiǎn)大。

2 施工難點(diǎn)分析

工程位于衡水市主城區(qū),三面環(huán)樓,一面臨路,場(chǎng)內(nèi)即基坑,無(wú)法設(shè)置常規(guī)內(nèi)部交通道路。場(chǎng)外人流量大,車(chē)流密集,上下班高峰施工機(jī)械禁止上路,日出土允許時(shí)長(zhǎng)為8 h,考慮環(huán)保政策影響,平均出土?xí)r長(zhǎng)不足6 h,挖土處于“內(nèi)外交困”狀態(tài),工期極為緊張。場(chǎng)地內(nèi)部無(wú)場(chǎng)地設(shè)置常規(guī)洗車(chē)池,車(chē)輛沖洗效率低,車(chē)輛出場(chǎng)速度慢制約工期。本工程為繁華地段商業(yè)綜合體項(xiàng)目,商業(yè)價(jià)值巨大,業(yè)主預(yù)期工期緊湊,對(duì)工期要求極其嚴(yán)苛,合同總工期僅為860 d,工期壓力大。基坑北側(cè)商業(yè)樓及西側(cè)政務(wù)中心辦公樓均為天然地基,無(wú)地下室,基礎(chǔ)埋深淺,距離坑邊近,對(duì)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(shí)完成內(nèi)支撐梁、筏板支撐帶施工。

3 棧橋出土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

整體考慮進(jìn)度、安全、質(zhì)量、環(huán)保、施工流水組織及經(jīng)濟(jì)性,利用FUZOR軟件4D模擬技術(shù),進(jìn)行虛擬施工,對(duì)整個(gè)地下階段施工過(guò)程進(jìn)行預(yù)演,盡可能多地將問(wèn)題暴露出來(lái),不斷地解決碰撞問(wèn)題、優(yōu)化行車(chē)路線,對(duì)各道工序進(jìn)行梳理優(yōu)化,將問(wèn)題解決在方案設(shè)計(jì)階段。最終確定施工方案后,將整體設(shè)計(jì)方案提供給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行復(fù)核、咨詢(xún)、論證、再優(yōu)化,形成最終方案。

3.2 整體設(shè)計(jì)

出土結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)為“一橋一島兩坡道”的結(jié)構(gòu)形式,如圖5所示。

圖5 “一橋一島兩坡道”結(jié)構(gòu)形式

橋,即混凝土棧橋,標(biāo)高同場(chǎng)地標(biāo)高,設(shè)置于主出入口部位,作為車(chē)輛進(jìn)出的交通樞紐;島,即土方中心島,標(biāo)高與內(nèi)支撐梁頂持平,作為二步土(支撐梁以下土方)開(kāi)挖平臺(tái),滿(mǎn)足環(huán)島多點(diǎn)作業(yè),互不干擾,也作為重要的運(yùn)土路線與坡道連接,同時(shí)中心島兼做墊層、筏板、負(fù)二層混凝土澆筑平臺(tái),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(shè)兩條坡道對(duì)應(yīng)兩個(gè)出入口,車(chē)輛根據(jù)實(shí)際情況自行選擇出入口,解決車(chē)輛沖洗等待時(shí)間長(zhǎng)、出場(chǎng)效率低,進(jìn)而造成車(chē)輛滯留的情況。一橋一島兩坡道的設(shè)計(jì),打通狹窄場(chǎng)地內(nèi)部交通運(yùn)輸體系,創(chuàng)造土方運(yùn)輸路線,保證運(yùn)土車(chē)輛安全快速出場(chǎng)。

圖6 墊層混凝土澆筑模擬

同時(shí)基于智慧工地平臺(tái)物聯(lián)監(jiān)測(cè)技術(shù)深基坑監(jiān)測(cè)系統(tǒng),分別對(duì)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(cè)井水位、棧橋平臺(tái)水平位移進(jìn)行全周期監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)預(yù)警,利用科技輔助的手段實(shí)時(shí)了解支護(hù)結(jié)構(gòu)、棧橋結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài),保證出土施工安全。

3.3 棧橋設(shè)計(jì)

利用基坑支護(hù)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的對(duì)撐部分作為棧橋下部結(jié)構(gòu),在支撐梁上部建設(shè)棧橋框架結(jié)構(gòu)直至場(chǎng)地地坪標(biāo)高,內(nèi)支撐與棧橋形成一個(gè)整體穩(wěn)定、剛度大的2層框架結(jié)構(gòu),如圖7所示。荷載通過(guò)橋面、立柱、格構(gòu)柱最終傳遞到了基礎(chǔ),不影響支撐系統(tǒng)的安全。[7]同時(shí)在棧橋橋面以降板形式設(shè)置洗車(chē)池系統(tǒng),滿(mǎn)足車(chē)輛沖洗需要。洗車(chē)池與棧橋一體化施工[8],可解決狹小空間洗車(chē)池功能系統(tǒng)設(shè)置不全的問(wèn)題,降低洗車(chē)池的施工措施費(fèi),符合綠色施工“四節(jié)一環(huán)?！币?。

圖7 棧橋結(jié)構(gòu)模型

棧橋除服役于地下出土,還將作為地下主體結(jié)構(gòu)混凝土澆筑平臺(tái)、材料進(jìn)出場(chǎng)裝卸平臺(tái),如圖8所示。棧橋選址位于車(chē)庫(kù)上部,裙房外部,不影響裙房主體結(jié)構(gòu)施工。

圖8 混凝土澆筑模擬

同時(shí),借鑒前輩對(duì)內(nèi)支撐進(jìn)行優(yōu)化[9,10]的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)支撐梁標(biāo)高進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,絕對(duì)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(kāi)挖在豎向以支撐梁為界,分兩步開(kāi)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(kāi)挖重點(diǎn)在于合理規(guī)劃支撐梁、棧橋施工穿插及出土過(guò)程坡道的轉(zhuǎn)換?？傮w順序?yàn)樽詵|向西分層退挖,挖土初期土方由1#出入口(棧橋位置)出場(chǎng),緊跟挖土進(jìn)度,進(jìn)行內(nèi)支撐梁施工及支護(hù)樁護(hù)面混凝土施工,支撐梁總體順序自東向西,局部預(yù)留1#口臨近位置,逐步向1#口收攏。具體施工又有側(cè)重,首先施工2#出口臨近位置支撐梁,確保能夠及時(shí)插入2#坡道修筑,使2#坡道早日具備上車(chē)條件,防止1#口位置挖土?xí)r,2#口不具備上車(chē)條件,導(dǎo)致土方外運(yùn)受阻。2#口具備條件后,一步土方基本進(jìn)入尾聲,此時(shí)對(duì)1#口位置土方進(jìn)行開(kāi)挖,由2#口出土(需預(yù)留部分土方,修筑1#坡道)。1#口位置土方清運(yùn)完成后,施工此部位內(nèi)支撐梁,支撐梁施工完成后形成整體,進(jìn)行上部棧橋結(jié)構(gòu)施工,棧橋達(dá)到一定強(qiáng)度后,開(kāi)始修筑1#坡道。最終形成“一橋兩坡道”形式,由兩個(gè)出入口通過(guò)坡道下探到一步土坑底,形成內(nèi)部交通體系,為二步土開(kāi)挖創(chuàng)造良好條件。

二步土,約90 000 m3。如圖9所示,依據(jù)負(fù)二層施工流水段劃分,以流水段7段、8段、9段、10段部分區(qū)域南北向10 m寬為預(yù)留中心島,采用環(huán)中心島多點(diǎn)開(kāi)挖,可同時(shí)插入1/2段、3/4段、5/6段土方開(kāi)挖,多點(diǎn)進(jìn)行,互不干擾,提升裝車(chē)效率。同時(shí),坑底渣土車(chē)土方裝運(yùn)完成后,可根據(jù)1#出入口和2#出入口洗車(chē)、滯留車(chē)狀況,自由選擇在1#出入口或者2#出入口出場(chǎng),減少出場(chǎng)等待時(shí)間,提高土方外運(yùn)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(shí)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(yùn)完成。

圖9 負(fù)二層流水段劃分

為避免長(zhǎng)時(shí)間晾槽,造成水分流失形成沙土。土方開(kāi)挖、清槽完成后,采用分段驗(yàn)槽分段施工的原則,完成一段,驗(yàn)收一段,隱蔽一段。及時(shí)插入墊層、防水、筏板基礎(chǔ)施工,形成筏板支撐帶,對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)形成可靠支撐,減少基坑變形量。

5 施工效果

衡百?lài)?guó)際廣場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目深基坑土方開(kāi)挖及地下主體結(jié)構(gòu)施工采用“一橋一島兩坡道”結(jié)構(gòu),為地下主體結(jié)構(gòu)施工的順利開(kāi)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(1) “一橋一島兩坡道”結(jié)構(gòu)體系打通狹窄場(chǎng)地內(nèi)部交通運(yùn)輸體系,解決無(wú)施工道路難題,機(jī)械行駛便捷,日均出土量為1 600 m3,遠(yuǎn)超1 100 m3目標(biāo)值。用時(shí)85 d完成135 000 m3土方外運(yùn),較計(jì)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(tái)、施工材料進(jìn)出場(chǎng)裝卸平臺(tái)、支撐梁拆除外運(yùn)吊裝平臺(tái),加快了施工進(jìn)度,縮短工期50 d,經(jīng)濟(jì)效益達(dá)300萬(wàn)元。

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

(4) 智慧工地物聯(lián)監(jiān)測(cè)技術(shù)的探索應(yīng)用,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基坑、棧橋安全運(yùn)行狀況。讓基坑安全狀態(tài)、棧橋安全狀態(tài)科學(xué)化、數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化直觀展示,并實(shí)時(shí)預(yù)警推送數(shù)據(jù)。把現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)滲透到項(xiàng)目管理之中,促進(jìn)了建造技術(shù)升級(jí)、生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變和管理模式變革,從真正意義上降低管理強(qiáng)度、提高工作效率,增加了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)智慧工地運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),也將為公司項(xiàng)目管理納入智慧房管及智慧城市建設(shè)提供十足的動(dòng)力。

6 結(jié)束語(yǔ)

工程實(shí)踐證明,“一橋一島兩坡道”結(jié)構(gòu)形式適用于采用一道混凝土內(nèi)支撐梁進(jìn)行基坑支護(hù)的、土方開(kāi)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(chǎng)地極其狹小的深基坑工程土方開(kāi)挖外運(yùn)及地下主體結(jié)構(gòu)施工,施工效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、結(jié)構(gòu)安全可靠。可為類(lèi)似工程提供借鑒與借鑒。