我国经济建设的高速发展极大地推进城市化建设进程, 同时也对三维城市空间的开发提出更高要求, 由此衍生出大量基坑工程, 且开挖深度逐渐增加。由于工程要求日益复杂, 支护体系种类繁多, 且施工工艺联合使用, 对深基坑工程理论分析、设计及施工提出了更高的挑战。

随着基坑开挖深度的不断增加, 基坑工程综合性及地域性特征愈发凸显, 国内学者对基坑工程相关理论、设计、机械设备及施工工艺等开展深入研究, 杨益飞等基于实际工程案例对基坑工程设计采用的“周边逆作、中间主楼顺作”深基坑逆作法地下连续墙施工技术进行了研究;常龙等针对广州市溶洞地区见洞率高的特点, 在地下连续墙施工前提前对岩溶进行处理, 通过运用成槽机+冲击钻、严格控制泥浆密度、反循环清孔等技术取得了良好的施工效果。但超深基坑硬岩地层中嵌岩地下连续墙施工仍存在诸多难点, 尤其是施工区域紧邻地铁管线等保护区域, 需在大量实践经验的基础上构建成熟的施工技术管理体系。结合深圳恒大中心深基坑嵌岩地下连续墙工程, 对关键施工技术进行研究。

深圳恒大中心项目位于深圳市南山区白石洲, 地处白石四道与深湾三路交汇处东南侧, 总占地面积10 376m²。项目规划建设1栋超高层建筑 (72层) , 地上高度约400m, 拟设6层地下室 (见图1) 。基坑深42.35m, 形状为矩形, 基坑支护长约370m, 开挖面积约8 633m²。采用地下连续墙、三重管高压旋喷桩及隔离咬合桩作为基坑围护结构。其中旋喷桩及咬合桩主要作为地下连续墙护槽结构。地下连续墙厚1.2, 1.5m, 宽4～6m, 深41.6～64.5m, 采用H型钢止水接头。三重管高压旋喷桩设置在地下连续墙内外两侧, 按600@400 (单侧咬合200mm) 进行设置, 隔离咬合桩仅在基坑紧邻地铁侧地铁保护区范围内按1 200@800 (单侧咬合800mm) 设置在基坑外侧。

基坑北侧紧邻地铁11, 9号线。在项目红线范围内, 北侧隔离桩外边缘距地铁11号线上行线隧道结构外边线最近处仅3.0m, 对基坑围护结构要求非常严格, 是国内近年来超深基坑及逆作法施工难度较高的工程之一。

场地内分布的地层自上而下依次为人工填土层、第四系全新统海陆交互相沉积层、第四系全新统冲洪积沉积层、第四系残积层及燕山期粗粒花岗岩, 场地条件差, 地下具有坚硬岩层, 地下连续墙需入岩30余m。土层分布情况如表1所示。

地下水主要为第四系松散层中的孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。1 000m范围内周边工程场地勘察阶段钻孔施工期间测得地下水位埋深2.000～6.500m。地下水位受海水及潮汐因素影响变化幅度约2.500m。上层滞水主要赋存于填土中, 主要补给来源为雨水和生活用水;潜水或微承压水主要赋存于分布的砂层中, 含水层透水性较好;基岩裂隙水赋存于基岩风化层裂隙较发育部位, 主要分布在强风化和中风化岩层中。

1) 本基坑工程紧邻地铁保护区, 施工地下连续墙会引起周围土体变形及水位下降, 严重时将导致隧道管片开裂, 影响地铁安全运行。为保证地铁隧道不受现场施工影响, 首先施工北侧隔离咬合桩, 分离施工现场与既有地铁隧道, 然后施工地下连续墙。

2) 基坑深度最大达45m, 地下管线情况复杂, 上部土层存在较厚孤石层, 整个施工区域入岩方量大。地下连续墙厚度达1.5m, 最大墙深64.5m, 成槽垂直精度需达1/500, 地下连续墙多处需入微风化花岗岩30余m。

3) 各单项工程量大、工期短。项目场地狭小且场地北侧紧邻地铁隧道, 重型设备多, 各工艺作业面多, 材料堆场设置困难。

由于基坑紧邻地铁隧道, 需确保基坑围护结构强度、刚度及稳定性, 且避免施工作业对地铁隧道的扰动。为此, 拟采用隔离咬合桩作为地下连续墙护槽桩, 设置在紧邻地铁侧。隔离咬合桩施工采用全回转全套筒施工工艺, 对桩孔进行钢套筒跟进支护, 同时套筒始终超前隔离咬合桩施工开挖面≥2m, 防止孔底涌砂, 最大化减小隔离咬合桩施工过程中对周围土体的扰动, 从而保证地铁隧道的安全。

隔离咬合桩设计桩径1 200mm, 桩间咬合间距400mm, 为荤素结合, 具体施工工序如图2所示, 先施工素桩A1, A2, 然后施工荤桩B1, 按图2a所示施工顺序依次进行。素桩施工采用超缓凝混凝土, 缓凝时间为60～80h, 保证施工间歇情况下荤桩能正常施工并与素桩具有足够的咬合稳固性。

隔离咬合桩施工完成后, 对紧邻地铁及地下连续墙的槽壁进行加固, 采用600@400三重管高压旋喷桩分别在地铁保护区内外进行施工。地铁保护区地下连续墙各施工1排旋喷桩, 加固深度自地面至强风化岩层底部;保护区内地下连续墙内侧施工2排旋喷桩, 东西两侧旋喷桩第1排进入强风化岩层2m, 第2排施工至全风化岩层顶面, 其余加固深度自地面至强风化岩层底部。通过隔离咬合桩及三重管高压旋喷桩的结合对地下连续墙槽壁进行双重防护, 有效保证了地铁隧道安全。

地铁保护区内地下连续墙厚1 500mm, 导墙厚300mm, 采用12@200 HPB400钢筋。结合地质勘察报告及实际地质情况, 成槽施工创新采用旋挖机引孔、成槽机成槽与铣槽机铣槽结合的施工工艺。首先利用旋挖机每隔1.2m引1个孔;然后利用液压抓斗成槽机对非入岩部分进行抓斗成槽;最后利用双轮铣槽机对入岩部分进行铣削成槽 (见图3) 。同时采用泥浆护壁成槽工艺, 护壁泥浆使用膨润土拌制, 内掺重晶石粉以维持泥浆密度≥1.51。

地下连续墙钢筋笼接头采用H型钢接头 (见图4) , 既可防止接头处塌方、混凝土绕流, 又能避免接头因绕流出现漏水等情况, 且制作简单, 具有良好的止水抗渗性能。在地下连续墙内外侧H型钢接头处焊接止浆铁皮, 可防止混凝土在浇筑过程中绕流, 起到加固防渗作用。H型钢接头外侧底部绑扎泡沫, 吊装完成后放入砂包。在钢接头连接处预埋注浆管, 待地下连续墙强度达到设计要求后注浆。

地下连续墙纵向钢筋采用焊接连接或直螺纹连接, 单面焊缝长度为10d, 双面焊缝长度为5d, 接头位置应相互错开, 在35d且≥1 000mm范围内接头不得超过钢筋数量的50%, 主筋与箍筋应点焊。钢桁架斜拉筋全部交点及钢桁架与钢箍应全部点焊, 钢筋骨架加劲箍与纵筋全部点焊, 其余钢箍与纵筋可采用梅花点焊, 非焊点须绑扎。

采用1台SC3000WE型300t主履带式起重机 (以下简称“主吊”) 及1台QUY160型160t副履带式起重机 (以下简称“副吊”) 配合作业、协同吊装钢筋笼。钢筋笼起吊时, 先用主吊和副吊双机抬吊将钢筋笼水平抬起, 然后升主吊、放副吊将钢筋笼凌空吊直。插入钢筋笼时, 吊点中心必须对准槽段中心, 徐徐垂直下降并准确地将钢筋笼吊放入槽内。钢筋笼入槽后用搁置扁担夹住吊筋置于导墙顶面上, 使吊环压在搁置扁担上。校核钢筋笼入槽定位的平面位置与标高偏差, 并通过调整使钢筋笼吊装位置及标高满足设计要求, 钢筋笼安放就位后及时浇筑混凝土。

1) 优化施工现场布置合理的场地布置不仅能保证生产流畅, 还能提高施工效益。针对本项目工程量大、施工工艺复杂等情况, 基于BIM数字化平台分析、规划现场平面布置, 合理地减少机械设备场内运输路程, 降低运输成本, 利于保护施工现场作业环境。

2) 优化机械设备利用BIM技术可在满足施工要求的情况下比选出更经济、合理的机械设备, 以满足作业空间需求。同时可验证某一施工机械作业参数能否满足现场施工要求, 如吊机回旋半径是否足够, 起吊高度是否满足构件安装要求等。在项目机械设备方案验证阶段可利用BIM技术建立相应机械设备族, 并设置相关技术参数, 进行模型分析及验证。

3) 优化施工方案利用BIM技术模拟施工, 主要包括确定施工方案、施工机具、施工组织及顺序安排等。首先确定施工方案的可行性, 主要模拟分析施工方案能否应用于施工现场;然后模拟分析工程规划场地范围是否满足施工空间要求, 同时验证大型机械进出场交通可行性。模型搭建完成后还可动态检测管线是否发生碰撞, 验证设计图纸准确性时需提前预测管线是否需要拆改, 避免后期施工时管线交叉重叠发生碰撞。

采用基坑变形与地铁变形同步监测技术对输出数据进行对比分析, 并通过全自动监测系统实现基坑及地铁的全自动化监测。全自动化监测主要通过数据采集仪、发送模块、变形监测服务器及多个MEMS传感器等信息化设备实现, 可自动预警, 能够保证基坑变形<10mm。

1) 隔离咬合桩施工过程中进行全套筒全回转跟进施工, 并保证套筒超前隔离咬合桩开挖面≥2m, 最大程度减少隔离咬合桩施工对地铁隧道周围土体的扰动。

2) 成槽过程中, 特种设备作业人员及现场专业护槽人员应时刻注意槽段垂直度, 成槽施工完成后采用超声波检测仪对槽段工字钢及槽段中部共3点进行槽壁垂直度检测, 出现偏差时立即使用铣槽机进行纠偏处理, 保证地下连续墙垂直度误差<1/300。

3) 严格按照规范要求采用抽芯试验及超声波检验地下连续墙混凝土强度。对墙底沉渣厚度、墙底岩土层性状及墙身完整性进行检测, 由于地下连续墙作为永久性槽段, 抽芯试验数量不少于槽段总数的15%且不少于10个槽段, 每个槽段不少于3个孔;超声波检验数量不少于槽段总数的30%, 每个槽段不少于5个孔。

本技术在施工过程中将多种机械进行有效结合, 大大减少单幅地下连续墙成槽施工时间, 同时可保证成槽稳定性, 避免因施工不当造成的质量事故, 减少因事故造成的经济损失。最大经济效益在于保证基坑紧邻地铁隧道的安全, 避免因施工原因导致地铁隧道变形超过控制值, 不会造成工程停工甚至引发地铁安全事故。

本技术解决了地铁附近地下空间难于开发的问题, 将推动城市化建设, 且促进城市建筑多元化发展。

相比传统深基坑嵌岩地下连续墙施工技术, 本技术提供以下实践经验。

1) 针对紧邻地铁保护区超深基坑嵌岩地下连续墙施工, 创新采用旋挖机、成槽机、冲孔锤与铣槽机组合成槽施工技术, 通过隔离咬合桩与三重管高压旋喷桩的双重防护, 保证地下连续墙成槽稳定, 进而保证地铁隧道安全。

2) 采用隔离咬合桩作为地下连续墙护槽桩, 将其设置在地下连续墙边紧邻地铁侧。隔离咬合桩施工采用全回转全套筒施工工艺, 利用套筒对桩孔进行跟进支护, 同时套筒始终超前隔离咬合桩开挖面≥2m, 防止孔底涌砂, 尽可能减小对周围土体的扰动, 从而保证地铁隧道安全。

3) 对地下连续墙导墙进行加厚设计, 并在导墙面上重型施工设备行走区域满铺钢板, 分散施工机械集中荷载, 防止地铁隧道上方荷载对下部土体的扰动。

4) 采用基坑变形与地铁变形同步监测技术对输出数据进行定量化分析, 并通过全自动监测系统实现基坑及地铁保护区内的自动化监测, 确保结构变形<10mm。

5) 利用BIM三维实况模拟技术对地下连续墙施工工况进行模拟, 提前分析实际施工中可能存在的问题, 并针对模拟过程中暴露的问题进行专项讨论, 确保成槽施工科学合理, 充分考虑施工对地铁隧道变形产生的影响, 进而降低施工安全风险。