为使某卫星发射中心某工位在改造后具备某型号运载火箭发射能力, 保留原塔架, 拆除回转平台和地下导流槽, 在原基础承台底标高处、原桩基承台板底设长为原单个承台宽度3倍、宽为原单个承台宽度4/5、厚2.5m的托换承台, 结合塔架上部结构改造加固, 托换承台设12根桩底标高深度为原桩底标高2倍、桩径1.5m的人工挖孔灌注补强基桩, 如图1所示。新建导流槽加宽、加深, 其北墙从槽口到托换承台底面 (-7.000m) 与承台南侧壁零距离相接, 底面以下还要向承台内伸进0.35m, 如图2所示。基坑开挖宽度比原导流槽宽2/3, 深度比原导流槽深1倍。允许塔体倾斜在0.2‰内, 即塔顶最大允许偏移值约16mm。基坑安全系数达到2.0。场区无放坡开挖条件;地下土层为粒径3~35 cm的深厚卵石层夹砂、土, 地下水位为-2.700~-3.300m, 水量丰沛, 补给充分。

除塔架承台和导流槽折流段上口外, 基坑其余部位从场坪地表按45°向支护桩冠梁顶面 (-2.500m) 放坡卸载, 坡面网喷, PVC管泄水。此外, 桩间土围护及折流段坡面网喷。

除承台外, 沿基坑设桩径1.5m、间距2m、嵌固深度近7m的C35钢筋混凝土支护桩, 如图3所示。

基本段和水平段 (变形缝以西) 的桩底标高为-29.500m, 桩有效长度27m, 折流段坡面约45°, 随坡面上升, 支护立壁高度渐小, 桩长渐短, 桩底标高逐渐抬高至-12.000m, 如图4所示。支护桩顶设截面尺寸1m×0.8m的C35钢筋混凝土冠梁。

以导流槽变形缝为界, 变形缝西侧基坑从上到下设置5层钢支撑。1~5层钢支撑中心标高分别为-2.900, -6.500, -11.000, -15.000, -19.000m。预加轴力分别为450, 450, 600, 600, 600k N。

承台段南、北两坑壁间布置6道支撑, 同层水平间距3m左右;基坑西壁和与之相邻的部分南、北壁间, 以导流槽中线为轴, 对称设置3道45°的水平角撑。

钢支撑通过钢挂板对撑在冠梁、承台间或钢腰梁间, 两端支撑在钢挂板上, 钢挂板固定在钢腰梁或冠梁、承台上;钢支撑加力后撑住钢腰梁或冠梁, 钢腰梁、冠梁联合支护桩平衡坑壁土压力, 并约束其产生水平位移。

钢支撑由壁厚16mm的609钢管连接成整体安装;在其活接头箱室两侧各焊有千斤顶支托架, 以便用2台千斤顶对称施加预应力, 消减当地日夜温差大而引起钢支撑的伸缩和应力损失。钢管包橡塑海绵, 外贴反光铝箔。钢腰梁用2根并排双拼的I45a, 在两翼缘上加焊20mm厚Q235通长钢板, 底部设100mm×8mm三角形角钢托架, 固定在支护桩上, 支撑点下必须有一托架, 顶面用花篮螺栓调整钢腰梁水平, 构造如图5所示。钢腰梁与支护桩间的缝隙用混凝土填实。

变形缝以东, 根据折流段坡面形成的南北直壁高度, 最多设置5层预应力锚索, 锚索采用高强度低松弛1860级钢绞线 (强度等级1 320MPa) , 锚杆截面直径150mm, 其标高分别为-4.500, -8.000, -11.500, -15.000, -19.000m。锚索布置在相邻两桩间, 水平向下15°, 第1, 2层锚杆为3束^s15.2钢绞线, 长18m, 锁定力为200k N;第3~5层为4束^s15.2钢绞线, 长13m, 锁定力为300k N。内锚固段采用波纹形状, 张拉段采用直线形状。钢腰梁用2根[28b, 翼缘加钢板背对背双拼而成, 腹板间留设50~70mm间距, 用于钢绞线穿过, 槽钢腹板上可加焊肋板, 以提高刚度;钢腰梁下设角钢托架, 与支护桩间的缝隙用细石混凝土填实。

由于新导流槽北墙与承台间零距离, 无支护排桩成桩位置, 且原塔架基桩底标高为-18.000~-18.500m, 高于基坑底面4~4.50m, 当开挖深度超过桩底后, 可能引起桩底土层向坑内侧滑, 桩底悬空, 塔架连同基桩整体有倾斜过大的危险。在-2.800m和-6.700m钢支撑形成并加力后, 土方开挖至托换承台底面下3.000m (标高-10.000m) 左右。在托换承台下的外排原基桩间, 用人工挖孔成桩的方式植入直径1.3m、深度-29.500m的灌注支护桩, 孔口以下桩体浇筑后, 再向上接至托换承台, 如图6所示, 支护完毕后, 还可作为托换承台的补强桩。基坑土层开挖到原基桩底以上1m左右时, 须对承台外排和中排基桩以下土层做注浆固结处理。

根据场地地下水丰富、土质松散、卵砾石坚硬的地质特点, 支护桩采用CZ-6D型钻机冲击成孔, 全程泥浆护壁, 泥浆泵反循环清孔换浆。冲孔成桩按隔桩跳冲的顺序, 各段分2批次进行, 第1批桩混凝土浇筑完成、强度达到70%后, 再施工邻桩。

支护桩混凝土浇筑采用水下灌注法。混凝土坍落度200~220mm, 初凝时间5~6h。浇筑导管上端接悬挂在护筒上的受料漏斗, 管底距孔底0.3~0.5m, 当受料漏斗内的混凝土量满足孔底初灌量要求后 (保证导管埋入孔底混凝土内0.8m以上) , 提离漏斗中的隔水栓塞, 开始混凝土的连续浇筑;实灌桩长应比设计桩顶高出0.50m以上, 确保凿去桩头后, 桩顶混凝土强度达到设计要求。

浇筑过程中及时测量混凝土面上升高度和桩体的充盈系数, 并控制好导管提拔长度, 保证导管埋深在2.00~4.00m。

由于孔口与托换承台间净高<3m, 钢筋笼无法绑扎好再吊装入孔, 因此在孔内绑扎钢筋笼;先在地面按井深并考虑接头错开的需要配料, 将主筋在地面连接成所需长度, 利用单筋接长后变形大的特性, 用汽车式起重机起吊入孔, 再摆放到位, 加强筋与主筋焊牢, 从下向上缠绕、绑扎螺旋箍筋。

为避免接桩时结合面在托换承台板底面, 混凝土难以振捣密实的问题, 托换承台垫层浇筑后, 在人工挖孔支护桩位置下挖1.2m桩孔, 使桩头与托换承台整体浇筑;为提高接头位置的水平抗剪切力, 同时也便于将来塔架荷载有效传递, 在桩心加双工字钢制作的传力件。

接桩时, 剔除桩头底部混凝土≥0.3m, 使结合面 (施工缝) 在传力件范围内。钢筋焊接后, 接桩模板上口支设成喇叭口, 模口高于结合面0.3m以上, 浇筑膨胀混凝土。

钢支撑施加预应力应按照以下步骤进行。

1) 将钢支撑自重挠度校正至水平, 防止在施加轴力时产生过大挠度。

2) 将2台100t液压千斤顶放入活络头顶压位置, 在支撑竖轴面两侧同步、对称、逐级、均匀、平缓地施加预加轴力。

3) 考虑到应力损失, 施加的预应力值应比设计值增加5%。

4) 为使各支撑基本同步达到预加轴力值, 每道钢支撑分3次加力, 第1遍加力到设计支撑轴力的30%, 第2遍到60%, 第3遍到105%, 停止加压, 在压力表读数稳定10min后, 若预加轴力与钢支撑轴力监测数据一致, 用钢楔子将活动端锁定。

1) 锚索施工期间, 支护桩外的地下水必须降至作业面以下5m, 用跟管风动潜孔钻冲击成孔, 注意保持锚孔中心线的同线度。

2) 注浆方法为孔底注浆, 浆液材料用P·O42.5纯普通硅酸盐水泥浆, 水灰比0.5, 注浆压力2.0MPa, 注入的水泥浆从孔底逐渐返回孔口溢出, 确保浆体灌注饱满、密实后, 即可停止注浆, 初凝后进行孔口补浆。

3) 锚索张拉采取隔锚张拉措施, 沿支护桩逐段进行, 以保证支护桩受力均匀, 并注意对相邻锚索的影响。锚索宜张拉至设计荷载的0.9倍后, 按设计预应力值的要求锁定。

导流槽基坑开挖、支护期间, 采用徕卡TCA1800测量机器人配合反射棱镜监测土体表面水平位移、静力水准仪监测沉降、双轴倾角仪 (利用重力加速度原理) 监测发射塔架倾斜、葛南实业VWP型振弦式智能识别荷载计、轴力计监测支撑结构内力, 监测数据均在允许波动范围内, 塔顶x方向倾斜量在-12.0~10.0mm波动, 小于报警值, 证明了基坑和塔架的安全与稳定。