某大型钢铁冶炼工程地下钢筋混凝土旋流池位于主电机跨北侧, 池体为圆筒状, 直径18m, 壁厚1.1m, 池底标高为-24.000m, 冲渣沟从南侧主轧跨进入旋流池。旋流池筒体和底板均采用C30, P8混凝土。在地下-8.6m以上为2年以上回填土且含有大量石块, 黏聚力较低, 如采用排桩或地下连续墙等围护措施, 施工难度大、成本高。在-8.6m以下为强风化岩, 具有较好的强度和稳定性, 有利于施工。针对地质情况, 通过不断改进施工技术措施, 开发了大型圆筒形构筑物悬挂半逆作施工技术。

1) 首先土方开挖前在地面-8.6m以下按照一定间距设置若干根钢筋混凝土灌注桩, 用于下层旋流池施工时悬挂支撑上部钢筋混凝土旋流池筒体。

2) 上部回填土层采用大开挖法, 土方开挖后在支撑桩上部连同旋流池的池壁设置环形钢筋混凝土挂梁, 由下至上顺作法完成旋流池上部结构施工。待混凝土强度达到要求及时回填基坑土方, 为下部逆作法施工提供条件。下部硬土层采用逆作法施工, 采取间隔桩支撑环形挂梁, 由上至下分层逆作施工下部结构。

3) 下层土质为强风化岩, 具有较好的稳定性, 开挖后利用锚栓将钢筋网固定在支撑桩侧面及时喷涂细石混凝土保护层护壁, 保证逆作施工顺利进行。最后浇筑钢筋混凝土水池底板, 完成钢筋混凝土旋流池侧壁施工。

4) 施工降水采用水位自动检测降水系统, 实现自动化控制井点降水。逆作法施工中, 采用钢筋接头保护、同截面一级钢筋接头、外置混凝土浇筑口、内置环形槽钢固定对拉螺栓、曲面易调支模桁架、地下水减压阀等装置保证施工质量。

针对工程地质特点并依据设计要求, 土方开挖前首先按照一定间隔设置若干根钻孔灌注桩, 桩顶标高为土方开挖后露出基底混凝土垫层100mm, 支撑桩沿旋流池的圆周形布置用以承载上部钢筋混凝土旋流池结构, 满足下部逆作法施工工艺的需求。

1) 根据地质勘探报告和现场实测, 掌握施工区域地下水位情况, 判断地下水是否影响上部旋流池顺作法施工。土方开挖采用二级放坡, 开挖后由于回填料块石比例较大, 为确保边坡稳定避免影响工程施工, 采用锚杆钢丝网喷涂细石混凝土护壁。由于地下水位低于顺作法开挖深度, 故此阶段采用基坑明排法降水。

2) 土方开挖采用长臂挖掘机, 由旋流池平面位置的中心向外侧开挖, 开挖过程中控制基坑周圈形成边坡。开挖后及时处理支撑桩桩头, 按照规范要求梳理桩头插筋, 为后续环梁施工做好准备。基坑中人工配合及时清理干净散落渣土, 为下道工序创造条件。

3) 土方开挖后坡面采用钢筋插筋锚杆, 钢筋20@1 000×1 000, 长1.5m, 满挂钢丝网后及时喷射细石混凝土, 形成边坡保护层。

1) 在旋流池周圈开挖约1m深沟槽, 用以设置和保护旋流池竖向钢筋, 为下部逆作法施工预留钢筋接头。采用滚压直螺纹一级钢筋接头, 实现同截面钢筋连接满足规范要求。钢筋螺纹接头要用油纸包裹好, 保护螺纹不受损害。

2) 在支撑桩的上部设置环梁并与旋流池筒体相连, 将上部旋流池的质量传递到下部支撑桩。旋流池筒体下部竖向钢筋放在沟槽中, 钢筋下部可垫木板防止下沉。

3) 待旋流池筒体上部结构钢筋骨架绑扎成型, 在池壁施工缝周圈设置300mm×3mm钢板止水板, 止水板和钢筋骨架焊牢确保位置准确。

4) 沟槽中填满黄砂将插入的竖向钢筋掩埋保护, 然后在黄砂上部浇筑1层50~100mm厚C10混凝土垫层形成坚固的施工操作面, 满足上部结构施工要求, 最后绑扎环形挂梁钢筋, 并在支撑桩外侧沿圆周砌筑环形挂梁的外侧砖模。

5) 旋流池可采用组合钢模板立置拼装, 内侧模板放置在混凝土垫层上部, 外侧模板安装首先要在环梁中设置钢支架, 然后将模板放置在支架上部 (见图2) 。支撑体系采用钢管脚手架支撑系统, 采用曲面可调桁架支撑两侧模板, 利用16对拉螺栓调整和控制混凝土池壁厚度, 并抵抗混凝土浇筑所产生的侧压力。每根对拉螺栓中部设置3mm厚钢板防水圈, 并与螺栓焊接密实, 达到阻隔毛细水的作用。

6) 混凝土浇筑采用“串桶”浇筑降低混凝土下落高度, 防止混凝土离析。严格限制浇筑速度2.5m/h, 控制混凝土浇筑过程中的侧压力, 避免混凝土侧压力快速提高引起胀模。

待上部旋流池混凝土强度达到70%, 进行旋流池外侧土方回填。土方要分层和对称回填, 沿四周均匀回填, 利用打夯机分层夯实。基坑回填后, 为下部旋流池逆作法施工创造上部周边施工操作的条件。

待土方回填完毕, 旋流池周边设置降水井点。根据实际情况在旋流池外侧环形设置若干口疏干深井, 根据地下水情况确定井深。每个疏干深井配1台高扬程潜污泵, 井管固定后下泵、封井和接通总管, 疏干深井水泵开始运转并降低地下水位, 深井抽出的水直接排至地面排水沟。

1) 利用部分深井设置地下水位识别和控制装置。在深井中, 利用尼龙绳和重锤, 将低水位电缆浮球、高水位电缆浮球设置在预定位置, 随着地下水位的变化低水位电缆浮球、高水位电缆浮球会及时转动, 自动识别地下水位。通过低水位开关导线与高水位开关导线控制低位开关和高位开关, 实现自动化控制井点降水系统的目的 (见图3) 。

2) 水位自动控制系统的主回路自动开关ZK1控制用于降水的水泵, 开关ZK2用于控制回路。主回路自动开关ZK1闭合后, 用于降水的水泵处于三相电源ABC的待机状态;控制回路开关ZK2闭合后, 控制回路处于单相电源220VAC的待机状态, 电源指示灯发光。达到地下低水位时低水位电缆浮球上浮, 启动低位开关闭合;水位达到高水位电缆浮球时, 启动高位开关闭合, 此时形成高位开关、低位开关和继电器ZJ的闭合回路, 运行指示灯发光, 示意进入顺作状态;继电器ZJ受电后, 启动继电器接触点ZJ1和ZJ2闭合, 形成继电器接触点ZJ2、接触器线圈C和继电器RJ的闭合回路, 接触器线圈C启动则接触器C闭合, 用于降水的水泵启动开始降水, 同时继电器RJ连同继电器RJ起保护电路的作用。降水启动并降低地下水位, 待地下水位低于高水位电缆浮球, 高位开关断开, 此时继电器接触点ZJ1、低位开关和继电器ZJ仍处于闭合回路, 降水持续进行;待水位下降至低水位电缆浮球以下, 低位开关断开, 同时继电器ZJ无电, 指令继电器接触点ZJ1, ZJ2断开, 接触器线圈C无电, 指令接触器C断开, 达到暂停降水的目的。以上自动控制系统, 实现深井水位自动控制, 有利于节能降耗, 确保深井降水效果 (见图4) 。

逆作法施工, 基坑由-8.6m开挖至-24m深, 考虑土方侧压力及基坑的整体稳定性要求, 为便于池壁施工, 基坑分5层开挖, 每层厚度为3m。基坑开挖采用坑内1台0.8m³反铲挖掘机, 地面履带式起重机负责土方吊出基坑集中外运。每层挖土厚度宜控制在1.5m左右, 开挖后及时进行护壁施工。土方开挖过程中要及时对基坑进行跟踪检测, 如发现基坑变形超出报警值, 立即停止下挖并缩小分段深度。如遇中风化岩配合凿岩机进行, 基坑底部挖成倒圆台形满足设计要求 (见图5) 。

每次向下开挖1.5m做1次钢丝网喷浆护壁, 在支撑桩内侧植筋固定环形槽钢。环形槽钢采用[10, 竖向间距为750mm, 用于模板工程中对拉螺栓的固定。喷浆时喷嘴至顺作面的距离一般为0.8~1.0m, 喷射角度控制在80°~90°;喷嘴处的风压一般控制在0.3~0.5MPa, 喷嘴应按螺旋形轨迹移动, 并采用由下向上的喷射方式进行湿喷 (见图6) 。

为保证工程质量、提高施工效率, 钢筋接头采用滚压直螺纹一级钢筋接头, 实现同截面钢筋连接。钢筋预加工施工程序为:钢筋除锈→调直→下料→磨光毛刺→滚压直形丝头→测量检验→合格→拧上直螺纹连接套→拧上塑料保护盖和保护帽→待用。钢筋端部应先调直再下料, 切口端面应与钢筋轴线垂直, 不得有马蹄形或挠曲, 不得使用气割下料或处理端口。安装时首先将连接套的一端安装在基本钢筋的端头上, 用扳手将其拧紧到位, 然后将待连接钢筋通过导向夹钳中孔对中拧紧到位, 完成连接。

1) 参照顺作法施工措施, 利用黄砂沟槽保护并留置钢筋接头、设置钢板止水板、滚压直螺纹钢筋接头同截面连接。

2) 筒体侧模模板主要采用宽300mm的普通组合钢模板, 局部采用木模板拼接, 模板系统拼装时必须平整、光滑, 模板间接缝设双面胶条, 做到严密无漏浆。组合钢模板立置拼装, 放置在混凝土垫层上部, 支撑体系采用钢管脚手架支撑系统, 利用对拉螺栓调整混凝土池壁的厚度, 并抵抗混凝土浇筑所产生的侧压力。

3) 圆钢对拉螺栓设在槽钢环形梁内侧, 按照规划位置采用角焊缝满焊固定, 靠模板一端焊限位钢筋。对拉螺栓按照14@750×600均匀设置, 用以控制结构厚度, 保证混凝土浇筑过程中模板系统有足够的强度和刚度 (见图7) 。

4) 每根对拉螺栓中部设置3mm厚钢板防水圈, 并与螺栓焊接密实, 达到阻隔毛细水的作用。

5) 因每段筒体高约3m, 为满足混凝土浇灌时对倾倒高度的要求, 除在顶部留一圈漏斗口外, 每段模板需在中部设置混凝土浇灌孔, 在混凝土浇到浇灌孔时, 用预先定制的模板封堵。

6) 筒体混凝土强度达到约1.2MPa时可拆除模板, 拆模时应同步割断对拉螺栓, 并用与筒体相同配合比的砂浆抹平。

为了保证结构圆弧度, 筒体模板支撑系统水平钢支撑采用公司专利技术“曲面易调支模桁架”, 可根据需要快速弯曲成型, 并用于模板支撑 (见图8) 。

下一施工段开始支模时, 在与上一段接触处支设漏斗型模板, 形成混凝土浇筑口, 高出上一段底部约300mm, 混凝土浇筑后形成四边形截面素混凝土环梁, 用以保证环向施工缝处混凝土的密实, 以防渗水、漏水。环梁在筒体混凝土强度达到设计值75%后凿除, 并用与筒体相同配合比的砂浆抹平。

1) 基坑-22m以下为中风化岩, 开挖时配合凿岩机进行, 基坑底部挖成倒圆台形, 几何尺寸满足设计要求。地下水存在松散岩孔隙水及少量基岩风化裂隙水, 通过孔隙向基岩表面渗透, 与风化裂隙水一并向地势较低方向径流。

2) 基坑底部采用明排水方式, 底板施工前设置汲水井, 最后利用地下水减压阀装置实现干封底, 保证工程施工质量。

3) 首先挖掘1 000mm、深度1 000mm的土坑, 然后放入500mm、深度800mm的金属滤网, 滤网下部和四周填道渣, 及时浇筑混凝土垫层并设置减压阀底座 (见图9) 。施工过程中利用潜水泵排除汲水, 保证底板施工没有汲水影响。

4) 待地板混凝土施工完毕汲水井填满碎石, 及时封闭减压阀钢盖板, 拧紧螺栓隔离地下水, 然后浇筑底板临时留口混凝土并振捣密实填平抹光。底板混凝土浇筑采用地下水减压阀装置有利于防止地下水影响, 保证工程质量。

该旋流池深基坑工程施工安全等级为一级。为保证施工安全, 上层顺作法施工过程中重点控制开挖边坡的稳定性。当上层旋流池混凝土浇筑后, 重点观测墙顶水平位移和竖向位移。下层逆作法施工过程中重点监测支撑桩和土体水平位移, 并结合墙顶竖向位移判断支撑桩的沉降量。施工过程中监测环梁钢筋内力及临近道路、管线和建筑物的沉降量等。

旋流池墙顶按照均等间距设置6个监测点。根据现场监测结果, 随下层逆作法施工开挖深度的逐渐增大, 水平位移和竖向位移均逐渐增大。经监测, 累计水平位移最大16.30mm, 累计竖向位移最大11.26mm, 均未超过基坑监测报警值。在支撑桩环梁上分别设置3个钢筋应力计用于监测环梁内力, 在逆作法施工期间环梁内力最大值均小于设计值的60%, 满足要求。

基坑周边设置26个沉降观测点。在基坑开挖期间, 沉降变化速率最大值为0.56mm/d<报警值3mm/d;最大累计沉降量为6.8mm<30mm (报警值) 。

基坑内部和周边的监测数据均符合《建筑基坑工程监测技术规范》的要求, 说明大型圆筒形构筑物悬挂半逆作施工工艺安全可靠。

针对某冶炼钢厂旋流池工程特点并改进施工技术措施, 解决了上部松散回填土不利于排桩围护逆作法施工的难题, 同时可以加快施工进度、降低施工成本。大型圆筒形构筑物悬挂半逆作施工工艺、可以广泛应用于坚硬土地区的各种地下钢筋混凝土筒壁水池施工。也可用于地上和地下一体先顺作后逆作的大型圆筒形构筑物施工。施工中所采用的施工机械、料具、材料等均为常用资源, 因此有利于推广应用。