本项目位于大连港东港区, 主体建筑高度达518m, 为东北亚第一高楼。项目东侧及北侧控制线距离规划红线5m, 南侧及北侧控制线距离规划红线10m。场地地貌为海漫滩, 现经人工回填, 地形平坦;拟建场地西侧毗邻在建万达公馆 (在建, 主体高190m, 相距150m) , 北侧为大连国际会议中心 (在建, 相距150m) 。周边环境主要包含南侧管沟 (距离基坑约11m) 、东侧管沟 (距离基坑约20m) 、北侧及西侧的管线等。基坑面积约17 500m², 基坑总延长米约为542m, 基坑底板面标高-23.700m, 普遍区底板厚1.5m, 垫层厚0.15m, 基坑普遍区开挖深度为22.75m;主楼区域底板厚6m, 垫层厚0.15m, 主楼区域开挖深度为27.25m。

本项目原场地地貌为海漫滩, 地形标高3.180～5.690m, 最大高差2.51m, 现经人工回填, 地形平坦。各地层自上而下分别为素填土、淤泥质粉质黏土、碎石、全风化板岩、强风化板岩、中风化板岩、全风化辉绿岩、强风化辉绿岩、中风化辉绿岩, 场地内地质情况复杂;同时, 近海区长期受海水补给及潮汐影响, 地下水位较高且变化较大。

结合项目特点和场地内工程水文地质情况, 本项目基坑最终确定采用顺作法方案。围护体系均采用800mm厚“两墙合一”地下连续墙, 普遍区域采用5道锚索、局部6道, 主楼区采用7道锚索。地下连续墙按成槽深度共分为3类, 如图1所示。第1类深度为26.85m, 有效墙身高度为24.85m;第2类深度为28.65m, 有效墙身高度为26.65m;第3类深度为31.65m, 有效墙身高度为31.650m。总计96幅。连续墙接缝处上部土层采用ϕ1 000@700的高压旋喷桩止水, 下部岩层采用双液注浆, 每个接缝设3根桩。

预应力锚索采用ϕ^s15.2钢绞线, 共设5道, 局部为6道, 西侧主楼区域设7道。锚索杆体主要由4ϕ^s15.2, 5ϕ^s15.2, 6ϕ^s15.2的钢绞线编制而成, 长度为12.5～32m, 平面为每1.6～2m设置1根。

本工程基坑面积大, 开挖深度大, 场地周边环境复杂, 场地内水文地质条件特殊, 需冬期施工, 且地下连续墙“两墙合一”的模式施工要求较高, 都给基坑施工带来了很大困难, 主要体现在以下几方面。

1) 地质资料显示, 场地内地下平均6～7m进入到碎石层, 地下平均18～21m处进入到中风化板岩层 (辉绿岩) , 岩层强度高, 施工难度大, 因此地下连续墙施工中采用抓铣结合的方式, 上部采用成槽机成槽, 进入到碎石层时采用铣槽机成槽。

2) 地下连续墙“两墙合一”, 与底板、中板均采用钢筋笼内预埋钢筋连接器连接, 定位难度大。针对这一情况, 主要采取下列方式进行控制:①控制导墙面标高。导墙面标高应较平整, 不应高差太大, 在下放钢筋笼前应利用水准仪复核该槽段导墙面标高, 作为调整搁置点高低的依据, 同时, 标明该槽段中心线;②在钢筋笼制作时, 埋设钢筋连接器之前应在钢筋笼上标出位置, 拉设麻线保证定位线的水平要求 (即纵向标高的平面尺寸) , 并在上、下层钢筋网片上焊好定位措施筋;③控制钢筋笼中心线。钢筋笼制作时, 可以通过在钢筋笼上口焊接小段钢筋的方法, 标明钢筋笼的中心位置, 并据此安放预埋钢筋连接器;同时, 钢筋笼吊放时, 应使此中心线同导墙上的中心线对准, 保证预埋钢筋的水平位置。由于预埋钢筋数量较多, 因此必须焊接牢固, 以防脱落。

3) 地下连续墙穿越碎石层可能发生泥浆渗漏, 造成泥浆液面下降, 影响成槽质量, 因此成槽时, 进入碎石层后, 应密切注意泥浆液面的情况, 发现异常情况时, 及时采取补浆等方法处理。同时严格控制好泥浆指标, 确保泥皮厚度。

4) 地下岩层强度可能存在差异, 铣槽时应控制好铣槽速率, 对于强度较高的区域应放慢铣槽速率。同时需经常检查铣轮上刀片的磨损情况, 及时予以更换。选用1套“锥刺”型铣轮, 针对高强度岩层进行铣槽。

5) 锚索在成孔过程中可能发生涌水情况。针对此情况, 施工时首先应及时采用抽水泵进行疏排, 如疏排无法解决该情况, 可在孔内插入注浆管进行双液注浆。具体做法为:采用加水比例为1∶1的水玻璃, 不断向孔内注入双液浆, 直到涌水情况停止后再采用全套管跟进的方法进行成孔。

6) 张拉过程中锚索松动拉出。由于锚固端浆液强度不足造成张拉过程中锚索松动拉出, 因此在工程锚施工前的基本试验锚阶段, 应对浆液养护期的实际情况进行确认。根据锁定拉力的不同, 养护期考虑10～14d不等。对工程锚在张拉过程中发生松动拉出的情况, 应及时报告设计方, 如无法使用, 则需在孔边增加1根锚索, 即地下连续墙面钻孔, 重新成孔、注浆、安装锚索、张拉, 必要时浆液内可适量增加早强剂以缩短养护期。

7) 成孔或注浆过程对周边环境会造成影响。针对这一情况, 锚索施工过程中基坑周边需布置地面沉降监测点以及各管线监测点, 专业监测单位需上报监测方案并由设计方确认, 并进行布置、监测。

8) 冬期施工浆液冻结。大连地区冬季普遍低温可达-10℃以下, 在浆液拌制过程中可能发生浆液冻结, 因此在拌制浆液过程中需加入防浆剂, 掺量为水泥用量的5%左右。

根据所选取的基坑围护方案, 本项目施工过程大致可以划分为3个阶段, 即地下连续墙施工、旋喷桩止水施工和基坑开挖及锚索施工。其重点施工工艺为地下连续墙施工中的成槽工艺、泥浆工艺、槽段清基、钢筋笼制作和吊装以及预应力锚索施工中的锚索体制作与安装、锚固注浆、锚索张拉、基本试验锚和锚索施工流程等。

根据本工程特殊的地质条件, 采用抓铣结合的方式进行成槽施工, 如图2所示, 具体方式如下:①上部纯抓法 上部7m左右土体 (碎石层以上土层) 用成槽机的机械式抓斗直接抓取;②下部纯铣法 进入7m左右深度以下 (碎石层及以下土层) 后, 用液压铣槽机铣削。

铣削式成槽机成槽施工工作原理为反向循环原理。

挖掘时2个镶有合金刀齿、球齿或滚动钻头的铣轮相互反向旋转, 连续地切削下面的泥土或岩石, 将其卷上来并破碎成小块, 再与槽中稳定的泥浆混合后吸进泵中, 通过离心泵将含有碎块的泥浆泵入除砂设备, 然后通过振动系统将泥土和岩石碎块从泥浆中分离出来, 再重新抽回处理后的干净泥浆以循环使用。

基于铣槽机自身的反循环泵吸出泥原理, 地下连续墙槽底清基工作则相对较简单, 将铣削轮盘直接放至槽底利用自身配置的泵吸反循环系统即可完成槽底沉渣的清除和泥浆置换。

在场地西北侧布置1个抓铣结合泥浆池, 有效容量为1 200m³, 可满足成槽与铣槽同时作业的泥浆需求, 同时满足2台铣槽机泥浆循环的要求。

地下连续墙施工时, 泥浆性能的优劣直接影响到地下连续墙成槽施工时槽壁的稳定性。根据本工程的地质情况及以往地下连续墙施工经验, 本工程采用钙基膨润土制备泥浆。分散剂选用工业碳酸钠, 并适当添加CMC, 泥浆配合比及性能指标控制标准如表1和表2所示。

施工过程中如果上述泥浆指标不能满足槽壁土体稳定性, 须调整泥浆指标。

加水至搅拌筒1/3后, 开启制浆机。持续向定量水箱中加水, 并同时加入碱粉及膨润土粉等外加剂, 共同搅拌2min, 加入CMC液继续搅拌1min后, 停止搅拌, 在新浆池中静置膨化24h后即可使用。

铣削成槽时, 孔底泥浆由置于铣削头中的泥浆泵抽出, 并经由输浆管路将其送至地面泥浆净化系统中进行除砂处理, 微小颗粒则需要通过高速离心机进行分离, 经处理后泥浆再次返回槽孔中。

如使用时间较长, 发生泥浆黏度指标降低的情况, 可以通过加入新浆来调整;反之, 如发生泥浆黏度指标升高的情况, 可以通过加入分散剂来解决, 如调整后仍达不到使用标准的泥浆必须废弃。

浇筑混凝土时, 自孔口流出的泥浆一般均直接用泵输送至回收浆池中, 作为其他槽孔开挖用泥浆。混凝土顶面以上1m左右的泥浆会被污染而造成劣化, 应予以废弃处理。

槽孔终孔并验收合格后, 利用潜水泵或液压铣槽机进行泵吸法清底。将铣削头或潜水泵置入孔底并保持铣轮旋转, 铣头中的泥浆泵将孔底泥浆输送至地面的泥浆净化机, 由振动筛除去大颗粒钻渣后, 进入旋流器分离泥浆中的粉细砂。经净化后的泥浆流回到槽孔内, 如此循环往复, 直至回浆达到标准。在清孔过程中, 可根据槽内浆面和泥浆性能状况, 加入适量新浆以补充和改善孔内泥浆。

成槽清孔换浆结束前, 采用钢丝刷钻头自上而下分段刷洗槽端头墙壁。钢丝刷钻头自身质量较小, 可用螺栓将其固定在机械式抓斗的斗体或液压铣槽机导向箱体一端, 利用其较大的自重使钢丝刷紧贴于锯齿形的混凝土表壁, 从而可对其进行彻底刷洗, 直至钢丝刷钻头上基本不带泥屑, 孔底淤积不再增加。

根据成槽设备的数量及施工场地的实际情况, 在工程场地内设2个钢筋笼制作平台, 现场加工钢筋笼, 西南侧平台尺寸为6m×30m, 东北侧平台尺寸为6m×26m。平台采用槽钢制作, 钢筋平台下采用 5～10cm厚碎石上铺10cm厚素混凝土 (C30) , 为便于钢筋放样布置和绑扎, 在平台上根据设计的钢筋间距、插筋、预埋件的位置画出控制标记, 以保证钢筋笼和各种埋件的布设精度。

钢筋要有质保书, 并经试验合格后才能使用。主筋搭接采用直螺纹机械接头, 达到S1级接头标准, 钢筋焊缝长度满足10d。搭接错位及接头质量应按照钢筋混凝土规范检验合格;在钢筋笼宽度的水平方向设2列竖向间距为5m的定位钢垫板, 以保证钢筋保护层厚度;钢筋平直, 表面洁净、无油渍;用铁丝绑扎钢筋笼, 点焊牢固, 内部交点50%点焊, 桁架处100%点焊。

使用1台150t履带式起重机和1台80t履带式起重机形成双机抬吊进行钢筋笼吊放, 吊点布置为横向两点吊、纵向五点吊, 如图3所示。钢筋笼起吊如图3所示, 在每幅槽段施工前将出具详细的钢筋翻样单, 其中包括各吊点分布位置。钢筋笼顶部由主钩起吊, 中部由副钩起吊, 多组主、副钩协同工作, 使其缓慢升高, 改变钢筋笼角度使之逐渐垂直, 由起重机将其移至槽段边缘, 按照设计要求的位置缓慢放入槽中, 待达到设计标高, 使用由槽钢制作而成的扁担将其搁置在导墙上。

预应力锚索采用4～6根ϕ^s15.2mm (1×7) 高强度、低松弛的钢绞线, 极限抗拉强度≥1 860MPa。安装前, 保证每根钢绞线均匀排列、顺滑平直, 不交叉、不扭曲, 除去表面锈迹和油污, 并剔除有死弯、机械损伤及锈坑处钢绞线。沿锚索体轴线方向每1.5m设置1个居中支架, 以保证其保护层厚度≥20mm。

预应力锚索体由锚梁、自由段和锚固段组成。采用钢绞线锚索, 由多个单元锚索组成, 每个单元锚索分别由4～6根预应力钢绞线组成, 钢绞线通过特制的挤压簧和挤压套对称地锚固于钢质承载体上, 要求单根连接强度>200kN。钢质承载体要求采用45号钢材加工制作, 其厚度≥2mm。每根钢绞线锚固段和自由段需涂抹黄油, 缠塑料薄膜, 外再涂1层黄油, 套塑料管, 两头扎紧。

安装锚索体前再次认真核对锚孔编号, 确认无误后再用高压风吹孔, 人工缓慢将锚索体放入孔内, 用钢尺量出孔外露出的钢绞线长度, 计算孔内锚索长度 (误差控制在50mm范围内) , 确保锚固长度, 下料时, 预留张拉长度1 000mm。

锚孔注浆采用二次注浆法, 浆液为P·O42.5的水泥浆, 水灰比控制在0.45～0.55。第1次注浆使用低压力注浆, 通过底部注浆的方法, 保证注浆管的端头始终在浆液内, 待孔口的浆液溢出后, 立即用止浆塞封口。注浆时, 压力由低到高, 缓慢加压, 压力控制在0.2～0.3MPa, 注浆量为30kg/m。当第1次注浆固结体强度达到5.0MPa时, 可以进行第2次高压注浆, 二次注浆浆液水灰比为0.45～0.55, 压力控制在2～3MPa, 二次注浆量60kg/m。注浆结束后, 将注浆管、注浆枪清洗干净, 同时做好注浆记录。

注浆体强度达80%后方可进行张拉施工。

张拉前, 须配套标定张拉设备, 保证每只千斤顶至少配备2块精度≥1.5级的压力表, 且保证绝大部分读数不超过表盘刻度的75%。

将张拉力控制在设计拉力值10%以内, 用轻型千斤顶逐一张拉钢绞线, 使其顺直, 然后对整束钢绞线进行整体初次张拉。整体张拉按多次多级进行, 一般采用4次多级, 分别为设计值的25%, 50%, 75%及100%。在基坑开挖过程中通过应力计监测预应力损失, 发现应力损失后及时再次补充张拉, 使前一次张拉因地层压缩徐变而产生的预应力损失通过后一次张拉得到有效补偿, 并由超张拉来补偿末次张拉产生的预应力损失。通常情况下, 基体为岩层时的预应力损失在13%～20%, 基体为土层时应≤25%;为了使预应力在土体压缩变形稳定后, 能较好地均匀传递和调整, 各级张拉均需保持荷载稳定≥5min (末级张拉应为30min) 。

千斤顶安放时, 为了确保张拉锚索过程中, 千斤顶顶力与锚索在同一轴线上, 应使钻孔轴线与锚具底座顶面垂直。张拉中, 应认真记录和测量锚索伸长量, 作为油压表读数参考值。

基本试验锚的施工工艺与工程锚相同, 主要为确定浆液养护时间, 可分别在养护7, 10, 14d的情况下均进行张拉, 基本试验锚按设计要求分别为全风化、强风化、中风化岩层中各选1组, 每组3根进行施工, 在工程锚施工前可在施工场地内挑选合适部位进行垂直锚施工, 根据基本试验锚的成果提交设计, 以便设计方能及时调整工程锚施工的各项参数。

锚索施工流程与土方开挖呈流水作业形式, 沿地下连续墙边挖土20m/段, 每段宽度为8m (以满足机械设备操作面为准) , 深度控制在锚索套管中心线以下20～50cm。分段长度需严格控制, 严禁超长超深, 在施工完成的锚索未进行张拉前, 严禁开挖下一分段或开挖下一层土。土方开挖由总包方进行施工, 锚索施工进度必须跟上挖土进度, 如遇特殊情况无法及时完成基坑暴露位置的锚索施工, 则土方开挖必须停止, 以确保基坑安全。

本项目作为近海地质条件下选用地下连续墙及具有代表性的典型工程, 在充分考虑施工难点的情况下, 采用合理的施工方案, 优化各阶段的施工工艺, 顺利完成工程施工, 为近海复杂地质条件下大型深基坑围护体系施工提供了现实参考和技术支持。