随着我国经济的高速增长, 越来越多的大体量、超高层建筑日益涌现。随之而来的是基坑规模的越来越大, 基坑开挖越来越深, 基坑周边场地越来越小;有些建筑紧贴建筑红线, 使得建筑基坑周边可利用场地少之又少, 而且基坑内基本都是主要施工区域。地下室结构施工时如何保证人、材、机等能够快速有效到达所需施工场地且不影响其他主要区域的施工是一个难题。

沈阳宝能环球金融中心项目总承包工程为沈阳地区开挖深度 (整体深度约为25m, 局部达到31m) 及降水深度最大的基坑。为解决上述难题, 结合本工程基坑支护特点, 创造性地采用边填土边支护的新型支护形式施工坡道, 该新型支护形式有效地利用原有基坑护壁桩, 与钢管支护桩结合, 形成一个结构稳定的坡道。施工完成后的坡道紧邻基坑支护桩, 不占据现场主要施工区域, 而且大大节约了现场的施工场地。同时, 该坡道施工周期短, 而且能够达到提前通车的效果, 产生了较好的社会和经济效益。

采用钢管桩喷锚支护设计坡道主要是考虑项目的总体施工部署和业主要求工期节点等内容, 主要内容如下。

1) 现场原有坡道正好占据在现场T1塔楼的核心施工区域, 考虑到整体施工部署及工期影响, 需将该坡道位置挪至其他非主要施工区域 (见图1) 。

2) 现场施工场地极其狭小, 为尽量减少对现场场地的占用, 在满足运输条件的要求下, 将坡道设置在紧邻基坑护壁的位置, 提高土地利用率。

3) 采用钢管桩锚这种支护形式, 再通过锚索预应力技术, 可以充分利用现有基坑护壁桩, 将钢管桩和基坑护壁桩结合成一个稳定结构, 满足坡道的承载力要求。

该钢管桩坡道施工过程中要达到以下几点技术要求: (1) 钢管桩在初始安装过程及接长安装过程中, 要保证其稳定性和垂直度; (2) 钢管桩两侧回填土分层回填并压实, 压实系数≥0.94, 防止受雨水影响造成坍塌等情况; (3) 钢管桩间挂网喷护, 防止桩间土方流失; (4) 预应力锚索施工过程中要保证进入基坑护壁桩内的端头注浆严实, 且在张拉紧固过程中要保证锚索达到其设计的预应力值。

施工工艺流程为:安放钢管桩→钢管桩间内侧焊接钢板网→钢管桩两侧土方分层回填压实→布置锚索→钢管桩焊接接长→循环前面工序施工至坡道成型→钢管桩外侧土方分层开挖→在钢管桩间钢板网喷射混凝土→张拉、锁定锚索, 安装腰梁→循环钢管桩外侧土方开挖、固定锚索、安装腰梁至最低端腰梁施工完毕。

钢管桩坡道施工操作要点如下。

钻桩孔至设计标高位置处, 边提钻机边泵送水, 工人将预制的钢管抬到孔口, 利用钻机自备吊钩放入孔中, 振捣器振入钻孔中, 用水准仪确定标高, 并将其固定在设计桩顶标高处, 将钢管下入孔中, 边下边控制垂直度, 并来回旋转下入孔内至设计标高。如下不到位, 可放上三脚架再用振动机或外力压入。

钢管桩就位后、土方回填前在桩内侧将钢丝网焊接就位, 保证钢丝网与钢管桩有效连接, 如图2所示。

钢管桩安放完后, 在钢管桩两侧分层回填土方并压实, 钢管桩外侧保证回填土方汽车能够顺利同行, 而且钢管桩外侧道路要护坡, 保证放坡角度≤35°, 如图3所示。

在分层压实的回填土上布置锚索 (见图4) , 锚索按照设计间距布置, 锚索一端自由, 另一端通过注浆将其固定于护壁桩内。在布置锚索前, 应量测标高, 保证锚索在设计标高位置, 并在围护桩上拉线做记号。另一端在成孔注浆前, 在场地中挖好排水沟及循环浆池, 以避免因泥浆随意排放而影响施工。成孔至设计深度后进行注浆, 待孔口返出的泥浆不含砂粒时, 退出钻杆同时锚索安放完毕。锚索安装时与基坑护壁桩斜交, 角度控制在13°~15°。

按照土方分层回填压实, 布置锚索、焊接连接钢管桩施工工序将坡道施工至成型, 这样便可达到提前通车效果 (见图5) 。

当坡道施工完成后, 对坡道外侧的土方进行分层开挖, 每段开挖至锚索下方大概1m位置后在钢管桩间钢丝网上喷射混凝土。喷射混凝土配合比为水泥∶砂=1∶3;采用现场混砂进行喷护施工, 喷射混凝土厚度80mm。

锚杆张拉锁定在注浆体强度达到要求强度后进行, 锁定张拉系统事先经过标定, 并用此油压表的读数换算成张拉压力进行控制。在锁定过程中, 采用锚杆拉力计进行校核。腰梁采用2根[25、2根[28和2根[32 (含楔形垫板, 垫板, 锚具, 钢梁加劲板) , 用铁件焊为一体, 紧贴竖向钻孔灌注桩 (见图6, 7) 。

依次循环土方开挖, 固定锚索、安装腰梁等工序, 保证施工过程顺利进行, 直至坡道最后一道锚索、腰梁施工完毕 (见图8, 9) 。

坡道在使用过程中要对其大直径钢管与预应力锚索结合的支护结构进行监测, 在支护桩上设置应变计, 对支护体系实施监测;同时, 对坡道钢管桩支护的位移监测持续进行, 通过监测及时掌握坡道支护结构的变化情况, 判断是否需要对坡道采取加固等应急措施。

根据坡道支护体系结构、地质及荷载特点并结合有关规范要求, 对本支护结构共布设4个监测断面, 从低到高依次为断面1~4, 每个断面分别配置3, 4, 5, 6个应变计及1个温度补偿片, 另在断面4右侧的系梁布置2个测点, 共20个应力监测点和4个温度补偿点。同一断面的应变计与温度补偿片的导线长度一致, 4组导线长度分别为9.5, 12.5, 18.5, 20m, 具体长度可根据现场情况调整 (见图10及表1) 。

应变计及温度补偿片在粘贴前、后均应检查其电阻值是否异常 (测量电阻精确到0.1Ω) , 以便及时更换异常的应变计。应变监测采用温度补偿的单桥连接方式, 采集仪采用筑邦静态应变采集仪, 粘贴与采集时间尽量选在气温较低的早晨或下午, 避开太阳直射的高温段以尽量减少温度引起的应变异常, 初始值的观测≥3次。监测时应观测重载车辆通过时的支护响应情况。

支护钢管桩身的应变初始值是基于现有开挖阶段及荷载变形条件下的值, 后续的应变和位移数据反映的是监测开始往后的荷载变形情况, 而且是测试点的应变与位移情况。

应变计的精度可以达到1个微应变 (1με) , 量程为2.0%的应变 (20 000με) , 使用温度为-30~60℃, 为避免夏季太阳直晒钢管导致温度过高, 故布设时应采取一定的遮挡措施。应变监测预警值宜按应变连续稳定增加50με/d (10.5MPa) , 且持续发展不收敛。

数据处理采用比较法, 将本期观测结果分别与上期成果和初始成果做比较, 计算出单次变化量和累计变化量, 按两期间隔日期计算变化速率。每期监测成果及时整理分析, 若发现危险情况应及时通知各方单位, 并及时上交纸质报告, 若支护结构变化情况较平稳正常, 以周报的形式上交纸质报告。成果、图表及各种检验分析数据要完整、清晰、无误。

坡道支护桩位移监测点设置在桩顶位置和桩身之上, 及时发现坡道位移突变, 保证现有坡道结构、钢管支护桩水平位移在可控范围内, 保证现场安全、有序施工。

采用坐标法观测。用全站仪架设于基准点, 观测测点坐标, 本次观测值与初始观测值之差为该点累计位移量。

监测工作实施步骤及监测频次: (1) 在支护桩桩身之上沿竖向增设水平位移测量观测点; (2) 采集各监测点坐标位置, 与初始采集数据进行对比, 计算钢管桩水平位移大小, 保证数据准确、可靠; (3) 监测时间的确定:观测周期为1次/d, 确保坡道支护安全可靠, 如出现异常或险情应随时进行监测, 确保基坑坡道安全; (4) 当监测值达到表2所示数据时, 则提出报警。

每次监测工作完成后, 对各项测试数据进行计算分析, 及时将有关监测数据及相应图表打印送交有关各方分析使用。

坡道在拆除过程中, 通过合理安排施工顺序, 保证坡道在拆除过程中合理有序, 不影响现场其他主要区域的施工。主要控制以下几方面内容。

1) 坡道土方分层开挖, 且每层开挖深度≥4m考虑到拆除过程中预应力锚索的分层厚度及土方开挖过程中机械的选择等问题, 坡道在开挖过程中配置2台挖掘机, 一台布置在坡道路面上, 将拆除范围土方装车, 由自卸式翻斗车通过坡道将所拆除土方外运;另在坡脚拆除范围内布置1台挖掘机, 进行土方倒运工作。土方开挖至腰梁标高处, 为锚索、腰梁提供拆除作业面 (见图11) 。

2) 随着坡道分层开挖, 原有护壁桩间土重新挂网喷护, 防止基坑桩间土流失随着坡道分段分层拆除, 原有支护桩桩面将分段分层露出, 需对其重新张挂钢丝网并喷射混凝土保护层, 随土方开挖进度先挂钢板网, 再进行锚索腰梁的二次张拉, 后喷射混凝土。桩间挂网随每段土方开挖同时进行, 且混凝土面层喷护与土方开挖错台流水施工。

3) 钢管桩随着土方分层开挖而分段切除, 切除过程中保证钢管桩倾倒在坡道内侧由于坡道属于分层开挖, 开挖过程中钢管桩随之分段切除, 在切除过程中利用挖掘机将钢管桩向内倾倒, 防止其掉落基坑内。

4) 预应力锚索分层卸载、分层切除随着土方分层开挖, 预应力锚索随着分层切除、分层卸载。预应力锚索在切除过程中禁止野蛮施工, 采用机械切断时, 在原支护桩桩面外预留1m长以便将锚索二次张拉锁定。

5) 拆除过程中对坡道钢管桩和基坑支护桩进行应力、应变监测本坡道拆除施工过程中危险性较大, 为有效掌控支护体系在拆除期间安全状况, 坡道拆除前在支护桩上设置应变计, 对支护体系实施监测;同时, 对坡道钢管桩支护的位移监测持续进行。具体监测方法和坡道使用过程监测方法一致, 而且要将监测数据及时整理上报。

1) 满足现场施工要求, 提高土地利用率, 适用于基坑深且周围施工地界狭窄的工程。

2) 该坡道在施工过程中充分利用原有基坑护壁桩, 大幅度降低工程造价, 加快了施工进度。

3) 该坡道在施工过程中质量要求严格, 保证钢管桩安装的质量要求和锚索预应力张拉紧固值。

4) 该坡道的施工满足现场整体部署要求, 而且施工效率高, 能够达到提前通车的目的。

本施工技术在沈阳宝能环球金融中心项目深基坑工程中得到应用, 通过深基坑支护桩和钢管桩的有效结合使用, 利用预应力锚索张拉技术形成一个稳定结构, 保证车辆通行所需的承载力。该技术在实施过程中, 通过利用原有基坑支护桩结构, 使进入现场的坡道紧邻基坑护壁桩远离主要施工区域, 同时保证现场人、材、机能够顺利进入基坑内, 不影响施工区域的正常施工。通过该坡道的施工, 可将占用主要施工区域的坡道土方进行开挖, 这样原有坡道的大量土方便被利用回填至新坡道中, 保证主要区域的施工。该坡道的施工允许车辆提前通行, 缩短1个月的工期。采用该施工技术, 提高了施工工效, 缩短了工期, 降低了工程成本, 是建筑业在深基坑施工中的一个有力探索, 成为深基坑内坡道施工的有效方法。因此, 该技术具有很大推广空间。