随着城市建设的不断发展, 城市建筑的施工难度也随着城市环境的变化不断增加, 城市地铁建设、地下水位影响、周边建筑保护、施工场地狭小等均对建筑施工造成较大影响, 特别是在地下结构施工阶段, 基坑开挖、材料、机械进出场等均对施工条件要求较高, 如何处理好地下阶段的施工管理是一些超大超深基坑面临的关键难题。针对天津地区的地质条件, 在超大超深基坑中采用“中顺边逆”的施工方法确保基坑变形稳定, 减少周边环境的影响, 同时对加快施工进度、保证现场安全起到重要的作用。

仁恒海河广场一期公建位于天津市南开区海河沿岸, 该工程总建筑面积为127 582.15m², 地上由28层高层公寓和6层裙房作为商场, 建筑面积63 651.6m², 地下为局部3层商场及车库, 建筑面积63 930.55m²。该工程基坑周长约800m, 基坑坑底深度变化较大, 挖深在7.0~17.4m。

基坑支护采用钻孔灌注桩, 外围采用三轴水泥搅拌桩为止水帷幕;采取先顺后逆的施工方法。中间区域采用大开挖, 在东马路、通南路和张自忠路预留反压土, 待中部顺作结构施工至相应位置后, 再进行东马路、通南路和张自忠路三边逆作区域的施工, 利用地下结构的梁板作为水平支撑体系, 钢筋混凝土灌注桩作为垂直支撑, 逆作区域待基础梁板结构施工结束后, 再顺作逆作区域的地下结构外墙和柱, 然后再施工地下1层结构 (见图1) 。

本工程±0.000为大沽标高6.160m;基坑支护设计自然地面为大沽标高4.360m, 相当于相对标高-1.800m。各区域基坑挖深如表1所示。

该工程场地地貌属第四系滨海相冲积、海积地貌单元;根据勘察资料, 本工程场地勘察最大钻孔深度为85.0m, 所揭露地层为第四系统至上更新统沉积物, 按其时代、成因及土质特征的不同分为10个工程地质层、26个工程地质亚层。本工程开挖范围内主要是杂填土、黏土、粉质黏土、粉土。

根据勘察资料, 该场地地下水属潜水~微承压水类型, 主要受大气降水补给, 以蒸发为主要的排泄方式, 稳定水位埋深在0.600~2.500m (相当于标高3.300~3.600m) 。

1) 本工程地处天津市南开区, 一期拟建工程南侧和西侧有居民住宅, 同时南侧通南路正在进行地铁施工, 道路已封闭。另张自忠路受限高影响与封闭的通南路不能互通, 且东马路为城市单项主干道, 本身通行受到限制, 其地理位置特殊, 交通不便。

2) 本工程基坑安全等级为一级, 环境保护等级为二级, 周边环境复杂, 地下结构施工过程中对基坑变形的要求严格。由于本工程靠近海河, 地下施工时对基础及降水井的观测须随时跟踪, 收集数据加以分析, 以利于土体的平衡和土方开挖的顺利进行。

3) 本工程地下施工时与正在修建的地铁东南角站紧邻, 且在本工程内设有与地铁相通的出入口, 地下结构施工期间需与地铁施工单位进行紧密配合, 确保地下施工过程中减少对地铁的影响, 同时还应保证本工程地下出入口与地铁站的衔接质量。

4) 本工程地基承载桩设计以群桩为主, 局部桩较多、较密, 同时在相应位置支护要求在桩上设置钢格构柱, “一柱一桩”施工要求精确度较高, 且土方开挖时必须做好对格构柱的保护, 避免碰撞变形。

根据本工程的周边环境要求、地质水文情况等, 结合设计概况, 在技术可行的条件下, 基坑支护设计力求减少造价、缩短工期, 结合本工程特点, 经过结构设计、基坑支护设计以及总包单位多次商讨, 最终确定采取以钻孔灌注桩作为支护桩, 三轴水泥土搅拌桩为止水帷幕, 局部遇老桩区无法施工和支护交接处采用高压旋喷桩进行加固处理, 支撑体系采用周边地下室主体梁板结构作为基坑内水平支撑逆作, 柱和外墙作为竖向结构顺作, 中间主体采取放坡开挖顺作的中顺边逆的方法进行施工。

支撑及栈桥采用φ800钻孔灌注桩兼做工程桩 (一柱一桩) , 临时钢立柱采用内插160mm×160mm等边角钢。本工程钻孔灌注桩均采取后压浆工艺, 单桩水泥用量2.2t。

由于基坑面积较大, 为确保基坑内降水要求以及周边环境的安全, 本工程基坑内设降水井128口, 承压降水井14口, 观察井9口, 回灌井5口。当降水达到开挖深度以下1m后方可进行土方开挖, 降水水位定时监测, 保证水位高度。

考虑本工程逆作施工时地下2层和地下3层土方开挖外运, 运输车无法下到相应的挖土区域进行装车运土, 因此在地下2层和地下3层土方开挖过程中采用混凝土栈桥平台, 通过挖掘机将土传递至圆环位置, 通过栈桥上的起重机进行垂直吊运装车, 将逆作土方运出。栈桥平台设在靠近东马路一侧, 共设置3处。栈桥平台下根据平台的长度和宽度打设直径800mm的钻孔灌注桩, 桩基以及栈桥平台委托设计院进行复核验算。

地下结构施工工艺流程如图2所示。根据基坑支护的设计要求结合现场场地情况, 先开挖中顺区域的土方, 同时穿插进行中顺区域的底板防水层、防水保护层、支护桩一侧砖胎模、侧壁防水层, 衔接一并施工。基础底板按加强带的设置和后浇带位置进行分块施工, 结构施工缝按加强带的设置和后浇带设置以及支撑支护设计要求留置。待中顺区域结构施工至-7.250m, 进行三面反压土边区的逆作施工。首先施工地下1层-7.250m位置结构梁板和水平支撑体系的梁, 养护到设计强度后进行地下2层土方施工, 打设地下2层-12.250m结构梁板和水平支撑体系。养护到设计强度后进行地下3层土方施工 (临时支撑处的土方暂时不挖) , 施工基础承台、底板以及地梁;同时施工临时斜撑和水平支撑。养护到设计强度后进行地下3层临时支撑下的土方施工 (本次土方主要用于基础上翻地梁间的回填) 。最后施工临时支撑下的基础部分, 基础施工完毕, 拆除临时支撑, 进行逆作边区的顺作施工, 地下3层外墙、柱、洞口板的施工, 地下2层外墙、柱、洞口板的施工, 地下1层结构施工 (见图3) 。

本工程土方开挖根据施工阶段和施工部位的不同采取明挖、暗挖结合吊挖3种形式来完成, 采取竖向分层、水平分段、周密计划、严密组织, 应用天津地区行之有效控制土体变形的“时空效应”, 对称、平衡、限时挖土、及时加撑、控制地下支撑桩的变形。每步土的开挖深度设计都有严格规定, 根据工程特点及设计要求, 本工程土方开挖总体方案为第1~4步土方采取大开挖方式, 用挖掘机接力式退步法至出土坡道处并装车运走。逆作施工时, 支撑下用小型挖掘机挖掘并倒运至栈桥平台下方, 利用长臂挖掘机装车将土运走。

本工程充分利用地下采用放坡开挖的条件, 结合周边环境因素和挖土区域内的管井降水井的设置位置, 在西侧放坡处设置3个土方出土坡道, 明挖部分的土方均从设置的坡道上外运 (见图4) 。

逆作施工地下2, 3层的土方由小挖掘机归置到出土口, 再从西侧的栈桥平台采用长臂挖掘机装车, 将逆作部分土方运出。

-1.800~-3.500m, 按照出土路线示意图将出土路线的土预留;第1道帽梁施工:-2.800m和-3.800m。

-3.500~-8.400m, 按照设计要求在东马路、通南路、张自忠路预留反压土, 留置宽度和放坡坡度必须符合设计要求, 而后分2层挖至设计标高。出土坡道的土待明挖土结束最后挖除。

-8.400~-13.600m, 按照设计要求在东马路、通南路、张自忠路预留反压土, 留置宽度和放坡坡度必须符合设计要求, 而后分2层挖至设计标高。出土坡道的土待明挖土结束最后挖除。

-13.600~-19.200m, 按照设计要求在东马路、通南路预留反压土, 留置宽度和放坡坡度必须符合设计要求, 而后分2层挖至设计标高。

第2~4步均采用退挖法进行土方开挖, 最后将坡道挖除。

中顺结构施工:基础底板→地下3层结构施工→地下2层结构施工 (见图5) 。

边逆结构施工工序:中顺结构施工相应满足建筑设计要求和支护设计要求→挖除-3.500~-8.400m (反压土) →逆施-7.250m腰梁和水平支撑→挖除-8.400~-13.600m反压土→逆施-12.450m腰梁和水平支撑→要求挖除-13.600~-19.200m (反压土至斜撑-16.900m) →逆施中心底板结构→-15.200m腰梁和临时斜撑施工→挖除斜撑以下剩余的土→剩余基础底板施工→拆除斜撑→逆施部位外墙、柱→地下1层结构施工 (见图6) 。

考虑支撑的强度要求, 按结构设计标高和支撑体系的设计, 逆作梁板采取在基土垫层上搭设扣件式钢管排架, 立杆间距750mm×750mm, 排架立杆下垫400mm×100mm×50mm木垫块, 安放主、次木龙骨, 选用100mm×100mm木方作为主龙骨, 50mm×100mm木方作为次龙骨, 铺设主、次梁模板及平台模板使用12mm厚竹胶板, 并用A14对拉螺栓穿过模板固定主龙骨 (见图7) 。当梁或板的跨度>4m时, 按照梁板 (长向) 跨度进行1.5‰起拱。

逆作法施工的裙房地下室外墙及框架柱混凝土采取后浇法, 地下室外墙采用60系列钢模板单面支模, 框架柱采用可调截面大钢模板支设, 地下室外墙沿长度方向在模板上口通长设喇叭口, 口径为400mm宽。框架柱在两侧面支设喇叭口, 其余两面封闭到顶。混凝土浇筑先从喇叭口中入口至一定高度后, 模板喇叭口封闭, 混凝土从楼板预留洞入口并加以振捣棒振捣密实。考虑外墙厚度为500mm, 加上商品混凝土和易性、流动性较好, 必要时在钢模板外侧配置振捣棒辅助振动, 以达到混凝土密实要求。喇叭口处混凝土浇筑高度超过柱顶或墙顶接缝高度150~200mm, 以确保接缝处的混凝土密实度, 多余的凸出部分混凝土待强度达到设计强度的75%后再凿平。为保证接缝处的密实性, 预先在外墙边梁及梁柱节点中心处预埋30塑料管, 用作灌浆处理, 待竖向构件混凝土浇筑完毕后, 使用压力灌浆机, 将高强度水泥浆通过塑料管压接缝中, 以确保混凝土密实, 同时对地下室外墙接缝处防水起到作用。

由于整个降水持续时间长, 必须待裙房结构完成, 地下室防水施工、回填土完成后方可停止降水, 同时对降水井进行封堵。本工程降水井管采用无砂混凝土井管, 管径500mm, 基坑内共布置128口井, 大部分降水井穿过基础底板, 必须做好降水井止水和封堵措施, 消除底板渗漏隐患。

混凝土井管到达垫层上表面时, 改换为273钢管, 穿过基础底板面以上100mm, 穿过垫层时, 在垫层上焊接200mm宽、5mm厚的止水环, 与管根黏结在一起, 防水卷材收口做密封处理, 管井穿过基础底板的防水处理, 在基础底板的中部沿管井周围焊接5mm厚止水钢板, 周边突出100mm, 采取双面焊满焊严密 (见图8) 。

当地下停止降水后, 深井使用完毕, 应及时封堵管井, 采用砂砾填充密实, 灌入素混凝土填密实, 随后用5mm厚的钢板做封口处理, 焊接于管井上口, 与基础底板上表面相平, 上部浇筑C30混凝土 (600mm×600mm×300mm) (见图9) 。

中顺边逆法施工方法在大型基础工程中的应用已经非常广泛, 是一项比较成熟的施工工艺, 但由于每个工程项目的施工环境不同, 在施工过程中必须分别对待, 采取行之有效的施工措施是确保基坑安全关键。同时, 施工过程中针对不同阶段对施工节点进行优化不仅能节省资金更能缩短工期。本工程采用钻孔灌注桩作为围护结构的“中顺边逆”施工方法, 突破传统地下连续墙作为围护结构的全逆作法, 减少了围护结构的资金投入, 减少了后期大量支撑的施工和拆除费用。施工过程中严格管理使得本项目基坑变形控制在设计范围内, 保证了基坑安全和周边环境不受影响。