某滨海地区钢铁集团4 300mm特厚板工程, 主厂房为单层钢排架结构, 总长894m, 宽130m, 建筑总面积62 762m², 由精整区、主轧区、磨辊间区、均热炉区、冷床区组成。主要设备有4 300mm四辊轧机和立辊轧、冷床、磨床、压平机、翻板机等, 主要生产60mm及以上特厚型钢板。旋流井位于主厂房北侧跨内, 轧辊间东侧, 高压水泵站西侧, 热钢坯除磷后氧化铁皮经冲渣沟冲至旋流沉淀池, 沉淀后捞渣汽运至堆场。

该旋流井设计为圆形地下构筑物, 主要由内外筒、平台、渣沟等组成;外径14m, 外筒壁厚1m, 底板板底标高-25.750m, 底板厚2m, 内筒外径4.1m, 内筒壁厚300mm, 内、外筒壁间有4层平台, 平台标高依次为-16.650, -12.650, -10.350, 0.200m, 渣沟从南侧在-12.650m平台处进入旋流井内 (见图1) 。旋流井采用C30P8防水混凝土。

地貌单元为滨海相海陆交互沉积部分, 地形较平坦。场区最高地面高程2.370m, 最低地面高程1.790m。场地土除上部填土外, 其余均为滨海相海陆交互沉积地层, 由于地层形成时代较晚, 承载力较低, 场区无滑坡、泥石流等不良地质作用。拟建场区水位埋深在1.7~2.3m, 地下水的补给来源主要为周边水池、海水侧向补给及大气降水, 地下水位随季节而变化。场地土透水性分为弱透水、微透水、不透水。

根据《4300mm特厚板工程岩土工程勘察报告》, 旋流井处第77号勘探孔和工程地质剖面图43—43'显示该处土层分布及土的性质如表1所示。

根据地质勘探报告, 结合常规旋流井施工工艺, 对几种施工工艺进行了对比分析。常规的旋流井施工工艺有以下几种。

由于本工程设计的旋流井位于主厂房内, 紧邻主厂房柱基础及轧机基础, 如果采用沉井施工, 由于沉井施工的影响, 周边基础需待旋流井封底后才能进行施工, 且施工过程中的安全、质量不容易控制, 总体工期太长, 不能满足总工期的要求。

地下连续墙作为支护结构成本太高, 周期较长, 业主不同意, 无法实施。

考虑到旋流沉淀池位于主厂房内, 紧邻轧机基础和柱基础, 拟采用混凝土灌注桩排桩支护、井壁逆作法, 此种施工方法是使用46根φ800混凝土灌注排桩在旋流井外侧做支护, 外筒壁分7节 (含底板) 自上而下逆作施工, 这样使外侧排桩与逆作井壁共同作为基坑支护系统。此方法有以下优点: (1) 附近建筑可与旋流井同时施工, 大大缩短了工程的总体工期; (2) 旋流井中心位置及垂直度容易控制; (3) 外井壁外侧以支护结构为模, 仅须支设井壁内侧模板, 减少模板支设量, 节省费用, 加快施工进度; (4) 与地下连续墙支护结构相比, 大大节省费用。

综合以上方案的优缺点, 本工程最终决定采用混凝土灌注桩排桩支护、井壁逆作法施工。

旋流井所在位置自然地面标高为-0.520m左右, 旋流井底板底标高为-25.750m, 灌注桩桩顶标高为-4.100m, 施工时先大开挖至-4.300m, 放坡系数按1∶1.5考虑, 工作面加卸荷平台为1.5m考虑。拟定在旋流井15根已有灌注桩 (桩径800mm, 桩长39m) 桩间布置31根灌注桩做支护, 桩间净距约为200mm。桩径按800mm考虑, 采用C30混凝土, 桩长为32.5m, 桩嵌固深度为10.75m。如图2所示。

根据地质报告和本厂区东侧轧钢旋流井降水的经验, 基坑降水采用深井井点。基坑内正中心设置1眼, 基坑边坡外1m周圈设14眼, 井管外径500mm, 无砂混凝土管, 井深30m。用潜水泵抽入集水总管中, 经过沉淀池排入雨水井中。

采用PKPM软件进行验算。每节外筒壁施工完后再开挖下一节土方, 施工完的筒壁作为支点, 验算各项指标。边坡外2m堆载按20k Pa考虑, 基坑侧壁安全等级取一级。

验算结果为: (1) 整体稳定性安全系数K=1.32, 大于JGJ120—2012《建筑基坑支护技术规程》中规定的1.3; (2) 按滑弧稳定验算抗隆起, K_L=2.07, 大于规定的安全系数2.00; (3) 验算抗倾覆稳定性, 计算的抗倾覆安全系数为1.69, 大于规定的安全系数1.15; (4) 验算抗渗流稳定性, 大于规范规定的安全系数1.50; (5) 配筋, 主筋采用20根φ25, 箍筋为φ10@150mm, 加强筋为φ16@2 000mm。因此, 支护方案成立。

施工工艺流程如下: (1) 施工准备→ (2) 测放桩位→ (3) 支护桩施工→ (4) 降水井施工→ (5) 降水→ (6) 土方开挖→ (7) 冠梁施工→ (8) 混凝土养护→ (9) 第1节井壁挖土→ (10) 第1节井壁钢筋混凝土施工→ (11) 养护→ (12) 脚手架吊出、模板拆除吊出→ (13) 重复 (9) ~ (12) 至底→ (14) 封底施工→ (15) 从下至上施工内筒、平台、渣沟。

本工程采用泥浆护壁钻孔灌注桩施工, 而泥浆护壁钻孔灌注桩施工中容易出现的质量问题是灌注混凝土时, 由于未使孔底沉渣浮于混凝土表面并同泥浆一起排出桩孔, 造成桩身夹渣现象。

为克服这一问题, 以往混凝土灌注桩浇筑混凝土时, 采用在混凝土导管顶段一段距离内用8号铁线将一块与导管管径大小相同的预制混凝土块固定, 然后向管内浇筑混凝土, 浇筑满后剪断铁线, 由于混凝土的密度远远大于泥浆, 在重力作用下这部分混凝土将孔底沉渣冲起并浮于混凝土表面, 随着连续不断的混凝土浇筑将泥浆与沉渣一同排出桩孔外。此方法需要大量混凝土预制块, 浪费人力物力、施工成本较高。

在施工过程中对这一技术进行了改进:将混凝土导管放置到距离桩孔底部0.8~1.3m处, 在导管内放一略小于混凝土导管管径的皮球, 然后浇筑混凝土, 随着混凝土的浇筑, 皮球克服泥浆浮力被混凝土压入桩孔底部直至皮球从导管内冲出, 这时导管内的混凝土失去皮球的浮力迅速灌入桩孔底部, 将沉渣清出浮于混凝土表面连同泥浆一同排出桩孔以外, 并且混凝土迅速将导管埋没。同时, 皮球由于浮力作用浮出泥浆液面, 同泥浆一起排出。此方法皮球可以重复使用, 既保证施工质量又减少了人力、物力的浪费, 节约了施工成本。

旋流井外筒采用逆作法施工顺序, 先施工周边桩, 待其达到设计强度后土方开挖至冠梁标高, 施工环梁及第1节外筒壁。待强度达到后继续开挖第2节土方, 进行第2节的施工。这种顺序施工时上节筒壁与下节筒壁连接位置的施工缝处理是保证外筒壁不渗漏的关键。

本项目在施工第1节筒壁时, 在筒壁下缘沿筒壁一周, 筒壁中间位置事先安装止水钢板。第2节筒壁施工前, 凿除并清理干净浮浆砂土, 在止水钢板外侧加设1圈止水棒。筒壁内模沿筒壁一周, 在第1节和第2节筒壁施工缝做1个宽度为200mm、高于施工缝300mm的造型, 用于浇筑第2节外筒壁混凝土, 使后浇筑的混凝土易于灌注到止水钢板后且便于振捣, 从而使混凝土密实, 保证施工缝质量, 待混凝土强度达到设计要求时将混凝土牛腿凿除, 并用1∶2水泥砂浆抹面。

照此方法施工, 施工缝处未发现渗漏现象, 效果理想。并且此方法施工简单易行, 成本较低。

旋流井封底混凝土施工要求一次完成。底板混凝土强度达到100%后, 降水井内停止抽水, 进行封堵。在无砂混凝土管上套2.5m长φ600×8钢管, 钢管外侧中间部位加φ1 000×4钢板止水环, 在钢管内顶面以下800mm处, 沿管内壁均匀焊接4根L=50mm, 直径12mm短钢筋, 底板混凝土浇筑完毕, 待强度达到100%后, 管内降水泵取出, 用直径580mm、厚度为10mm的圆形钢板封堵管口, 钢板用8号铁线吊住钢板下放至短钢筋托架处, 钢板周边打坡口, 与钢管内壁焊接严密后, 管内浇筑混凝土, 其上顶部20mm处再用同样方法焊接一块钢板后用水泥砂浆抹平。

1) 降水过程中发现正东2眼和正西2眼井出水量大约是其他井的3倍, 通过认真分析和咨询专家后认为可能是地下暗流, 故此在东、西两侧各增加了1眼井。土方开挖到-18.000m时, 检查发现降水井有於堵, 最大4m, 进行了洗井, 保证了降水顺利进行。

2) 旋流井底板开挖完成后发现, 支护灌注桩桩身垂直度偏差较大, 造成桩净间距最大500mm, 部分桩间土塌落, 无法再按原方案用镀锌铁皮封堵, 处理方法是在桩间设置环筋, 支模后用早强混凝土灌实, 防止桩间土再次塌落对底板混凝土造成影响。

3) 在旋流井施工过程中, 由于现场业主提供的临时用电系统不稳定, 偶尔出现停电现象。为了解决临时用电突然停电的问题, 防止地下水涌出, 在现场设置了发电机作为备用电源。

在旋流井施工过程中, 通过对支护结构和周边环境的监测, 各种变形很小, 满足规范要求。该技术不但解决了采用沉井法施工周期长, 对周围基础影响大, 采用地下连续墙造价较高的弊端, 同时, 加快了施工进度, 保证了施工质量和安全, 减少了物资投入, 降低了施工成本, 支护结构安全可靠, 工程质量优良, 未出现渗漏点, 受到业主好评, 创造了良好的社会效益。