深大基坑工程中土方外运技术的应用

深大基坑工程中土方外运技术的应用

0支护结构的施工近年来，基底工程逐渐深入和朝深，环境条件不断复杂。在设计和施工期间，应充分满足支护结构和外部环境安全的前提下，确保土壤及时外流，确保土壤平衡开挖，不仅有利于土壤挖掘和运输，而且增加了支架结构和支撑体系的刚性，减少了基质变形。南京鹏欣水游城基坑可作为一个相当成功的范例,为类似深基坑的支护设计、土方开挖和外运提供了有益的参考。1联合行1.1建筑、地下空间南京鹏欣水游城项目地处南京古城南地区,基坑位于市内中华路、健康路两条城市主干道交叉口的东北角,东西向沿健康路宽约150m,南北向沿中华路长约180m,东临12.0m宽的旧王府街,三面环路,北邻江苏省外运大厦和王府园二期住宅群,总占地面积2.67hm2,四周地下供水管线、电讯电缆纵横交错。本项目地上部分裙房5层,酒店主楼14层,住宅主楼14层,采用框剪结构,嵌岩桩基础。整体设有4层地下室(局部5层),开挖深度20.0m(局部24.0m),作为地下车库或商业用房,地下建筑面积88209m2。1.2地下水赋存条件拟建场地地势较为平坦,地面标高为9.70m~10.98m,位于秦淮河漫滩地区,第四纪覆盖层依次为:(1)层杂填土,含碎杂砖、瓦片等建筑垃圾,含量约占70%,填龄大于10年,层厚3.30m~6.60m,平均4.63m,重度18.0kN/m3,粘聚力CCq=6.0kPa,Фcq=10.0度;(2)-1层粉土~粉砂,层厚1.70m~5.80m,重度19.1kN/m3,粘聚力CCq=9.0kPa,Фcq=21.5度;(2)-2层粉质粘土~淤泥质粘土,层厚2.90m~7.80m,重度18.0kN/m3,粘聚力CCq=18.0kPa,Фcq=12.4度;(2)-3层粉质粘土~粘土,层厚4.70m~12.30m,重度20.2kN/m3,粘聚力CCq=61.0kPa,Фcq=17.1度;(2)-4层粉质粘土,层厚4.50m~15.90m,重度20.0kN/m3,粘聚力CCq=31.0kPa,Фcq=14.8度;(2)-4A层粘土,层厚1.00m~11.90m,重度20.0kN/m3,粘聚力CCq=10.0kPa,Фcq=35.0度;(4)层卵砾石,层厚0.20m~4.52m;(5)-1层强风化泥岩、泥质粉砂岩,层厚0.50m~2.70m;(5)-2层中风化泥岩、泥质粉砂岩,未揭穿。场地地下水主要为潜水,主要赋存于(1)层杂填土和(2)-1层粉土~粉砂中,透水性较好,富水性中等,地下水对钢筋无腐蚀。补给来源为大气降水、地表径流。地下水静止水位标高在9.11m~9.18m,埋深在地面下0.90m~1.60m,年变化幅度为0.5m。1.3基处理的质量拟建工程位于南京市老城区,毗邻享誉中外的夫子庙繁华商业及旅游风光带,车水马龙,周边环境极为复杂。场地西北面为江苏省外运大厦及3幢石灰桩复合地基处理的7层砖混住宅楼,基础埋深只有1.60m,基础下为深5.50m的石灰桩,距基坑边5.00m~6.00m;东侧为旧王府街和老居民区,以1~2层的低矮老屋为主,历史悠久,分布密集,且部分已年久失修;南侧为刚出新的建康路,管线距基坑边约13.0m;西侧中华路下管线距基坑边约5.50m,路面以下新旧管线密布,给排水、通讯、燃气、电力等管线错综复杂,管线走向同场地边线基本平行,最近距离仅4.00m,见图1。2灌注桩+三轴深资料综合考虑安全、经济、环境影响、施工便利等诸因素,深基坑支护形式采用:钻孔灌注桩+三轴深搅桩止水帷幕+四道内支撑(对撑+角撑)的形式(见图1),变形控制要求为:地面最大沉降量≤0.2%H(H为基坑开挖深度);围护墙最大水平位移量≤0.3%H;基坑抗隆起安全系数KS≥2.0。2.1基坑工程构造设计方案桩身混凝土强度等级C30,桩身主筋为HRB400级钢(Φ25),围护桩的桩径和入土深度根据各钻孔揭示的土层条件及周围荷载条件分成5个区段区别对待,确保基坑安全和减少环境影响。其中:ab段(基坑东侧)为ф1100@1300mm,桩长31.0m,插入比(H/D)1∶0.7;bc段(基坑东南侧)为ф1100@1300mm,桩长32.5m,插入比(H/D)1∶0.775;cd段(基坑南、西侧)为ф1200@1400mm,桩长32.8m,插入比(H/D)1∶0.79;de段(基坑西北侧)为ф1200@1400mm,桩长31.5m,插入比(H/D)1∶0.725;ea段(基坑北侧)为ф1250@1400mm,桩长33.0m,插入比(H/D)1∶0.80。2.2停止水幕的选择深基坑采用单排ф850三轴深搅桩,中心距1200mm,水泥掺入比20%,桩底进入(2)-3层不少于1.00m作为止水帷幕。2.3支撑机构及平面布置(1)支撑、围檩由于上部土层物理力学性质较差,中部土质较好;开挖深度20.0m(局部24.0m),周边环境条件要求高,基坑形状不规则,采用四道钢筋混凝土水平内支撑方案,混凝土强度等级C35。第一道支撑中心标高为-2.50m(地面标高为-0.5m),现浇钢筋混凝土主支撑断面(b×h)1000mm×1000mm,围檩断面(b×h)1400mm×1000mm;第二道支撑中心标高为-7.90m,现浇钢筋混凝土主支撑断面900mm×900mm,围檩断面1100mm×900mm;第三道支撑中心标高为-12.20m,现浇钢筋混凝土主支撑断面900mm×900mm,围檩断面1100mm×900mm;第四道支撑中心标高为-16.50m,现浇钢筋混凝土主支撑断面900mm×900mm,围檩断面1100mm×900mm;各支护构成完整的平面受力体系。在平面布置上,考虑到基坑东西向边长150m,南北向边长180m,支撑的平面布置采用十字形对撑结合四角边桁架的形式,受力直接,整体刚度较好,能较好地调节不规则平面布置对支撑杆件受力的不利影响,同时避免长距离的支撑杆件受力不好和混凝土收缩的不利影响。(2)支撑立柱坑底以上采用缀板式型钢格构柱,柱内纵向为4根L200mm×20mm等边角钢,钢材采用Q235(栈桥与堆场平台下采用Q345钢),四侧用缀板(250mm×20mm×500mm,Q235)与纵向角钢焊接,缀板中到中间距600mm,下端插入钻孔灌注桩内3.0m;坑底以下采用钻孔灌注桩,桩长约25.0m,桩端进入中风化岩层不少于5.0m,混凝土强度等级C35。立柱桩布置时尽可能利用工程桩,上部型钢格构柱在穿过底板范围内需设置止水片。2.4外运栈桥设计为了便于基坑开挖时土方的运出,提高工效,本工程充分发挥东西向对撑的有利条件,修建一条斜向的运土栈桥,让运土车直接驶入第二道支撑顶面装土运出。为此,对第一道支撑的相关杆件和立柱予以调整和加固,增加混凝土路面和斜撑,使其承担着既是内支撑(平衡土压力),又是运土栈桥(承担运土任务)的双重作用,在基坑中央四个方向上设置了土方外运的栈桥,由长臂挖机直接挖土装车,并在中部对撑上加盖混凝土板作为出土通道,栈桥面板厚250mm,混凝土强度等级C35,主筋为HRB400级钢(Φ16@200mm×200mm,双层双向)(见图2),在保证土方及时外运的同时也确保了土体的均衡开挖。这样既有利于土方运输,又增加了支撑体系的刚度,减少基坑变形。3分层土方开挖本基坑面积约27000m2,基坑挖深20.0m,挖土方总量约54.0万m3,工程量大,时间紧,挖土作业与基坑内四道钢筋混凝土支撑交叉施工,挖掘机在支撑下作业,还要避开立柱桩、工程桩、降水井等,对机械作业要求高,必须采取有效措施确保安全施工。将基坑以南北分界线、东西分界线分成4个作业区,即西北区(B区)、西南区(C区)、东北区(A区)、东南区(D区),通过分区段、分层(5层)、分块开挖、分块进行基础砼浇筑,避免大面积开挖造成基坑位移过大,减小基坑开挖的风险。⑴第1层土方开挖:土质是杂填土,从相对标高±0.00挖至第一层支撑底标高(-3.00m),49个有效工作日。出土口位于基坑南侧、西侧和西北角,挖土顺序:先对称挖十字支撑东西向,分别对称从东西向支撑边部向中间分块开挖,再挖十字支撑南北向,分别对称从南北向支撑中间向边分块开挖,再沿对角线对称挖东北角和西南角两个角撑区,然后沿对角线对称挖西北角和东南角两个角撑区,接着挖东边桁架支撑区,再挖中间空档区,最后挖出土口处土方。⑵第2层土方开挖:土质是杂填土和粉土、粉砂,从相对标高-3.00m挖至第二层支撑顶标高(-7.40m),25个有效工作日。出土口位于基坑东侧、南侧和西侧,挖土顺序同第一层。每个片区内做成“丰”字形施工便道,用10%石灰土做便道路基,厚度≥800mm,用压路机分层压实,便道面层做200mm厚泥结碎石路面,出口处做成坡道,坡度为10%,坡道长20.0m,宽10.0m,汽车通过便道到达装土挖掘机作业半径内装土,并将土方运出基坑。第二层土方开挖完后,紧接着开挖通向四个土台区的斜栈桥位置土方,穿插施工第二道钢筋砼支撑、栈桥和围檩以及通往土台的斜栈桥,待其完成,且混凝土强度达到设计要求,即可进行第三层土方开挖。⑶修建栈桥(见图2):在第一道支撑东西向对撑顶从基坑边向中心修建东西向钢筋混凝土坡道栈桥,西端栈桥长16.0m,桥面标高从±0.00至-2.075m,坡度12.97%,桥面净宽10.0m,东端栈桥长14.0m,桥面标高从±0.00至-2.075m,坡度14.821%。在同一栈桥上可行驶2辆载重汽车,每车重量30t。当第二道东西向对撑做完,接西端钢筋混凝土坡道栈桥向中心从第一道支撑-2.075m标高至第二道支撑-7.475m标高做钢筋混凝土栈桥,栈桥长38.325m,坡度14.09%,接东端钢筋混凝土坡道栈桥向中心从第一道支撑-2.075m标高至第二道支撑-7.475m标高做钢筋混凝土栈桥,栈桥长32.85m,坡度16.438%,栈桥延伸在第二道东西向对撑-7.475m标高做钢筋混凝土栈桥,桥面成水平状,此段栈桥长35.525m,分别在四个区第二道东西向对撑顶做斜向钢筋混凝土栈桥,桥面斜宽10.0m,成水平状,栈桥斜长15.60m,栈桥出第二道东西向对撑范围打桩做钢筋混凝土栈桥,桥斜长17.4m,坡度10%,桥面标高从-7.475m至-9.215m(坡下1.74m)。因行车要求净高度为4.5m,这样坡道从第一道支撑顶至第二道支撑顶时,坡面与第一道支撑底标高高度,不能满足车辆行驶净空要求,所以在做栈桥坡道设计时,第一道支撑局部支撑梁做调整。在无支撑区做坡道式栈桥要预先做好栈桥桩基、桥墩,当第二道东西向对撑施工完成即可施工第一道支撑至第二道支撑栈桥及位于第二道支撑栈桥和延伸到无支撑区栈桥,为第3层挖土创造必要条件。从第3层土方开挖开始,运土汽车走栈桥,东侧土方出口出土走东侧新建施工通道到建康路至弃土场(见图1)。(4)第3层土方开挖:土质是粉土、粉砂和粉质粘土~淤泥质粉质粘土,从相对标高-7.4m挖至-11.7m标高,即第三道支撑顶标高,25个有效工作日。运土车一部分从建康路走基坑东侧施工通道,从东西向栈桥经斜向栈桥到达装土挖掘机作业半径内装土,然后经斜向栈桥和东西向栈桥向西进入中华路至弃土场,另一部分运土车从中华路走基坑西侧施工通道,从东西向栈桥经斜向栈桥到达装土挖掘机作业半径内装土,然后经斜向栈桥和东西向栈桥向东走东侧施工通道进入建康路至弃土场。挖出土方用推土机推土至装土挖掘机作业半径内。第三层土方开挖过程中穿插将第三道钢筋混凝土支撑做完。挖掘机在第二道支撑上作业时,支撑上覆土超过400mm,并垫好路基箱。在栈桥接口处收缩形成土台,土台顶标高-9.215m,直径10.0m,四周放坡,为第4层土方开挖创造条件。(5)第4层土方开挖:土质是粉质粘土~淤泥质粉质粘土和粉质粘土~粘土,从相对标高-11.7m挖至-16.0m标高,25个有效工作日。运土车走栈桥到达-9.215m标高土台,1台装土挖掘机就位在此土台上,将推土机汇集到土台周围的土方挖土装车,2台挖掘机挖-11.7m标高至-16.0m标高土方,在-11.7m标高平台用4台推土机推土至装土挖掘机作业半径内,推土机用接力作业方式,在支撑下安排2台小型挖掘机挖土翻土。分成四个作业区,每个片区安排5台挖掘机,4台推土机,16辆自卸汽车,共计64辆车。这层土方开挖共投入20台挖掘机,16台推土机。在第4层土方开挖过程中穿插将第四道钢筋混凝土支撑做完。待第四道钢筋混凝土支撑、围檩混凝土强度达到设计强度80%才能进行第五层土方开挖。当东西、南北向对撑区土方挖完后,根据土方开挖顺序可以挖角支撑区部分土方。这样可更好保证土方开挖进度。第四层土方开挖向土台收缩时形成台阶式土台,第一层标高-9.215m安置1台装土挖掘机,直径10.0m,四周放坡,第二层标高-11.7m安置1台翻土挖掘机将-16.0m标高土方翻挖至-11.7m标高,为第5层土方开挖创造条件。(6)第5层土方开挖:土质是粉质粘土~粘土,从相对标高-16.0m挖至-20.0m标高,23个有效工作日。第5层土方开挖顺序与第四层土方基本相同,主要是考虑尽量减少基坑的暴露时间,将土方开挖与底板施工相互结合起来,分块流水。具体做法如下:(1)将第四道支撑混凝土浇筑好,达到强度要求;(2)第五层土方划分成11块,分块大小与底板的后浇带位置相一致;(3)按第五层土方开挖顺序,先后分6次挖土,每次挖出2个地块,挖好1块立即施工垫层,接着进行底板施工;待该底板浇好后,再开挖邻近地块的土方达到坑底;(4)同法,陆续挖出另2块土方,浇2块底板。这样最后土方由土台处挖走,再拆除土台处的立柱和斜栈桥。4基坑支护结构位移⑴支护结构的侧向变形压顶圈梁累计水平位移量均在20.0mm左右,最大累计水平位移发生在基坑西侧中部靠北的D21点,最大值为38.2mm。支护结构顶部水平位移主要发生在第3、4、5层土方开挖阶段,其中开挖第3层土方时,对支护结构顶部位移影响最大。累计最大深层水平位移量为27.0mm~42.0mm,其中累计最大深层水平位移量达42.0mm的测点位于基坑的西侧,主要发生在第2、3层和第5层土方开挖阶段,第4层土方开挖时,由于土质条件较好,支撑制作与土方开挖配合紧密,深层位移小。底板浇筑后,其对支护桩支撑作用的充分发挥,第四层支撑爆破对支护结构位移的影响不大。同样,由于换撑处理得当,随后的第3、2、1层支撑爆破施工对支护结构位移的影响都较小。⑵临近建筑物、道路的沉降变形在整个基坑土方开挖和地下室的施工过程中,基坑临近建筑物的沉降除少量测点达到14.7mm外,普遍在10.0mm以内。道路测点的沉降量也均较小,最大沉降点出现在基坑西侧中部,其值为12.7mm。主要由于测点位于交通繁忙的中华路上,同时处于基坑渣土车出土口附近,在长期动载作用下的固结沉降相对明显。⑶支撑轴力表1为各层支撑在各土方开挖阶段所测得的最大支撑轴力值。由表1可见,在整个基坑土方开挖和支撑爆破拆除过程中,首层支撑轴力最大,最大支撑轴力为8921.9kN,为支撑承载力设计值的66%、轴力设计值的115%。最大值发生在第一层支撑的西北角,由于场地限制,西北角第一层支撑面作为堆料场,堆载大,作用时间长,故最大值未发生在对撑主梁或第二、三层支撑上。第二层支撑轴力最大值为8390.4kN,为设计值的100%;第三层支撑轴力最大值为8537.2kN,为设计值的123%;第四层支撑轴力最大值为5278.5kN,为设计值的63%。⑷桩身应力桩身弯矩最大值为-712.44kN·m,为设计值的30%,所占比例较小。各桩弯矩最大值发生位置位于10.05m~14