城市中心超大超深異形基坑工程安全優(yōu)質(zhì)建造技術(shù)研究

城市中心超大超深異形基坑工程安全優(yōu)質(zhì)建造技術(shù)研究

0武漢勞動(dòng)研究大學(xué)賀設(shè)計(jì)近年來(lái)，隨著大型地下車站的逐步發(fā)展和大規(guī)模綜合體的開發(fā)利用，基地的面積和深度逐漸增加。相應(yīng)地,對(duì)基坑的變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定性提出了更高的要求。為保證基坑與周邊環(huán)境的安全,基坑分期分區(qū)建造技術(shù)逐漸在深基坑中得到應(yīng)用。賀翀本文基于武漢光谷廣場(chǎng)綜合體超大、超深基坑項(xiàng)目,根據(jù)建筑功能、區(qū)域埋深在空間維度進(jìn)行基坑分區(qū),根據(jù)關(guān)鍵工期、先深后淺的原則在時(shí)間維度進(jìn)行分期,通過(guò)分期分區(qū)拓展,將復(fù)雜龐大、受力不明、工期不一的空間問(wèn)題解構(gòu)為相對(duì)簡(jiǎn)單、受力明確、工期可控的基坑工程,同時(shí)解決場(chǎng)地受限、交通擁堵、管線密集等突出問(wèn)題。針對(duì)分區(qū)分期基坑,通過(guò)創(chuàng)新支撐體系、BIM可視化應(yīng)用、臨時(shí)路面系統(tǒng)托換、支撐毫秒微差延期爆破拆卸等綜合技術(shù),實(shí)現(xiàn)超大超深異形基坑工程安全、優(yōu)質(zhì)、快速、可視化的分期分區(qū)建造。1項(xiàng)目總結(jié)1.1地下空間及地下治理工藝武漢光谷廣場(chǎng)綜合體地處中國(guó)光谷核心地帶,是武漢重要的商業(yè)中心、光谷的交通咽喉、6路相交的交通環(huán)島、光谷城市地標(biāo)(見圖1)。光谷廣場(chǎng)綜合體集3條地鐵線的4座車站、2條市政隧道、地下空間以及地下非機(jī)動(dòng)車環(huán)道于一體1)2、9、11共3條地鐵線的4座車站和區(qū)間工程相互連通疏導(dǎo)客流;2)珞喻路、魯磨路2條市政隧道立體相交分離過(guò)境車流;3)地下公共空間工程、地下非機(jī)動(dòng)車環(huán)道整體連通供行人及非機(jī)動(dòng)車便捷通行。光谷廣場(chǎng)綜合體的規(guī)模和復(fù)雜度在國(guó)內(nèi)地鐵樞紐中首屈一指,國(guó)際罕見,工程地處城市中心節(jié)點(diǎn),設(shè)計(jì)建設(shè)難度極高。項(xiàng)目首創(chuàng)地下3層空間內(nèi)5條交通線路全地下立交綜合體方案,創(chuàng)建了超大跨度、超高凈空、優(yōu)美舒適的現(xiàn)代地下公共空間,同時(shí)也給項(xiàng)目的基坑開挖及建造帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。1.2基坑基坑平面、豎向關(guān)系復(fù)雜工程周邊環(huán)境條件十分苛刻,地面交通六路交匯,道路周邊高樓林立,基坑的建設(shè)場(chǎng)地只能在道路紅線以內(nèi)解決,同時(shí)還須保障社會(huì)交通的正常通行。項(xiàng)目深基坑工程與已開通運(yùn)營(yíng)的地鐵2號(hào)線光谷廣場(chǎng)站零距離銜接,基坑深度達(dá)到22m,基坑平面、豎向關(guān)系復(fù)雜,空間受力狀態(tài)明顯,且根據(jù)地質(zhì)條件和工期要求,基坑土石方需爆破開挖、鋼筋混凝土支撐需爆破拆卸,對(duì)周邊環(huán)境、交通尤其是運(yùn)營(yíng)地鐵車站的保護(hù)是本工程的重大課題。項(xiàng)目深基坑工程與既有運(yùn)營(yíng)2號(hào)線光谷廣場(chǎng)站相對(duì)關(guān)系平面圖見圖3。1.3工程地質(zhì)和結(jié)構(gòu)工程場(chǎng)地地貌單元為剝蝕堆積壟崗區(qū),相當(dāng)于長(zhǎng)江三級(jí)階地,地形總體較平坦,地面標(biāo)高28.5～31.0m。結(jié)構(gòu)頂板覆土1～3m,工程大底板埋深約22m,主要位于中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層〈20a-2〉。場(chǎng)區(qū)覆蓋層主要為填土層(Q1.4關(guān)鍵技術(shù)措施方面,我國(guó)城市基綜合體工程地處鬧市、規(guī)模巨大、組成復(fù)雜,各單項(xiàng)工程的工期要求、各區(qū)段的工程條件均不一致,工程建設(shè)面臨的突出問(wèn)題主要有:1)超大綜合體基坑工程籌劃和工期保障;2)復(fù)雜基坑空間受力問(wèn)題;3)工程建設(shè)場(chǎng)地嚴(yán)重受限;4)城市中心交通及環(huán)境安全。針對(duì)上述重難點(diǎn)問(wèn)題,研究采取的關(guān)鍵技術(shù)措施主要有:1)將工程在空間維度按建筑功能、基坑深度進(jìn)行分區(qū),在時(shí)間維度按關(guān)鍵工期、先深后淺的原則進(jìn)行分期,通過(guò)分期分區(qū)拓展結(jié)合BIM可視化施組,保障各子工程工期目標(biāo),同時(shí)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工程的安全順利建設(shè)。2)采用基坑分區(qū)平衡支撐體系,將復(fù)雜龐大、受力不明的空間問(wèn)題解構(gòu)為相對(duì)單純、受力明確的基坑工程。3)不同分區(qū)在分期施工時(shí)互為施工場(chǎng)地,有效解決場(chǎng)地不足的問(wèn)題。4)結(jié)合各基坑首道支撐統(tǒng)籌設(shè)置臨時(shí)路面系統(tǒng),采用基于主體結(jié)構(gòu)承載的路面系統(tǒng)立柱托換,在整個(gè)施工期保障地面交通;采用毫秒微差延期爆破支撐拆卸等技術(shù)控制環(huán)境影響。2施工技術(shù)研究2.1工程分期分區(qū)綜合體工程主體基坑見圖5。1)從工程籌劃方面,東西向的2號(hào)線南延線需在4年內(nèi)開通運(yùn)營(yíng),為關(guān)鍵工期,如按照主體基坑全部同期同步施工的整體實(shí)施方案,工期達(dá)52個(gè)月,不滿足2號(hào)線南延線開通工期要求。按照分期分區(qū)施工方案,將2號(hào)線南延線區(qū)間所在的廣場(chǎng)中區(qū)、西區(qū)、東區(qū)、明挖區(qū)間及珞雄路站總體同期先行實(shí)施,廣場(chǎng)北區(qū)、南區(qū)以及其他工程二期實(shí)施,可在46個(gè)月內(nèi)提前實(shí)現(xiàn)2號(hào)線南延線貫通,總工期56個(gè)月,滿足工期要求。2)基坑安全和受力方面。如按整體同步實(shí)施方案,基坑平面異形、豎向多級(jí)錯(cuò)臺(tái),支撐體系的復(fù)雜空間布置和受力狀態(tài)對(duì)于基坑施工和安全十分不利;按照分期分區(qū)施工方案,1期先行實(shí)施的區(qū)域均為地下2～3層結(jié)構(gòu),基坑平均深度22m,2期施工的廣場(chǎng)北區(qū)、南區(qū)均為地下1層結(jié)構(gòu),基坑平均深度14m,各分區(qū)基坑相對(duì)規(guī)則、受力明確、安全合理。3)施工組織方面。因施工場(chǎng)地受道路紅線和地面交通的限制,整體實(shí)施方案在施工組織上將面臨巨大困難,分期分區(qū)方案則可實(shí)現(xiàn)場(chǎng)地先后使用,有效保證各分部工程的實(shí)施和整個(gè)項(xiàng)目的順利建設(shè)。綜合分析,工程采用分期分區(qū)實(shí)施方案。根據(jù)工程地質(zhì)條件結(jié)合計(jì)算,基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式選用?1.2@1.5m鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐支護(hù),對(duì)淺部填土層采用7m深?800mm旋噴樁樁間止水。2.2基坑支護(hù)方案采用基坑分區(qū)平衡支撐體系,適應(yīng)各種施工條件變化,通過(guò)保持各分區(qū)基坑分隔樁兩側(cè)的支撐平面布置及豎向標(biāo)高相互對(duì)應(yīng),保證分區(qū)基坑之間的受力平衡,即將一個(gè)復(fù)雜的大型基坑劃分為相對(duì)獨(dú)立的簡(jiǎn)單基坑解決其受力變形,同時(shí)也為各分區(qū)實(shí)施條件保留彈性,基坑施工現(xiàn)場(chǎng)鳥瞰見圖6?；硬捎娩摻罨炷了借旒荏w系進(jìn)行支撐。1期工程基坑中部坑中坑深32m,豎向設(shè)置6道混凝土支撐。2期工程基坑深14m,豎向設(shè)置2道支撐。為避免2期基坑支撐制約基坑分隔樁的拆除,影響施工進(jìn)度和結(jié)構(gòu)對(duì)接,利用支撐座將2期基坑首道支撐支頂在1期結(jié)構(gòu)頂板上,2期基坑土方采用盆式開挖方式、周邊留設(shè)土坡,中部開挖到底后先行澆筑底板,將基坑第2道支撐采用斜拋撐形式支撐在底板上,再行開挖周邊留土進(jìn)行回筑,如圖7所示,該方法使得2期基坑支撐體系不需依靠分隔樁來(lái)傳力,可安全、方便、快速地完成分期圍護(hù)樁的破除和主體結(jié)構(gòu)對(duì)接,大大提高工效。2.3社會(huì)交通正常通行結(jié)合各基坑首道鋼筋混凝土支撐統(tǒng)籌設(shè)置臨時(shí)路面系統(tǒng),路面系統(tǒng)豎向支撐與基坑鋼立柱合設(shè),既保障了基坑施工期間社會(huì)交通的正常通行,也最大化地利用了基坑臨時(shí)支撐構(gòu)件。在基坑回筑階段,為保證2號(hào)線南延線通車,需提前拆除其范圍內(nèi)的鋼立柱,通過(guò)在主體結(jié)構(gòu)柱對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)頂板上設(shè)置托換柱,在無(wú)結(jié)構(gòu)柱的部位設(shè)置托換梁進(jìn)行托換,保證了路面系統(tǒng)的全過(guò)程安全穩(wěn)定運(yùn)行,如圖8所示。2.4爆破模式及支撐常規(guī)基坑混凝土支撐拆除方法主要有人工鑿除、機(jī)械破碎、切割吊運(yùn)和爆破拆除4種方式,其優(yōu)缺點(diǎn)比較見表1。對(duì)于城市中心大型深基坑工程的混凝土支撐體系,傳統(tǒng)的拆除方式不能滿足現(xiàn)場(chǎng)工期和周邊環(huán)境要求;通過(guò)研發(fā)應(yīng)用孔內(nèi)高段位、孔外低段位的毫秒微差延期起爆技術(shù),利用毫秒級(jí)延期雷管,以毫秒級(jí)時(shí)差順序爆破拆卸支撐系統(tǒng),相比常規(guī)人工鑿除方案投資節(jié)省50%,工期節(jié)約80%,為實(shí)現(xiàn)各分區(qū)工程的迅速高效回筑與對(duì)接、保障整體工程快速封頂提供了有力的技術(shù)保障。根據(jù)基坑支護(hù)體系和主體結(jié)構(gòu)施工安排,爆破拆除總體方案采取自下而上、逐層分區(qū)方式破除,平面上遵循平衡對(duì)稱原則,先拆除角撐,再拆除中部對(duì)撐,每層支撐以A-C-B-D-E-F的順序分6次爆破,平均單次爆破方量800m爆破孔根據(jù)支撐梁的寬度主要采取3排梅花形布孔形式預(yù)埋炮孔,見圖10,結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn),抵抗線w取250～300mm;孔距a取700～1000mm,排距b取250～350mm;孔深h取支撐截面高度H的70%,通過(guò)裝藥中心下移,引導(dǎo)破碎和個(gè)別飛散物向下運(yùn)動(dòng)。單孔裝藥量式中:Q為單孔藥量,g;a為孔距,cm;S為支撐構(gòu)件的斷面積,m實(shí)踐證明,通過(guò)毫秒微差爆破有效減小了爆破沖擊波和振動(dòng)的累加效應(yīng),大幅減小了對(duì)既有結(jié)構(gòu)的影響,保障了結(jié)構(gòu)安全和緊臨基坑的地鐵2號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)。支撐拆卸效果圖見圖11。該技術(shù)施工安全快速,避免了對(duì)周邊環(huán)境和居民的長(zhǎng)期不利影響,同步解決了支撐混凝土的破碎和與鋼筋剝離,實(shí)現(xiàn)了材料快速分離和再利用。2.5施工動(dòng)態(tài)優(yōu)化項(xiàng)目運(yùn)用BIM進(jìn)行分區(qū)分期基坑可視化施工組織,基于BIM中心模型,見圖12,將現(xiàn)場(chǎng)施工的每個(gè)分區(qū)工程、每道工序銜接通過(guò)BIM技術(shù)逐一推演,提前模擬工程的分區(qū)分期工籌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、土方開挖運(yùn)輸?shù)仁┕?dòng)態(tài)并進(jìn)行優(yōu)化,直觀、合理地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工;通過(guò)采用采用BIM數(shù)字化信息技術(shù),順利解決了結(jié)構(gòu)柱頂變截面圓形鋼模制造與拼裝、變截面弧形梁支模施工、各向變坡樓板精準(zhǔn)施工、傾斜穹形頂板精準(zhǔn)施工、超大體量復(fù)雜綜合管線布設(shè)等復(fù)雜工程技術(shù)難題,有效節(jié)約了建筑材料和自然資源,實(shí)現(xiàn)智能建造,節(jié)省了施工成本和工期。項(xiàng)目應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行全生命周期設(shè)計(jì)建造和運(yùn)維,通過(guò)無(wú)人機(jī)與地面雷達(dá)掃描、全專業(yè)BIM協(xié)同設(shè)計(jì)、施工方BIM施工組織管理建造整個(gè)工程,科學(xué)有效地解決了城市中心節(jié)點(diǎn)超大復(fù)雜地下綜合體的設(shè)計(jì)建造難題,有力保障了功能最優(yōu)化,最終BIM模型交付業(yè)主方運(yùn)營(yíng)管理。2.6監(jiān)測(cè)結(jié)果分析在光谷綜合體基坑開挖過(guò)程中采用了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段,采用由分布式自動(dòng)測(cè)量單元、無(wú)線通訊系統(tǒng)、傳感器和計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行基坑變形、沉降、支撐應(yīng)變、鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集、自動(dòng)化傳輸至監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理平臺(tái),同時(shí)與現(xiàn)場(chǎng)施測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息化施工管理,解決傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)工作量大且存在施工干擾、人為誤差、人員安全等困難,提高監(jiān)測(cè)效率、監(jiān)測(cè)精度和頻次。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,光谷廣場(chǎng)綜合體中區(qū)基坑最大深層位移量為14.3mm(13m深處),監(jiān)測(cè)結(jié)果正常,小于基坑三維整體計(jì)算分析得到的最大變形21mm。整體變形計(jì)算云圖和監(jiān)測(cè)測(cè)斜曲線見圖13?；痈黜?xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:工程各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常穩(wěn)定,均在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi),在基坑開挖至爆破拆除支撐的整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中,基坑及周邊環(huán)境未出現(xiàn)預(yù)警,支撐軸力、位移、沉降、樁體測(cè)斜變形穩(wěn)定,周邊建構(gòu)筑物位移和沉降均得到了很好的控制。3分期分區(qū)建造技術(shù)的應(yīng)用效果在光谷廣場(chǎng)綜合體工程自2015年1月至2019年3月的整個(gè)設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中,通過(guò)分期分區(qū)建造技術(shù)的整體成功應(yīng)用,有效降低了工程投資、節(jié)省了工期,確保了工程安全,施工中無(wú)任何安全事故發(fā)生,施工效率高,工程質(zhì)量?jī)?yōu)良,運(yùn)營(yíng)效果好,社會(huì)評(píng)價(jià)高,工程竣工效果見圖14。4基坑分期開挖和施工技術(shù)1)基于分期分區(qū)拓展的施工方法可有效保障城市中心超大超深、異形基坑工程的順利實(shí)施,解決了該項(xiàng)目施工場(chǎng)地