超高层建筑深基坑工程施工

2.1施工特点基坑工程主要由工程勘察、支护结构设计与施工、基坑土方开挖、地下水控制、施工监测及周边环境保护等构成。随着城市建设的快速发展，全球超高层建筑的拔地而起，地下空间大规模开发已成为了当今时代的一种趋势。近年来，随着基坑工程的开挖越来越深，土方量越来越大，深基坑工程的施工技术和管理成为了施工企业的主要研究课题之一。深基坑工程主要具有如下特点：（1）基坑支护体系的临时性。基坑支护体系一般为临时措施，待地下室基础工程完成后，其支护体系的任务也已完成。（2）基坑工程的风险性。其临时性的特点使得荷载、强度、变形、防渗、耐久性等方面的安全储备相对较小。（3）具有明显的区域特征。不同的区域具有不同的工程地质和水文地质条件，即使是同一城市的不同区域也可能会有较大差异。（4）具有明显的环境保护特征。深基坑工程的施工会引起周围地下水位变化和应力场的改变，导致土体的变形，对相邻环境会产生影响。（5）具有时空效应规律。深基坑的几何尺寸、土体性质等对基坑有较大影响。施工过程中，每个开挖步骤中的空间尺寸，开挖部分的无支撑暴露时间和基坑变形具有一定的相关性。（6）具有很强的个体特征。深基坑工程所处的区域地质条件的多样性、周边环境的复杂性、基坑形状的多样性、基坑支护形式的多样性，决定了深基坑工程的施工具有明显的个体特征。2.2常有深基坑支护形式基坑支护是为满足地下结构的施工要求及保护基坑周边环境的安全，对基坑侧壁采取的支挡、加固与保护措施，基坑支护总体方案的选择直接关系到基坑及周边环境安全、施工进度、工程建设成本。总体方案主要有顺作法和逆作法两类，在同一基坑工程中，顺作法和逆作法可以在不同的区域组合使用。2.2.1顺作法顺作法是指先施工周边维护结构，然后由上而下开挖土方并设置支撑（锚杆），挖至坑底后，再由下而上施工主体结构，并按一定顺序拆除支撑的过程。顺作法基坑支护结构通常有围护墙、支撑（锚杆）及其竖向支承结构组成。顺作法是基坑工程传统的施工方法，设计较便捷，施工工艺成熟，支护结构与主体结构相对独立，设计的关联性较低。顺作法常用的总体设计方案包括放坡开挖、水泥土挡墙、排桩与板墙、土钉墙、逆作拱墙等，如表所示：深基坑支护工程中的常用支护形式主要支护形式备注放坡必要时应采取护坡等措施重力式水泥土墙或高压旋喷围护墙依靠自重和刚度保护坑壁，一般不设内支撑土钉墙、复合土钉墙其中复合土钉墙有土钉墙结合隔水帷幕，土钉墙结合预应力锚杆、土钉墙结合微型桩等形式支挡式结构型钢横挡板应设置内支撑钢板桩可结合内支撑或锚杆系统混凝土板桩可结合内支撑或锚杆系统灌注桩排桩有分离式、咬合式、双排式、交错式、格栅式等；可结合内支撑或锚杆系统；可与隔水帷幕组合预制（钢管、混凝土）排桩可结合内支撑或锚杆系统地下连续墙有现浇和预制地下连续墙，可结合内支撑系统型钢水泥土搅拌墙可结合内支撑或锚杆系统逆作拱墙很多情况下不用内支撑或锚杆系统2.2.2逆作法逆作法是指利用主体地下结构水平梁板结构作为内支撑，按楼层自上而下并与基坑开挖交替进行的施工方法。逆作法围护墙可与主体结构外墙结合，也可采用临时围护墙。逆作法是借助地下结构自身能力对基坑产生支护作用，即利用各层水平结构的刚度、强度，使其成为基坑围护墙水平支撑点，以平衡土压力。在采用逆作法进行地下结构施工的同时，还可同步进行上部结构的施工，但上部结构允许施工的高度需经设计计算确定。2.2.3顺逆结合对于某些条件复杂或具有特殊技术经济要求的基坑，可采用顺作法和逆作法结合的施工方案，从而可发挥顺作法和逆作法的各自优势。工程中常用顺逆结合主要有主楼先顺做裙楼后逆作、裙楼先逆作主楼后顺做、中心顺作周边逆作等方案。2.3施工工艺2.3.1水泥土重力式挡墙水泥土重力式挡墙是用于加固软黏土地基的一种维护方法，它是利用水泥材料作为固化剂，通过特质的深层搅拌机械，在地基深处就地将软土和水泥强制搅拌形成连续搭接的水泥土柱状加固体，利用水泥和软土之间所产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、稳定性和一定强度的挡土、防渗墙，从而提高地基强度和增大变形模量。重力式水泥土墙施工工艺可采用三种方法：喷浆式深层搅拌（湿法）、喷粉式深层搅拌（干法）、高压喷射注浆法（也称高压旋喷法）。湿法施工注浆量容易控制，成桩质量好，目前绝大部分重力式水泥土墙施工中都采用湿法工艺。干法施工工艺虽然水泥土强度较高，但其喷粉量不易控制，搅拌难以均匀导致桩体均匀性差，桩身强度离散较大，目前使用较少。高压喷射注浆法是采用高压水、气切削土体并将水泥与土搅拌形成重力式水泥土墙。高压旋喷法施工简便，施工时只需在土层中钻一个50~300mm的小孔，便可在土中喷射成直径0.4~2m的水泥土桩。该法可在狭窄施工区域或邻近已有基础区域施工，但该工艺水泥用量大，造价高，一般当施工场地受到限制，湿法机械施工困难时选用。1）二轴水泥土墙工程（湿法）施工工艺（1）工艺流程二轴水泥土墙工程施工工艺可采用“二次喷浆、三次搅拌”工艺，主要依据水泥掺入比及图纸情况而定。二轴水泥土墙施工工艺流程如图2.3-1。放样定位基槽开挖枕木铺设桩基安装、调试、就位搅拌头第一次下沉提升注浆搅拌搅拌头第二次下沉第二次提升注浆搅拌第三次提升搅拌清洗机具移位给水压浆图2.3-1二轴水泥土墙施工工艺流程图2）三轴水泥土墙（湿法）施工工艺（1）施工工艺流程三轴水泥土墙工程施工流程如图测量放线开挖导沟、清障设置导架与定位搅拌机就位、校正钻进搅拌下沉搅拌提升或重复搅拌成墙搅拌机移位泥水处理水泥土墙硬化压浆注入下道工序施工水泥浆配置测量放线：根据坐标基准点，按图放出桩位，设立临时控制桩，做好测量复核单，提请验收。开挖导沟及定位型钢放置：按基坑围护边线开挖沟渠，沟渠开挖及定位型钢放置示意图如图所示。在沟槽两侧打入若干槽钢作为固定支点，垂直方向放置两根工字钢与支点焊接，再在平行沟槽方向放置两根工字钢与下面工字钢焊接作为定位型钢。孔位及桩机定位：根据三轴搅拌桩中心间距尺寸在平行工字钢表面画线定位。桩机就位，移动前，移动结束后检查定位情况并及时纠正。桩机应平稳平正，并用经纬仪观测以控制钻机垂直度。三轴水泥搅拌桩桩位定位偏差应小于20mm。水泥土搅拌桩成桩施工：三轴水泥土墙施工按下图所示顺序施工，采用套接一孔的工艺，保证墙体的连续性和接头的施工质量，这种施工顺序一般适用于N＜50的地基土。三轴水泥搅拌桩的搭接和施工设备的垂直度补救是依靠重复套钻来保证的，以达到止水的作用。为保证搅拌桩质量，对土质较差或者周边环境较复杂的工程，搅拌桩底部采用复搅施工。2.3.2钻孔灌注排桩排桩式围护结构属板式支护体系，是以排桩作为主要承受水平力的构件，并以水泥土搅拌桩、压密注浆、高压旋喷桩等作为防渗止水措施的围护结构形式。钻孔灌注排桩即为由钻孔灌注桩为桩体组成的排桩体系。钻孔灌注排桩应用于深基坑支护中，可较少开挖工程量，避免了因基坑施工对周边环境的影响，同时也缩短了前期的施工工期，节省了工程投资。目前国内主要的钻孔机械有螺旋钻孔机、全套管钻孔机、回转斗式钻孔机、潜水钻孔机、冲击式钻孔机。1、钻孔灌注桩施工工艺当基坑不考虑防水（或已采取降水措施）时，钻孔灌注桩可按一字型间隔排列或相切排列形成排桩。间隔排列的间距常为2.5~3.5倍桩径。当基坑考虑防水时，可按一字型搭接排列，也可按间隔或相切排列，并设隔水帷幕。搭接排列时，搭接长度宜为保护层厚度；间隔或相切排列时需另设止水帷幕时，桩体净距可根据桩径、桩长、开挖深度、垂直度及扩颈情况来确定，一般为100~150mm。钻孔灌注排桩施工前必须试成孔，数量不得小于2个，以便核对地址资料，检验双选的设备、机具、施工工艺以及技术时候适宜。如孔径、垂直度、孔壁稳定和沉淤等检验指标不能满足设计要求时，应拟定补救技术措施，或重新选择施工工艺。排桩要承受地面超载和测量水土压力，其配筋量往往比工程桩大。当挖图面与背面配筋不同时，施工必须严格按受力要求采取技术措施保证钢筋笼的正确位置，保证钢筋笼的安放方向与设计方向一致。钻孔灌注排桩施工时要采取间隔跳打，隔桩施工，并应在灌注混凝土24h后进行邻桩成孔施工，防止由于土体扰动对已浇筑的桩带来影响。对于砂质土，可采取套打排桩的方式，即对有严重液化砂土地基先进行搅拌桩加固，然后再加固土中施工排桩以保证成孔质量。钻孔灌注排桩顶部一般需作一道顶圈梁，以形成整体，便于开挖时整体受力和满足控制变形的要求。在开挖时需根据支撑设置围檩以构成整体受力。钻孔灌注排桩施工时要严防个别桩塌孔，致使后施工的邻桩无法成孔，造成开挖时严重流砂或涌土。2.3.3型钢水泥土搅拌墙型钢水泥土搅拌墙通常称为SMW工法（SoilMixedWall），是一种在连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构。即型钢承受土侧压力，而水泥土则具有良好的抗渗性能，因此SMW墙具有挡土与止水双重作用。除了插入H型钢外，还可插入钢管、拉森板桩等。型钢水泥土搅拌墙标准施工配置主要有三轴水泥土搅拌机、全液压履带式桩架、水泥运输车、水泥筒仓、高压洗净机、电脑计量拌浆系统、空压机、履带机、挖掘机等。1、型钢水泥土搅拌墙施工流程1）型钢水泥土搅拌墙施工流程如图。施工准备测量放线开挖沟渠设导向定位钢板桩机定位钻机钻进喷浆搅拌下沉、提升成桩涌土处理插入型钢桩机架设固定型钢桩机移位施工完毕型钢吐减摩剂型钢回收地下结构及换撑达到设计强度或回填土完成拌制水泥浆下一循环施工2）施工准备（1）施工现场进行场地平整，路基承载能力满足重型桩机和吊车平稳行走移动的要求。（2）应按照桩位平面布置图，确定合理的施工顺序及配套机械、水泥等材料的放置位置。搭建拌浆设施和水泥储存场地，供浆系统相应设备试运转正常后方可就位。三轴搅拌机与桩架进场组装并试运行正常后方可就位。3）测量放线根据轴线基准点、围护平面布置图，放出围护桩边线和控制线，设立临时控制标识，做好技术复核。3）开挖沟槽开挖沟槽并清除地下障碍物，开挖出来的土体应及时外运，保证搅拌桩正常施工。在沟槽上两侧设置定位导向型钢，标出插筋位置、间距。4）桩机就位桩机应平稳、平正，应用线锤对龙门立柱垂直定位观测以确保桩机垂直度，并经常校核，桩机立柱导向架垂直度偏差应小于1/250.三轴水泥土搅拌桩桩位定位后应再进行定位复核，偏差值应小于20mm。5）制备水泥浆液及浆液注入开机前按要求进行水泥浆液的拌制。待三轴搅拌机启动，用空压机送浆至搅拌机钻头。对于透水性墙的砂土地层，必要时可在水泥浆液中掺入适量的膨润土，可保持孔壁的稳定性和提高墙体抗渗性。6）钻进搅拌三轴水泥搅拌桩在下沉和提升过程中均应注入水泥浆液，并严格控制下沉和提升速度，喷浆下沉速度应控制在0.5~1.0m/min，提升速度应控制在1.0~2.0m/min，在桩底部分适当持续搅拌注浆，并尽可能做到匀速下沉和提升，使水泥浆和原地基土充分搅拌。7）清洗、移位将集料斗中加入适量清水，开启灰浆泵，清洗压浆管道及其他所用机具，然后移位再进行下一根桩的施工。8）涂刷减摩剂应清除型钢表面的污垢及铁锈，减摩剂应在干燥条件下均匀涂抹在型钢插入水泥土的部分。浇筑围护墙压顶圈梁时，埋设在圈梁中的型钢部分应用泡沫塑料片等硬质隔离材料将其与混凝土隔开，以利于型钢的起拔回收。9）插入型钢型钢插入宜在搅拌桩施工结束后30min内进行，插入前应检查其规格型号、长度、直线度、接头焊缝质量等，以满足设计要求。型钢插入应采用牢固的定位导向架，先固定插入型钢的平面位置，然后起吊型钢，将型钢底部中心对正桩位中心并沿定位导向架徐徐垂直插入水泥土搅拌桩体内。型钢插入宜依靠自重插入，也可借助带有液压钳的振动锤等辅助手段下沉到位，严禁采用多次重复起吊型钢并松钩下落的插入方法。型钢下插至设计深度后，用槽钢穿过吊筋将其搁置在定位型钢上，待水泥土搅拌桩硬化后，将吊筋及沟槽定位型钢撤除。10）涌土处理由于水泥浆液的定量注入搅拌和型钢插入，一部分水泥土被置换出沟槽，采用挖土机将沟槽内的水泥土清理出沟槽，确保桩体硬化成型和下道工序的继续，呗清理的水泥土将在24h之后开始硬化，随日后基坑开挖一起运出场地。11）型钢拔除主体地下结构施工完毕，