一、高層建筑及深基坑發(fā)展的現(xiàn)狀
現(xiàn)在大樓越建越高,基坑也隨之越挖越深。據(jù)《摩天城市報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示,全球在建的摩天大樓中有87%在中國,5年后,中國的摩天大樓總數(shù)將超過800座,是現(xiàn)在美國總數(shù)的4倍。例如湖南長沙“天空之城”, 以838米的設(shè)計(jì)高度暫列第一,是中國迄今為止最為霸氣的摩天大樓,它比當(dāng)今“世界第一高樓”迪拜塔還要高10米,投資90億元,設(shè)計(jì)使用壽命長達(dá)500年,據(jù)稱可抗9級地震。在建的上海中心,總高度為632米,武漢綠地中心也高達(dá)606米,共有124層。甚至河北邯鄲也傳出消息,擬建338米高的國際文化創(chuàng)意大廈。
伴隨著這些宏大工程的實(shí)施,深基坑工程的設(shè)計(jì)施工技術(shù)也取得了長足進(jìn)步。近年來國內(nèi)建筑業(yè)的迅猛發(fā)展,已在全國不同地區(qū)、不同的地質(zhì)條件下積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn),在一些技術(shù)上甚至達(dá)到了國際水平,但存在的問題仍然不少。由于深基坑工程常處于密集的中心城市,周圍有建筑物、地鐵隧道或人防工程等,稍有不慎,危及基坑本身安全不說,很可能還會(huì)殃及到臨近的這些建構(gòu)筑物、道路橋梁和各種地下設(shè)施,造成重大損失。正因?yàn)槿绱耍藗冊趯?shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),并將現(xiàn)代科技用于深基坑工程的研究與監(jiān)測中,以信息化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的新思想,結(jié)合施工監(jiān)測、信息反饋、臨界報(bào)警、應(yīng)變(或應(yīng)急)措施設(shè)計(jì)等一系列理論和技術(shù),制定了相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)對方案。
從基坑深度的變遷史可以看到我國建筑工程的發(fā)展歷史。在80年代前,國內(nèi)為數(shù)不多的高層建筑的地下室多為一層,基坑深度不過4m,常采用放坡開挖就可以解決問題。到80年代,隨著高層建筑的大量興建,開始出現(xiàn)兩層地下室,開挖深度一般在8m左右,少數(shù)超過10m。進(jìn)入90年代,我國的高層建筑迅猛發(fā)展下,各地興建了許多大型地下市政設(shè)施、地下商場、地鐵車站等,導(dǎo)致多層地下室逐漸增多,基坑開挖深度超過10m的比比皆是。目前國內(nèi)高層建筑地下室最深為六層,基坑深度為26.2米。首都國家大劇院的地下室為三層,基坑深度達(dá)32.5米。而武漢綠地中心的地下基坑,總土方開挖量約100萬立方米,深度逾55米,號(hào)稱亞洲最深、最大的基坑工程。
所有這些大手筆的高層建筑,都不可避免地面臨一個(gè)重要問題,那就是支護(hù)方式的選擇。在講述支護(hù)方式的選擇之前,我們先來了解一下深基坑都有哪些支護(hù)方式。
二、常見的深基坑支護(hù)方式
1、錨噴支護(hù):這是幾種技術(shù)相似的支護(hù)方式的統(tǒng)稱,它包括錨噴支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、錨、噴聯(lián)合支護(hù)以及錨、噴與鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。
2、排樁支護(hù):排樁支護(hù)是指將柱列式間隔布置的鋼筋混凝土挖孔、鉆(沖)孔灌注樁作為主要擋土結(jié)構(gòu)的一種支護(hù)形式。柱列式間隔布置包括樁與樁之間有一定凈距的疏排布置形式和樁與樁相切的密排布置形式。柱列式灌注樁作為擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很好的剛度,但各樁之間的聯(lián)系差必須在樁頂澆注較大截面的鋼筋混凝土帽梁加以可靠聯(lián)接。
3、地下連續(xù)墻:地下連續(xù)墻具有整體剛度大的特點(diǎn)和良好的止水防滲效果,適用于地下水位以下的軟粘土和砂土等多種地層條件和復(fù)雜的施工環(huán)境,尤其是基坑底面以下有深層軟土需將墻體插入很深的情況,因此在國內(nèi)外的地下工程中得到廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和施工方法及機(jī)械的改進(jìn),地下連續(xù)墻發(fā)展到既是基坑施工時(shí)的擋土圍護(hù)結(jié)構(gòu),又是擬建主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻,如支撐得當(dāng),且配合正確的施工方法和措施,可較好地控制軟土地層的變形。在基坑深(一般h>10m)、周圍環(huán)境保護(hù)要求高的工程中多采用此技術(shù)。
現(xiàn)今地下連續(xù)墻施工主要有三大成墻工藝,即等厚度水泥土地下連續(xù)墻(TRD工法)、超深多軸水泥土攪拌樁(SMW工法)和水泥土地下連續(xù)墻基坑止水帷幕(CSM工法)。另外還有兩種:旋挖鉆機(jī)引孔成槽技術(shù)和液壓抓斗施工工藝,由于成槽難度較大,在地下連續(xù)墻施工中應(yīng)用已漸少。
1)TRD工法:全稱等厚度水泥土地下連續(xù)墻工法,首創(chuàng)于日本,由其生產(chǎn)的TRD工法機(jī)進(jìn)行施工。它的工作原理是將滿足設(shè)計(jì)深度的附有切割鏈條以及刀頭的切割箱插入地下,在進(jìn)行縱向切割橫向推進(jìn)成槽的同時(shí),向地基內(nèi)部注入水泥漿已達(dá)到與原狀地基的充分混合并凝固,從而形成地下連續(xù)的墻體。這樣連筑而成的墻體具有垂直精度高、無接縫、等厚度、擋土和防滲等優(yōu)點(diǎn),如在澆注時(shí)插入工字鋼芯材,還可將連續(xù)墻作為承重墻使用。
2)SMW工法:SMW工法亦稱勁性水泥土攪拌樁法,即在水泥土樁內(nèi)插入H 型鋼等(多數(shù)為H型鋼,亦有插入拉森式鋼板樁、鋼管等),將承受荷載與防滲擋水結(jié)合起來,使之成為同時(shí)具有受力與抗?jié)B兩種功能的支護(hù)結(jié)構(gòu)的圍護(hù)墻。SMW工法連續(xù)墻在近年應(yīng)用以來,普遍認(rèn)為其性能良好,造價(jià)適宜。SMW工法常用的是三軸型鉆掘攪拌機(jī),現(xiàn)在已朝著多軸方向發(fā)展。目前我國已能生產(chǎn)。
3)CSM工法源于德國寶峨公司雙輪切銑技術(shù),它是結(jié)合現(xiàn)有液壓銑槽機(jī)和深層攪拌技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新的巖土工程施工新技術(shù)。通過對施工現(xiàn)場原位土體與水泥漿進(jìn)行攪拌,可以用于防滲墻、擋土墻、地基加固等工程。與其他深層攪拌工藝比較,CSM工法對地層的適應(yīng)性更高,可以切削堅(jiān)硬地層(卵礫石地層、巖層)。
雙輪銑槽機(jī)設(shè)備(以寶峨雙輪銑為例)主要由三部分組成:重設(shè)備、銑槽機(jī)、泥漿制備及篩分系統(tǒng)等。主要工作部位為銑刀架,高12m、重36t帶有液壓和電氣控制系統(tǒng)的鋼制框架,下部安裝3個(gè)液壓馬達(dá),水平向排列,兩邊馬達(dá)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)裝有銑齒的銑輪。銑槽時(shí),兩個(gè)銑輪低速轉(zhuǎn)動(dòng),方向相反,其銑齒將地層圍巖銑削破碎,中間液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泥漿泵,通過銑輪中間的吸砂口將鉆掘出的巖渣與泥漿混合物排到地面泥漿站進(jìn)行集中除砂處理,然后將凈化后的泥漿返回槽段內(nèi),如此往復(fù)循環(huán),直至終孔成槽。
4、樁錨支護(hù):樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力錨桿分為自由段和錨固段,通過施加錨桿預(yù)應(yīng)力加強(qiáng)基坑邊壁穩(wěn)定性,錨桿預(yù)應(yīng)力直接作用于排樁上,使基坑側(cè)移受到限制;土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)中土釘全長錨固,通過基坑邊壁側(cè)移以部分釋放土壓力,并使土釘產(chǎn)生拉力,優(yōu)勢滑裂面前后土釘拉力平衡并直接作用于土體,限制土體邊壁的繼續(xù)變形,形成基坑邊壁的支護(hù)結(jié)構(gòu)。因此樁錨與土釘是兩種受力機(jī)理不同的支護(hù)結(jié)構(gòu),將土釘與樁錨作為一個(gè)整體共同抵抗荷載和變形,關(guān)鍵是土釘和樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型設(shè)計(jì),通過受力變形分析合理決策聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu),使二者均能充分發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢。樁錨支護(hù)的一般設(shè)計(jì)步驟為:(1)選擇支護(hù)樁類型和錨桿層數(shù),即支護(hù)方案設(shè)計(jì);(2)初選支護(hù)結(jié)構(gòu)各細(xì)部尺寸和材料參數(shù),即細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);(3)進(jìn)行計(jì)算分析,包括樁的嵌固深度驗(yàn)算、錨桿承載力驗(yàn)算、樁身內(nèi)力計(jì)算、配筋計(jì)算等,通過計(jì)算對各細(xì)部初選參數(shù)做出修改和調(diào)整,使之滿足各種驗(yàn)算要求;(4)對比多個(gè)方案,找出造價(jià)最低方案作為基坑支護(hù)的最終設(shè)計(jì)。
三、支護(hù)方式的選用
從技術(shù)角度上講,支護(hù)方案的選擇不僅要求保證邊坡的穩(wěn)定,而且要滿足變形控制的要求,以確;又車慕ㄖ、道路等的安全。
基坑支護(hù)形式的合理選擇,是基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的的首要工作,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件,周邊環(huán)境的要求及不同支護(hù)型式的特點(diǎn)、造價(jià)等因素,通過綜合評判來加以選擇。一般當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好,周邊環(huán)境要求較寬松時(shí),可以采用柔性支護(hù),如錨噴支護(hù)、土釘墻等。錨噴支護(hù)最早應(yīng)用于地下巖石工程,到上世紀(jì)中期,隨著土層錨桿的出現(xiàn)和發(fā)展,使它作為一種支護(hù)形式慢慢發(fā)展起來。建于70年代的北京國際信托大廈的基坑工程就是應(yīng)用的土層錨桿,如今在許多土質(zhì)條件較好的地方已被廣泛采用。據(jù)北京地區(qū)統(tǒng)計(jì),采用土層錨桿與擋土結(jié)構(gòu)物聯(lián)合支護(hù)的占62%,沈陽地區(qū)近幾年施工的深基坑,幾乎都采用土層錨桿與擋土結(jié)構(gòu)聯(lián)合支護(hù)的方式,而在大連市,近年還出現(xiàn)了不少單獨(dú)采用錨噴支護(hù)的基坑;當(dāng)周邊環(huán)境要求較高時(shí),應(yīng)采用較剛性的支護(hù)型式,以控制水平位移,如排樁或地下連續(xù)墻等。同樣,對于支撐的形式,當(dāng)周邊環(huán)境要求較高而地質(zhì)條件較差時(shí),如采用錨桿容易造成周邊土體的擾動(dòng)并影響周邊環(huán)境的安全,故應(yīng)采用內(nèi)支撐形式為好;當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件特別差,基坑深度較深,周邊環(huán)境要求較高時(shí),可采用地下連續(xù)墻加逆作法這種最強(qiáng)的支護(hù)方式;又ёo(hù)最重要的首先是要保證周邊環(huán)境的安全,然后再充分考慮建筑物自身的安全。