超大深基坑支撐拆除施工技術(shù)研究

黃 凱

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

1 概述

由于土地資源的緊張，需要充分利用地下空間，基坑規(guī)模均朝著超大超深進(jìn)行發(fā)展，一般在軟土地區(qū)，超大深基坑支護(hù)的常規(guī)型式為板式支護(hù)+內(nèi)支撐，且為了控制基坑位移，內(nèi)支撐一般也采用剛度較大的鋼筋混凝土材料。因此在軟土地區(qū)，大部分超大超深基坑，均面臨著大體積混凝土支撐拆除的問(wèn)題。本文通過(guò)介紹上海某超大深基坑支撐拆除過(guò)程中的具體情況，總結(jié)類(lèi)似基坑拆撐遇到的普遍問(wèn)題及解決方式，以期提供參考。

2 背景工程概況

2.1 工程概況

背景工程位于上海嘉定，主體結(jié)構(gòu)為6層商業(yè)建筑，設(shè)置3層地下室。整個(gè)基坑呈不規(guī)則矩形，面積達(dá)到46 600 m2，開(kāi)挖深度14.2 m。

2.2 周邊環(huán)境概況

本工程北側(cè)臨近在建地下連通道，連通道兩側(cè)敷設(shè)有較多市政管線(xiàn)；東側(cè)臨近地鐵11號(hào)線(xiàn)高架。運(yùn)行區(qū)間；南側(cè)臨近施工臨時(shí)道路及河道；西側(cè)為擬建道路及架空電纜。

2.3 地質(zhì)概況

本工程開(kāi)挖范圍主要位于黏土層，其物理力學(xué)指標(biāo)一般，土性較差?；觾?nèi)土層分布如表1所示。

本工程淺層地下水屬潛水，且與場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)有明浜存在較密切的水力聯(lián)系，平均水位埋深一般為0.50 m～0.70 m。另外場(chǎng)地內(nèi)④2層與⑦層土直接接觸，賦存于④2層土中的承壓水與賦存于⑦層土的承壓水相互貫通(見(jiàn)表1)，開(kāi)挖前應(yīng)采取措施防止出現(xiàn)突涌現(xiàn)象。

表1 土層物理性質(zhì)參數(shù)

3 圍護(hù)設(shè)計(jì)概況及施工工況

本基坑考慮對(duì)地鐵11號(hào)線(xiàn)高架路及北側(cè)陳翔路地下通道的影響，采用鉆孔灌注樁作為分隔墻將基坑劃分為2個(gè)分區(qū)，其中基坑西側(cè)為A區(qū)、基坑?xùn)|側(cè)為B區(qū)。其中A區(qū)面積32 300 m2，B區(qū)面積14 300 m2。A區(qū)與B區(qū)之間分隔墻采用φ850@1 050,φ1 250@1 450,φ900@1 100以及φ950@1 150鉆孔灌注樁結(jié)合φ850@600三軸水泥土攪拌樁止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。豎向設(shè)置三道鋼筋混凝土水平支撐，支撐采用對(duì)撐+角撐+邊桁架的布置型式?；涌傮w施工工況如下：1)場(chǎng)地平整，施工硬地坪后進(jìn)行圍護(hù)樁、攪拌樁、工程樁、鋼立柱及立柱樁的施工；2)在周邊圍護(hù)體達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行基坑A區(qū)開(kāi)挖；3)待A區(qū)基坑施工至地下室±0.000后，保留分隔墻側(cè)棧橋，開(kāi)始B區(qū)基坑內(nèi)開(kāi)挖；4)待B區(qū)施工至地下室±0.000后拆除A區(qū)保留的棧橋系統(tǒng)，鑿除分隔墻，進(jìn)行兩側(cè)結(jié)構(gòu)連接。

4 支撐拆除關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 拆撐順序分析

一般情況下，拆撐之前，該道支撐下部結(jié)構(gòu)及換撐均應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)條件，但對(duì)于超大型深基坑，幾萬(wàn)平的結(jié)構(gòu)層均澆筑完成后再進(jìn)行支撐拆除工作是無(wú)法滿(mǎn)足工程施工工期的，且無(wú)法形成較好的施工流水。根據(jù)本工程的支撐布置型式(見(jiàn)圖1)，主要考慮以下幾種拆撐順序。

1)先拆除中部對(duì)撐，后拆除邊桁架+角撐。

該順序主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：中部?jī)H為對(duì)撐，支撐間距較為開(kāi)闊，且該區(qū)域的支撐混凝土方量相對(duì)于角撐或邊桁架區(qū)域較少，先期拆除該區(qū)域支撐，可以較快地產(chǎn)生主體結(jié)構(gòu)的工作面，同時(shí)和常規(guī)大基坑的土方盆式開(kāi)挖方式相結(jié)合，無(wú)需調(diào)整施工順序。缺點(diǎn)：主要為拆撐的先決條件較為苛刻，需等中部及邊跨中部的混凝土均澆筑完成，形成大十字形狀的換撐，僅留四角區(qū)域未完成澆筑，前期等待時(shí)間較長(zhǎng)。且在施工結(jié)構(gòu)層時(shí)，由中部向四周發(fā)散，影響主體結(jié)構(gòu)材料運(yùn)輸及混凝土澆筑。

2)先拆除邊桁架+角撐，后拆除中部對(duì)撐。

該順序主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：由于角部支撐構(gòu)件較多，先期拆除可以避免后續(xù)拆除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且先拆區(qū)域主要分布于基坑四角，可以分塊投入拆撐力量，而不會(huì)產(chǎn)生拆撐工作面不足的情況。且拆除角部時(shí)，中部的對(duì)撐仍能起到抵抗土壓力的作用，基坑變形控制較好。主體結(jié)構(gòu)層從四周向中部施工澆筑，可先形成環(huán)形換撐，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)核后，可進(jìn)行先拆撐作業(yè)，而不用等待全部板面完成。缺點(diǎn)：要形成先期的環(huán)形換撐，首先需要主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核環(huán)形換撐需要預(yù)留的板塊縱深，比較難以進(jìn)行計(jì)算分析，其二則與土方盆式開(kāi)挖方式相沖突，在選擇該方案前應(yīng)謹(jǐn)慎考慮，若選定則需調(diào)整最后一層土的開(kāi)挖方式。且前期施工周邊環(huán)形結(jié)構(gòu)，對(duì)于主體結(jié)構(gòu)材料的運(yùn)輸及施工力量的分配帶來(lái)較大考驗(yàn)，當(dāng)然，后期能夠較為順利地進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工。

3)先拆除西北角，從西北向東南退拆。

該順序主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：優(yōu)點(diǎn)：該拆撐順序的先期條件較小，僅需完成北部、中部和西部的結(jié)構(gòu)板塊，形成倒L形，則西北部的對(duì)撐交叉區(qū)域即可進(jìn)行拆除工作，順帶的該區(qū)域八字撐及角撐均可一并拆除，形成局部的結(jié)構(gòu)施工工作面(見(jiàn)圖2)。同時(shí)，該方案自西北向東南方向進(jìn)行拆撐，主體結(jié)構(gòu)也按此順序進(jìn)行澆筑，方便形成豎向流水。屆時(shí)，又能在上一層結(jié)構(gòu)層形成倒L形換撐條件，總體將形成立體交叉作業(yè)。且自西北向東南施工，正好與現(xiàn)場(chǎng)的棧橋行車(chē)路線(xiàn)相匹配，最終的收尾工作較為簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：先期拆撐被限制在一定區(qū)域內(nèi)，但隨著后續(xù)結(jié)構(gòu)板塊的形成，拆撐面積及混凝土方量呈倍數(shù)增加，需要投入較大的人力物力進(jìn)行趕工，否則將影響后續(xù)主體結(jié)構(gòu)的施工。該方案每階段的拆除區(qū)域均有嚴(yán)格的限定，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，拆撐單位與主體結(jié)構(gòu)施工單位要形成較為緊密的銜接，對(duì)施工單位的要求較高。

4)從北向南退拆。

該拆除順序主要適宜南北狹長(zhǎng)型的B坑(見(jiàn)圖3)，由于B坑無(wú)南北向的對(duì)撐，南北兩端僅靠角撐進(jìn)行受力，可與土方開(kāi)挖及結(jié)構(gòu)施工順序形成較為融洽的搭接工序，擬在B坑拆撐時(shí)采用該方案。

根據(jù)上述原則，由于A坑西北角距離基坑中部出口最遠(yuǎn)，且拆撐與結(jié)構(gòu)施工能夠形成較好的立體交叉作業(yè)，節(jié)約工期，A坑采用先拆除西北角，從西北向東南退拆的方案。

4.2 拆撐方式分析比選

1)靜力切割。鋼筋混凝土靜力切割的工作原理是依靠金剛石工具(繩、鋸片、鉆頭)在高速運(yùn)動(dòng)的作用下，按指定位置對(duì)鋼筋和混凝土進(jìn)行磨削切割，從而將鋼筋混凝土一分為二，這是世界上較為先進(jìn)的無(wú)震動(dòng)、無(wú)損傷切割拆除工法(見(jiàn)圖4)。在切除過(guò)程中需將鋼筋混凝土靜力切割工法和吊裝設(shè)備(吊車(chē)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)完成拆除任務(wù)。該方法的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：a.可以進(jìn)行任何方向的切割，切割不受被切割體大小、形狀、切割深度的限制，廣泛使用于大型鋼筋混凝土構(gòu)件的切割；鏈鋸切割以速度快，設(shè)備投入量較大，故而廣泛使用；b.由于其技術(shù)原理是依靠金剛石鏈鋸的工具進(jìn)行磨削，其施工過(guò)程中無(wú)震動(dòng)、無(wú)損傷，施工截面更加整齊，速度快；c.施工現(xiàn)場(chǎng)噪聲、振動(dòng)及揚(yáng)塵均較小，處于可控范圍內(nèi)，對(duì)周邊環(huán)境的污染小。切割下來(lái)的混凝土均呈塊狀或條狀，方便調(diào)運(yùn)清理。

缺點(diǎn)：a.由于切割機(jī)械為專(zhuān)用設(shè)備，采用靜力切割的價(jià)格較高；b.由于切割前就需將切割段用鋼纜繩索進(jìn)行綁扎，方便后續(xù)吊運(yùn)，因此前期準(zhǔn)備工作較多，且現(xiàn)場(chǎng)需與吊運(yùn)設(shè)備相結(jié)合，對(duì)施工單位要求較高。

2)機(jī)械破除?；炷林螜C(jī)械破除是指采用機(jī)械設(shè)備先將支撐的混凝土進(jìn)行破碎，形成混凝土碎塊，后割除鋼筋(見(jiàn)圖5)。一般機(jī)械破除的拆撐機(jī)械主要包括鎬頭機(jī)、鏟車(chē)等。該破除方式主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

優(yōu)點(diǎn)：a.施工方便，技術(shù)簡(jiǎn)單，對(duì)拆撐單位的施工要求較低；b.由于該方式較為常規(guī)，拆撐的價(jià)格較低；c.混凝土破碎后，割除的鋼筋可重新回收利用，較為經(jīng)濟(jì)。

缺點(diǎn)：a.拆撐機(jī)械會(huì)在結(jié)構(gòu)板面行走，采用該方式需先行復(fù)核結(jié)構(gòu)板的承載能力，防止機(jī)械自重及破撐振動(dòng)引起主體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂；b.施工現(xiàn)場(chǎng)噪聲、振動(dòng)及揚(yáng)塵較大，對(duì)周邊環(huán)境的污染不小。且破碎的混凝土均呈小塊狀，后續(xù)的清理工程量較大。

綜上所述，由于本工程主體面積較大，支撐的總方量也較多，單純采用一種支撐拆除方式是不現(xiàn)實(shí)的，為確保施工工期，同時(shí)控制總體造價(jià)，保護(hù)周邊環(huán)境，該工程拆撐采用靜力切割與機(jī)械破除相結(jié)合的方式進(jìn)行。

4.3 拆撐施工要點(diǎn)及常見(jiàn)問(wèn)題處理

整個(gè)工程的臨時(shí)支撐方量約為27 700 m3。且每層地下結(jié)構(gòu)均具有豎向插筋、結(jié)構(gòu)留洞、坡道設(shè)施等對(duì)于拆撐產(chǎn)生不利影響的因素。本工程在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際遇到的問(wèn)題分析及處理方式如下：

1)安全性要求。由于該工程大部分的混凝土支撐采用機(jī)械破除，屆時(shí)自重較大的機(jī)械將在結(jié)構(gòu)層板上行走(機(jī)械參數(shù)見(jiàn)圖6)，對(duì)于結(jié)構(gòu)梁板柱能否承受如此大的自重，需要進(jìn)行仔細(xì)的復(fù)核。

根據(jù)計(jì)算，該型機(jī)械在B2，B1行走，會(huì)導(dǎo)致板面產(chǎn)生較大的裂縫，無(wú)法滿(mǎn)足主體后續(xù)的使用要求。為解決該問(wèn)題，主體施工單位在120 mm厚的薄板區(qū)域搭設(shè)排架加密至600×900，步距1 200，能夠較好地分擔(dān)機(jī)械自重。同時(shí)在機(jī)械行走區(qū)域鋪設(shè)走道板或鋼板，分散機(jī)械自重對(duì)板面的壓力。

因此該型鎬頭機(jī)施工荷載如下：

活載系數(shù)取1.4，動(dòng)力系數(shù)取1.1，則該型鎬頭機(jī)單側(cè)履帶壓力Q1=200×1.4×1.1×50%=154 kN,取設(shè)計(jì)值154 kN。

單側(cè)履帶著地尺寸取4.064×0.6，um=[(4.064+0.07)+(0.6+0.07)]×2=9.61 m。

B2層非人防區(qū)厚120 mm，保護(hù)層30 mm，上下配筋直徑約18 mm～22 mm，故h0=0.07 m。

βs=4.064 /0.6=6.77，取βs=4,αs按不利工況取值，αs=20。

經(jīng)計(jì)算得：

(0.7βhft+0.25σpc·m)ηumh0=(0.7×1.0×1.67+

0.25×0)×0.54×9 610×70=425 kN。

F1=154≤425 kN。

故最不利工況板塊B2板截面仍能承受車(chē)輛荷載沖切力的荷載，滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

2)成品保護(hù)要求。由于每層地下結(jié)構(gòu)均具有豎向插筋、結(jié)構(gòu)留洞、坡道設(shè)施，對(duì)整個(gè)拆除工作影響較大。為保護(hù)主體結(jié)構(gòu)成品，主要采用以下針對(duì)性的措施解決該問(wèn)題：a.對(duì)于結(jié)構(gòu)留洞及坡道設(shè)施，采取機(jī)械破碎會(huì)產(chǎn)生較多碎塊，現(xiàn)場(chǎng)很難清理，且碎塊掉落由于高差較大，產(chǎn)生的沖擊力也較大，易對(duì)成品產(chǎn)生較大的破壞性。因此，對(duì)于存在結(jié)構(gòu)留洞及坡道設(shè)施的區(qū)域，采用靜力切割的方法，整根吊運(yùn)；b.對(duì)于豎向插筋區(qū)域，主要采用在插筋上方搭設(shè)木棚(見(jiàn)圖7)，機(jī)械破碎時(shí)的碎塊會(huì)掉落在臨時(shí)木棚上，對(duì)插筋的影響較小；c.對(duì)于薄板區(qū)域，多鋪設(shè)鋼板，防止碎石掉落損傷結(jié)構(gòu)板。

3)環(huán)境保護(hù)要求。由于現(xiàn)場(chǎng)大部分拆撐采用機(jī)械破除，施工現(xiàn)場(chǎng)噪聲、振動(dòng)及揚(yáng)塵均較大，對(duì)周邊環(huán)境的污染不小。為控制噪聲及揚(yáng)塵對(duì)周邊環(huán)境的影響，現(xiàn)場(chǎng)主要采取以下措施：a.合理安排機(jī)械破除的拆撐時(shí)間段，盡量選擇白天周邊居民工作時(shí)間進(jìn)行機(jī)械拆撐。傍晚開(kāi)始禁止進(jìn)行機(jī)械拆撐，控制噪聲。b.支撐拆除時(shí)及時(shí)灑水，控制揚(yáng)塵。同時(shí)在項(xiàng)目紅線(xiàn)區(qū)域設(shè)置鋼圍擋，高度4 m左右，能夠較好地控制揚(yáng)塵經(jīng)風(fēng)吹四散產(chǎn)生的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本工程屬超大超深基坑，整個(gè)臨時(shí)支撐的混凝土方量達(dá)27 700 m3，在拆撐順序及拆撐方式上經(jīng)過(guò)綜合考量，確保安全的前提下為業(yè)主節(jié)省了大量工期及造價(jià)。2)對(duì)于超大面積基坑，在拆除混凝土支撐時(shí)，建議條件允許的情況下，機(jī)械破除和靜力切割相結(jié)合，能夠針對(duì)性地進(jìn)行拆撐工作，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際效果較好。3)對(duì)于超大面積基坑，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選擇合適的拆撐順序和契機(jī)，方便形成立體交叉施工，對(duì)整個(gè)地下工程的施工能夠產(chǎn)生較好的推動(dòng)作用。