超大空間基坑中部既有建(構(gòu))筑物保護(hù)支護(hù)設(shè)計(jì)方案研究

牛 斌

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

隨著城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用和地下綜合體的建設(shè)，很多城市修建了地下公共空間，大量超大基坑工程不斷涌現(xiàn)。部分待建的地下空間范圍內(nèi)存在建(構(gòu))筑物，且這些建(構(gòu))筑物無(wú)法拆除或改遷，如古樹、歷史遺跡、文物建筑等。因此，在地下空間建設(shè)過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，嚴(yán)格控制其變形的同時(shí)盡量增大地下空間的使用面積。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)基坑鄰近建(構(gòu))筑物進(jìn)行了大量的研究。如： 張治國(guó)等[1]從理論上分析了基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近隧道的縱向變形； 楊波等[2]對(duì)土石混合體地層中基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近既有隧道的影響進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究； 梁志榮等[3]對(duì)緊鄰歷史保護(hù)建筑深基坑設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究和監(jiān)測(cè)分析； 王懷東等[4]對(duì)新建地鐵車站基坑鄰近運(yùn)營(yíng)地鐵車站安全技術(shù)措施進(jìn)行了研究； 范亞斌等[5]研究了基坑周邊古樹保護(hù)的圍護(hù)技術(shù)； 龔江飛等[6]研究了軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊文物建筑沉降的影響； 谷崇建等[7]對(duì)緊鄰高壓線塔的深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究； 張曉榮等[8]對(duì)鄰近城市高層建筑的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制進(jìn)行了研究。

然而，以上研究都是針對(duì)基坑周邊存在既有建(構(gòu))筑物的情況，未見(jiàn)超大基坑中部存在需要被保護(hù)的建(構(gòu))筑物的相關(guān)報(bào)道，其與一般的基坑工程有一定區(qū)別。本文依托石家莊市中央商務(wù)區(qū)北區(qū)地下公共空間工程，結(jié)合地下工程設(shè)計(jì)方案，對(duì)基坑內(nèi)部既有水塔的保護(hù)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的比選與研究，并提出一種易于控制變形、施工方便、造價(jià)低的設(shè)計(jì)方案。

1 工程概況

石家莊市中央商務(wù)區(qū)北區(qū)地下公共空間工程項(xiàng)目規(guī)劃總用地 6.98 hm2，總建筑面積約13.9萬(wàn)m2，其中，地上建筑面積約0.2萬(wàn)m2，地下建筑面積約13.7萬(wàn)m2； 結(jié)構(gòu)東西向長(zhǎng)135～235 m，南北向長(zhǎng)570 m。地面為景觀公園，結(jié)構(gòu)覆土3 m，地下1層層高為6.35 m，地下2層層高為4.1 m，主要功能包括服務(wù)周邊商務(wù)地塊的配套商業(yè)(超市、餐飲等)、汽車庫(kù)、能源中心、智慧控制中心、市政環(huán)廊、人防工程與地鐵車站。工程總平面圖如圖1所示。在超大基坑中部存在既有水塔，水塔于1939年竣工，為圓柱形結(jié)構(gòu)，目前已經(jīng)停止使用。水塔基礎(chǔ)型式為鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)厚度為0.9 m，埋深為3.6 m； 主體采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為9.4 m，外徑為11 m，壁厚為0.8 m； 水塔高約36.5 m，為高聳構(gòu)筑物。地下空間基坑開(kāi)挖深度為14 m。

圖1 工程總平面圖

地層從上至下依次為雜填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、中粗砂、含卵石中粗砂?；拥撞课挥诜圪|(zhì)黏土層?，F(xiàn)狀水位在自然地面下43.0 m，施工時(shí)不需要考慮降水。地質(zhì)剖面圖及水塔現(xiàn)狀見(jiàn)圖2。土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2 中心島法

2.1 方案設(shè)計(jì)

由于基坑面積較大，采用內(nèi)支撐體系不僅造價(jià)高，而且支撐剛度也被大大削減，因此，對(duì)于大面積基坑，中心島法被廣泛采用[9]。中心島法圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案如圖3(a)所示(圖中僅示意一半，另一半對(duì)稱分布)。在水塔周邊打設(shè)圍護(hù)樁，樁徑為1.0 m，中心間距為1.4 m，采用直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐，兩邊對(duì)稱開(kāi)挖。具體施工步序如下。

(a) 地質(zhì)剖面圖 (b) 水塔現(xiàn)狀

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

1)施作水塔周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)，分層放坡開(kāi)挖土體至基坑底標(biāo)高，依次施工墊層、防水層，并由下至上施工中心島范圍內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)，如圖3(b)所示。

2)待主體結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)稱開(kāi)挖水塔兩側(cè)剩余土體至基坑底標(biāo)高，同時(shí)根據(jù)開(kāi)挖情況及時(shí)架設(shè)鋼支撐，如圖3(c)所示。

3)施工底板墊層和防水，拆除第2道鋼支撐，施工中板和側(cè)墻結(jié)構(gòu)，待結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，架設(shè)第1道鋼支撐倒撐(斜撐)，拆除第1道鋼支撐并施工頂板，如圖3(d)所示。

(a) 平面圖 (b) 施工步序1)

(c) 施工步序2) (d) 施工步序3)

2.2 存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

2.2.1 預(yù)留反壓土臺(tái)的設(shè)計(jì)

1)邊坡穩(wěn)定性應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算以及施工場(chǎng)地等因素確定，本方案設(shè)計(jì)時(shí)放坡土體上方不作為施工場(chǎng)地，如果作為施工場(chǎng)地，應(yīng)考慮施工荷載。

2)頂部寬度確定[10]除滿足施工場(chǎng)地需求外，應(yīng)使先施作結(jié)構(gòu)部分盡可能靠近圍護(hù)樁，使支撐長(zhǎng)度可控，避免鋼支撐增設(shè)臨時(shí)立柱。

2.2.2 主體回筑工況中的關(guān)鍵問(wèn)題

1)預(yù)留土體應(yīng)遵循“對(duì)稱、均衡、限時(shí)、先撐后挖、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的原則。

2)主體回筑過(guò)程中拆除第1道鋼支撐時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)懸臂工況應(yīng)采用斜撐等，以減小變形和圍護(hù)樁受力。

2.2.3 中心島先施作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

核心土體范圍與基坑深度、地層、支護(hù)方式、臺(tái)階上部荷載等因素有關(guān)。如果距離過(guò)大，支撐需要增設(shè)臨時(shí)立柱。本工程坡頂上部無(wú)施工荷載，并采用土釘墻放坡，新建結(jié)構(gòu)與圍護(hù)樁體距離約20 m,鋼支撐無(wú)須設(shè)置臨時(shí)立柱，鋼支撐位置處結(jié)構(gòu)局部尺寸加厚，并設(shè)置抗剪槽。

3 蓋挖逆作法

3.1 方案設(shè)計(jì)

水塔周邊2跨范圍內(nèi)采用框架結(jié)構(gòu)逆作、中間采用中心島明挖順作的結(jié)合方案[11]。其中，蓋挖逆作法是在淺基坑中修筑完結(jié)構(gòu)頂板及豎向支撐后，自上而下逐層開(kāi)挖土體并逐層修筑地下結(jié)構(gòu)的方法[12]，圍護(hù)樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。主要施工步序如下。

1)開(kāi)挖淺基坑至頂板底標(biāo)高下方，施工水塔周邊圍護(hù)樁和中間立柱樁基，施作頂板結(jié)構(gòu)，如圖4(a)所示。

2)依次向下開(kāi)挖土方至中板底標(biāo)高處，施工中板，并向下開(kāi)挖土方至底板底標(biāo)高處，施工墊層、防水層及底板結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示。施工出土從另外一側(cè)運(yùn)出，不需要單獨(dú)設(shè)置出土孔。

(a) 施工步序1) (b) 施工步序2)

3.2 存在的問(wèn)題及注意事項(xiàng)

3.2.1 立柱垂直度要求

中間立柱可以采用永久結(jié)構(gòu)柱，如鋼管混凝土柱或型鋼格構(gòu)柱。型鋼格構(gòu)柱在底板施工完成后，外包混凝土形成主體結(jié)構(gòu)柱，也可以采用格構(gòu)式或者實(shí)腹式型鋼柱作為臨時(shí)中間立柱。立柱除滿足受力要求外，其垂直度也應(yīng)滿足規(guī)范要求[13]，對(duì)施工水平要求相對(duì)較高。根據(jù)地層情況，選擇合理的樁基，并采取樁底壓漿等措施控制施工期間中間立柱的沉降。

水塔變形主要靠各層結(jié)構(gòu)板水平支撐，應(yīng)進(jìn)行受力和變形計(jì)算，必要時(shí)增加蓋挖部分的跨數(shù)，本次按2跨計(jì)算可滿足要求。

3.2.2 結(jié)構(gòu)差異沉降

由于水塔周邊2跨范圍內(nèi)采用蓋挖逆作法施工，中間采用明挖順作法施工，2種方法在相同荷載情況下的沉降不同，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在接口位置產(chǎn)生開(kāi)裂，應(yīng)分別計(jì)算沉降，并在接口處采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。

4 鋼絞線張拉法

4.1 鋼絞線對(duì)拉法

4.1.1 方案設(shè)計(jì)

鋼絞線對(duì)拉法圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖如圖5所示?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)為正六邊形，圍護(hù)樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。施工周邊圍護(hù)樁和冠梁及擋土墻，周圈依次向下開(kāi)挖土方，施工至第1道鋼絞線下方500 mm，在土體中鉆孔并張拉鋼絞線，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)為噴射混凝土面層和鋼圍檁，重復(fù)以上施工步序至基坑底標(biāo)高[14]。豎向共設(shè)置5層對(duì)拉鋼絞線： 第1層和第2層采用3φs15.2，第3—5層采用4φs15.2，鉆孔直徑為150 mm。每層設(shè)置9道鋼絞線對(duì)拉，每?jī)蛇呍O(shè)置3道，水平間距為3.9 m。鋼絞線孔距誤差不大于100 mm，軸線偏斜率不大于鋼絞線長(zhǎng)度的2%。張拉采用分級(jí)等荷張拉，一端固定，另一端張拉，張拉端與固定端交錯(cuò)設(shè)置，每級(jí)張拉至壓力表無(wú)返回現(xiàn)象時(shí)進(jìn)行鎖定，張拉控制應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求且不超過(guò)極限應(yīng)力值的0.6倍，并進(jìn)行孔內(nèi)灌漿。監(jiān)測(cè)樁體和水塔變形，并根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)錨索張拉進(jìn)行控制。

4.1.2 注意事項(xiàng)

1)此方法適用于被保護(hù)的建(構(gòu))筑物無(wú)基礎(chǔ)或基礎(chǔ)較淺的情況。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以是正六邊形或正四邊形，正四邊形時(shí)陽(yáng)角角度較小，邊跨張拉時(shí)不利于土體穩(wěn)定。本次結(jié)合地下空間的功能和建筑方案，選用正六邊形。

3)本工程施工時(shí)無(wú)地下水，如果存在地下水，應(yīng)在基坑施工時(shí)進(jìn)行降水。砂土中鉆孔成孔困難時(shí)，采用套管跟進(jìn)。對(duì)上部建筑變形要求嚴(yán)格時(shí)，可以在鉆孔內(nèi)注漿。在地下空間結(jié)構(gòu)施工完成后，可以根據(jù)需要對(duì)鋼絞線進(jìn)行拔除。

(a) 平面圖 (b) 剖面圖

4)豎向各層鋼絞線根據(jù)變形和圍護(hù)樁受力確定合理的間距，每層鋼絞線上下可錯(cuò)開(kāi)100～300 mm，避免同一層鋼絞線張拉時(shí)沖突。

4.2 鋼絞線環(huán)箍法

4.2.1 方案設(shè)計(jì)

鋼絞線環(huán)箍法圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖和剖面圖如圖6所示?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)為圓形，圍護(hù)樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。施工周邊圍護(hù)樁和冠梁，周圈依次向下施工，施工至第1道鋼絞線下方500 mm時(shí)，對(duì)鋼絞線進(jìn)行張拉，重復(fù)以上步序施工至基坑底標(biāo)高。豎向共設(shè)置6層對(duì)拉鋼絞線： 第1—3層采用4φs15.2，第4—6層采用5φs15.2。

(a) 平面圖 (b) 剖面圖

4.2.2 注意事項(xiàng)

1)此方法對(duì)于被保護(hù)的建(構(gòu))筑物是否存在地下室均可適用。

2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)為規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)，掛網(wǎng)噴射混凝土也應(yīng)為圓形，對(duì)施工精度要求相對(duì)較高。

3)每層設(shè)置3個(gè)張拉端對(duì)鋼絞線進(jìn)行張拉，張拉端由2個(gè)工字鋼和連接工字鋼的連接鋼板組成，中間有空隙可以穿越鋼絞線，外側(cè)設(shè)置錨頭承壓板，如圖7(a)和圖7(b)所示。

4)每個(gè)圍護(hù)樁上均應(yīng)有槽鋼對(duì)鋼絞線進(jìn)行限位，同時(shí)應(yīng)防止混凝土局部承壓破壞，槽鋼采用膨脹螺栓固定在圍護(hù)樁上，且槽鋼不宜過(guò)長(zhǎng)，如圖7(c)所示。

(a)剖面圖 (c)B節(jié)點(diǎn)大樣圖

4.3 計(jì)算分析時(shí)需要注意的問(wèn)題

1)由于周圈采用圍護(hù)樁并采用鋼絞線張拉，此時(shí)可以將結(jié)構(gòu)看作是一個(gè)整體建筑，即基底標(biāo)高以下的部分為建筑基礎(chǔ)，基底標(biāo)高以上的部分為高層建筑。

2)對(duì)于上部荷載(水塔)對(duì)稱位于結(jié)構(gòu)中部時(shí)，采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]第5.2.1條計(jì)算地基承載力； 對(duì)于偏心荷載，采用第5.2.2條計(jì)算基底壓力，并進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度應(yīng)根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[16]第4.1.4條驗(yàn)算，擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)小于擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值。

4)水塔周邊基坑挖到底標(biāo)高時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算地基的整體剪切、局部剪切和沖切是否滿足要求[17]。

5)鋼絞線對(duì)拉法計(jì)算與內(nèi)支撐計(jì)算相同； 鋼絞線環(huán)箍法根據(jù)內(nèi)力平衡條件即可計(jì)算得到鋼絞線拉力值，環(huán)向分力可取切線點(diǎn)位置。

6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地下空間結(jié)構(gòu)之間的肥槽應(yīng)回填密實(shí)。

5 方案比較

除以上介紹的中心島法、蓋挖逆作法、鋼絞線張拉法外，也可以采用托換方案，但存在以下問(wèn)題： 1)水塔為高聳建筑，托換時(shí)傾斜不易控制。2)水塔雖有基礎(chǔ)，但中部存在井道，基礎(chǔ)一周集中線荷載作用于結(jié)構(gòu)頂板，荷載較大，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)柱較密，且結(jié)構(gòu)梁、板尺寸較大； 同時(shí)，水塔基礎(chǔ)埋深比地下空間頂板低，托換后水塔下部可利用空間有限。3)托換部位結(jié)構(gòu)荷載較大，需要設(shè)置變形縫或者采取地基處理、結(jié)構(gòu)厚度加強(qiáng)等措施，以減少不均勻沉降對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)的影響。4)托換費(fèi)用較高，工期較長(zhǎng)。5)由于整個(gè)地下空間存在較多的設(shè)備房間，水塔基礎(chǔ)下方不連通的部分可以設(shè)置在非公共空間范圍內(nèi)?；谝陨显?，本工程未考慮托換方案。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]、《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[18]、《給水排水工程水塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[19]，水塔的傾斜控制值均為0.006，此處的傾斜是指兩端點(diǎn)的沉降差與距離的比值。由于對(duì)稱開(kāi)挖，理論上水塔無(wú)傾斜。本工程計(jì)算的傾斜率為最大沉降值與結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)寬度之比，用以考慮不對(duì)稱性施工造成的傾斜。根據(jù)計(jì)算，水塔變形滿足要求。由于豎向設(shè)置多道鋼絞線，采用鋼絞線張拉法變形控制更好，也更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)稱施工。本工程中心島法和蓋挖逆作法都是影響水塔周邊2跨范圍，因此，對(duì)比水塔周邊圍護(hù)結(jié)構(gòu)和2跨范圍內(nèi)主體結(jié)構(gòu)的造價(jià)，各方案對(duì)比如表2所示。由表2可以看出，本工程從工期、造價(jià)、變形控制和施工方便性考慮，應(yīng)優(yōu)先選用鋼絞線對(duì)拉法。

表2 方案對(duì)比表

6 結(jié)論與討論

1)中心島法施工時(shí)應(yīng)根據(jù)基坑深度、地層、支護(hù)方式等情況，合理確定反壓土臺(tái)的上部寬度及放坡坡率，回筑時(shí)應(yīng)盡量減少支撐長(zhǎng)度，支撐部位結(jié)構(gòu)應(yīng)加厚，對(duì)于拆撐時(shí)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大的情況可以增加臨時(shí)斜撐。

2)蓋挖逆作法施工時(shí)應(yīng)注意立柱的垂直度以及明、蓋挖結(jié)合處結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，同時(shí)，應(yīng)根據(jù)被保護(hù)建(構(gòu))筑物的變形情況合理確定蓋挖段范圍。

3)當(dāng)無(wú)地下室或者地下室埋置深度較淺時(shí)，可以采用鋼絞線對(duì)拉法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為正四邊形或正六邊形； 當(dāng)?shù)叵率衣裰蒙疃容^深時(shí)，可以采用鋼絞線環(huán)箍法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為圓形。

4)鋼絞線張拉法周邊應(yīng)對(duì)稱開(kāi)挖和施工，豎向間距根據(jù)結(jié)構(gòu)變形要求確定，結(jié)構(gòu)施工完成后可以將鋼絞線拆除。鋼絞線張拉法對(duì)地下空間的施工無(wú)影響，造價(jià)低，通過(guò)豎向間距的調(diào)整，可以很好地控制建筑物的變形。

上述方法的核心均是通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)與支撐(鋼支撐或結(jié)構(gòu)板)或錨索來(lái)保持水塔及水塔下方土體的變形與穩(wěn)定，對(duì)地下空間的影響程度基本相同，可以根據(jù)工程實(shí)際靈活選用。本工程后期實(shí)施時(shí)已將水塔拆除，鋼絞線對(duì)拉鉆孔施工對(duì)建筑物的沉降影響、鋼絞線張拉工藝及預(yù)應(yīng)力損失等還需要結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)一步檢驗(yàn)與研究。目前針對(duì)超大基坑中部既有建(構(gòu))筑物保護(hù)的研究較少，但是隨著城市地下空間的大力發(fā)展以及地下綜合體的建設(shè)，相關(guān)工程案例會(huì)越來(lái)越多。本文的研究思路可為類似工程提供借鑒，以工程實(shí)踐對(duì)研究成果進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)變形分析和傾斜監(jiān)測(cè)等手段對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。