地下結(jié)構(gòu)梁板替代內(nèi)支撐在深基坑中的應(yīng)用

高志磊，李大華

（安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著現(xiàn)代基坑工程開挖深度逐漸加深，施工面積愈來(lái)愈大，傳統(tǒng)深基坑支護(hù)工程的缺點(diǎn)也愈來(lái)愈明顯：第一，傳統(tǒng)基坑工程的內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)在基坑工程結(jié)束后要逐層拆除，然后逐層施工地下主體結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)、造價(jià)高昂、工期延長(zhǎng)；第二，在拆除內(nèi)支撐進(jìn)行換撐的時(shí)候，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)的改變，對(duì)周圍土體的支撐能力也會(huì)改變，可能會(huì)造成周圍環(huán)境的破壞。采用地下主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案可以避免傳統(tǒng)基坑支護(hù)的缺點(diǎn)[1]。新方案能夠節(jié)約大量資源、工程費(fèi)用以及極大縮短工期，并且由于利用地下永久主體結(jié)構(gòu)作為支撐系統(tǒng)，它的整體剛度相比臨時(shí)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)也要更大，基坑的安全性也就更高[2]。近年來(lái)學(xué)界已經(jīng)對(duì)這種新型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了一系列的研究，例如王衛(wèi)東等人系統(tǒng)地提出了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的三種類型[3]，總結(jié)了相關(guān)的技術(shù)措施和典型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。陸余年等人探討與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的超大深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及內(nèi)力特征。但這些研究都只是初步提出了此種設(shè)計(jì)方法和施工方法的大體概念與總體思路，在具體的設(shè)計(jì)方法和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造方面都不夠完善，缺乏對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的系統(tǒng)性研究，理論研究與設(shè)計(jì)方法落后于工程實(shí)踐，這在很大程度上影響了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)方法的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用。本文系統(tǒng)梳理了新型支護(hù)設(shè)計(jì)在深基坑下的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、施工流程及對(duì)周圍土體環(huán)境的影響。

這種新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要分為三種類型，我們選擇水平結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方案，即地下梁板結(jié)構(gòu)結(jié)合臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方案，有以下原因：第一，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在滿足變形控制的前提下，可以比較靈活地調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度，從而優(yōu)化設(shè)計(jì)。若采用墻體相結(jié)合的方法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)需滿足正常使用階段的受載要求，在較深的開挖深度下，無(wú)法根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果去選擇合適的圍護(hù)體截面厚度；第二，在基坑總延米較長(zhǎng)的情況下，采用臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)可以調(diào)整圍護(hù)結(jié)構(gòu)的輪廓形狀，而與墻體相結(jié)合要考慮地下室形狀無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。結(jié)合工程實(shí)際背景，基坑工程的最優(yōu)設(shè)計(jì)就是采用地下主體結(jié)構(gòu)的梁板結(jié)構(gòu)直接作為基坑水平內(nèi)支撐系統(tǒng)。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程基坑為異形基坑，開挖深度為18 m，基坑安全等級(jí)為一級(jí)和二級(jí)。地下主體結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)體系，水平梁板結(jié)構(gòu)完整并處在同一平面上。地下主體結(jié)構(gòu)有3 層，底板厚度為1 m?；游挥诘缆方徊婵谖恢?，沿道路東西向布置。基坑場(chǎng)地周圍環(huán)境比較復(fù)雜，對(duì)基坑文明施工要求較高。

1.2 地質(zhì)場(chǎng)地

地基土在深度范圍內(nèi)可分為：1 層填土（層厚4.1 m）、2 層砂質(zhì)粉土（層厚6.4 m）、3 層粉質(zhì)粘土（層厚5.8 m）、4 層粘土（層厚4.2 m）、5 層粉質(zhì)粘土夾粉土（層厚6.8 m）。工程場(chǎng)地內(nèi)不存在地表水，地下水有孔隙承壓水和孔隙潛水，潛水深度隨季節(jié)變化，水位變化幅度大約在1.2 m～1.5 m 之間。根據(jù)承壓水抽水試驗(yàn)可知，承壓水的水頭標(biāo)高為-8 m。場(chǎng)地土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如表1 所示。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2 地下結(jié)構(gòu)梁板替代內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑的開挖深度與開挖面積、地下主體結(jié)構(gòu)的平面布置、周圍地質(zhì)情況等因素，本工程決定采用地下結(jié)構(gòu)梁板替代內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)，即利用地下主體結(jié)構(gòu)的水平梁板系統(tǒng)作為水平內(nèi)支撐系統(tǒng)來(lái)承受水平荷載，采用逆作法施工。考慮到施工的方便性與靈活性、造價(jià)合理等條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用的鉆孔灌注樁作為臨時(shí)性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，樁徑1.2 m，1.5 m 間隔布置。鉆孔灌注樁之間通過(guò)冠梁和腰梁連接，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采用三軸攪拌樁作為止水帷幕。豎向支撐系統(tǒng)由格構(gòu)柱組成，格構(gòu)柱由鋼立柱插入立柱樁。為了更好實(shí)現(xiàn)水平內(nèi)支撐與地下主體結(jié)構(gòu)的一體化，進(jìn)行平面布置時(shí)，立柱樁要盡量布置在主體結(jié)構(gòu)工程柱的位置[4]，將主體結(jié)構(gòu)樁作為立柱樁。

鋼立柱分為角鋼立柱和鋼管立柱，這里采用角鋼立柱。水平內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)采用地下主體結(jié)構(gòu)的各層梁板結(jié)構(gòu)。基坑支護(hù)平面圖見圖1，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖見圖2。

圖1 基坑支護(hù)平面圖

圖2 基坑支護(hù)剖面圖

2.2 地下梁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

將地下主體結(jié)構(gòu)的各層梁板結(jié)構(gòu)直接作為基坑施工時(shí)的水平內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，需要對(duì)梁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了施工方便，基坑工程采用樓板結(jié)構(gòu)后作施工的梁格體系，具體施工方案是在逆作階段時(shí)僅施工框架梁結(jié)構(gòu)，地下結(jié)構(gòu)底板施工結(jié)束后再逐層施工樓板結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是方便開挖運(yùn)輸土方，不需要在樓板上施工運(yùn)輸通道口，不會(huì)破壞梁板結(jié)構(gòu)的整體性[5]，并且逆作階段格構(gòu)柱所承受的豎向荷載也會(huì)減少。不過(guò)這將帶來(lái)新老混凝土連接問(wèn)題，逆作開挖施工中采用的是先施工結(jié)構(gòu)框架梁體系，逆作施工結(jié)束后才開始施工樓板結(jié)構(gòu)，時(shí)間間隔較大，產(chǎn)生梁板二次澆筑導(dǎo)致新老混凝土結(jié)合問(wèn)題，需要設(shè)置水平施工縫，但這會(huì)導(dǎo)致梁板的整體性問(wèn)題及止水問(wèn)題。解決辦法是需要對(duì)舊混凝土界面進(jìn)行嚴(yán)格清理，清理松動(dòng)石子，鑿成凸凹面，然后在混凝土中摻入膨脹劑，最后在界面上均勻抹上混凝土砂，連接新舊混凝土。為了增強(qiáng)防水性能可以在連接面上加上一層防水卷材。

2.3 水平內(nèi)支撐與格構(gòu)柱連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

角鋼立柱采用4L200×18 角鋼通過(guò)綴板焊接組成，角鋼鋼材強(qiáng)度等級(jí)為Q235B。在平面布置中，格構(gòu)柱布置在結(jié)構(gòu)工程柱位置，需要對(duì)結(jié)構(gòu)梁和格構(gòu)柱之間的連接進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用角鋼立柱會(huì)帶來(lái)梁柱鋼筋的連接問(wèn)題，角鋼側(cè)肢和連接角鋼的綴板會(huì)阻礙梁鋼筋穿過(guò)。我們可以采用傳力鋼板法解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)在角鋼立柱上焊接連接鋼板，將無(wú)法穿過(guò)角鋼立柱的鋼筋與傳力鋼板焊接，實(shí)現(xiàn)梁柱的連接。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是避免讓鋼筋穿過(guò)角鋼而在角鋼格構(gòu)柱上鉆孔造成鋼立柱截面損傷，缺點(diǎn)是傳力鋼板法需要進(jìn)行大量的焊接作業(yè)，而焊接造成的高溫會(huì)使鋼結(jié)構(gòu)承載能力降低[6]。梁柱連接節(jié)點(diǎn)主要承受剪力，要按計(jì)算要求設(shè)置適量的抗剪栓釘。水平內(nèi)支撐與格構(gòu)柱連接節(jié)點(diǎn)見圖3。

圖3 梁柱連接節(jié)點(diǎn)

2.4 水平結(jié)構(gòu)與圍護(hù)體的連接設(shè)計(jì)

水平結(jié)構(gòu)與圍護(hù)體的連接主要是解決圍護(hù)體上水土側(cè)向壓力傳遞的問(wèn)題[7]。水平結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接形式取決于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇，本深基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注排樁。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部設(shè)置冠梁，下部設(shè)置腰梁，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，另外也作為圍護(hù)體與地下主體結(jié)構(gòu)連接體系的一部分。面對(duì)水土側(cè)向壓力時(shí)，為了防止水平支撐結(jié)構(gòu)受力不均勻，需要在水平結(jié)構(gòu)周邊設(shè)置一圈邊梁，一方面可以提高水平結(jié)構(gòu)的整體剛度，另一方面可以獲得一個(gè)均勻的受力支撐面。在地下主體結(jié)構(gòu)完工后需要進(jìn)行標(biāo)高4 m 的覆土，增強(qiáng)連接結(jié)構(gòu)的抗剪能力，采用抗剪能力更強(qiáng)的混凝土-型鋼組合支撐作為水平傳力構(gòu)件。連接結(jié)構(gòu)的具體施工方法是將圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的冠梁、腰梁的標(biāo)高分別與地下主體結(jié)構(gòu)上各層梁板結(jié)構(gòu)相對(duì)齊，然后將水平結(jié)構(gòu)邊梁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的冠梁、腰梁通過(guò)混凝土-型鋼組合支撐相連接，注意混凝土-型鋼組合支撐的中心要與內(nèi)部水平支撐梁的中心相對(duì)齊，形成水平傳力體系。水平結(jié)構(gòu)與圍護(hù)體連接節(jié)點(diǎn)見圖4。

圖4 水平結(jié)構(gòu)與圍護(hù)體連接節(jié)點(diǎn)

2.5 出土口設(shè)計(jì)

逆作施工需要設(shè)置出土進(jìn)料口，以供開挖時(shí)開挖土方的運(yùn)出和混凝土鋼筋等材料的運(yùn)進(jìn)，這就需要出土口的尺寸滿足各項(xiàng)材料通過(guò)的要求。當(dāng)出土口設(shè)置過(guò)大時(shí)，為了防止出土口在水平力的作用下發(fā)生破壞，則需要在出土口的四角設(shè)置額外的型鋼斜支撐，保證出土口的整體剛度。出土口設(shè)置加強(qiáng)斜梁示意圖見圖5。

圖5 出土口設(shè)置加強(qiáng)斜梁示意圖

3 施工流程

逆作施工的施工流程是水平內(nèi)支撐和地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心所在，對(duì)基坑工程的安全性與可行性具有決定性意義。合理的施工流程設(shè)計(jì)對(duì)縮短工期和控制基坑變形具有重大意義。本深基坑工程的具體施工流程見下表2。

表2 施工流程表

4 實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了解水平內(nèi)支撐與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)的深基坑工程的變形和結(jié)構(gòu)受力情況，基坑工程進(jìn)行大量監(jiān)測(cè)，主要包括圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)、地表沉降監(jiān)測(cè)、水平內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)、立柱豎向位移監(jiān)測(cè)[8]。

4.1 圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測(cè)分析

深基坑工程周圍共布置了40 處圍護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，無(wú)法一一分析，現(xiàn)選取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪出圍護(hù)體水平位移與基坑開挖深度關(guān)系曲線圖[9]，見圖6。如圖所示，開挖早期，圍護(hù)體位移極小。隨著開挖深度的增加，圍護(hù)體的側(cè)向水平位移也逐漸增加。開挖到坑底標(biāo)高時(shí)，圍護(hù)體達(dá)到累計(jì)最大側(cè)向水平位移[10]，位移小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值30 mm，且日均變化速率小于報(bào)警值3 mm/d，可見在逆作開挖階段，圍護(hù)體是安全穩(wěn)定的[11]。在一個(gè)開挖深度內(nèi)，圍護(hù)樁側(cè)移隨著圍護(hù)樁深度增加先增大后減小然后趨于穩(wěn)定。隨著開挖深度增加，位移累計(jì)最大值的位置也在下降。圍護(hù)體側(cè)向位移與基坑深度高度相關(guān)。

圖6 圍護(hù)體水平位移變化曲線

4.2 地表沉降監(jiān)測(cè)分析

深基坑工程周圍共布置了144 個(gè)地表沉降檢測(cè)點(diǎn)，選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)距基坑邊緣按2 m、6 m、10 m、14 m、16 m 距離不等布置[12]，繪出地表沉降值與距基坑距離的關(guān)系曲線圖，見圖7。在早期開挖至2 m 時(shí)地表沉降幾乎沒(méi)有，僅在距基坑10 m-20 m 處存在輕微沉降。隨著開挖深度的逐漸增加，地表沉降也愈來(lái)愈大，在不同開挖深度下，基坑沉降都經(jīng)歷了先增加后減小的過(guò)程，并且都在距基坑邊沿約6 m 位置處達(dá)到沉降峰值，然后逐漸減小并趨于穩(wěn)定。開挖到基坑底部時(shí)，在距基坑邊沿大約6 m 位置處出現(xiàn)累計(jì)沉降最大值16 mm，遠(yuǎn)小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值35 mm，且日均位移速率也未超過(guò)3 mm/d 的報(bào)警值。由此可知，基坑周圍地表沉降完全處于安全范圍內(nèi)。

圖7 地表沉降曲線圖

4.3 水平內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)分析

深基坑工程共布置了20 組水平內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取第一層水平內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段截面的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪出整個(gè)逆作階段的水平內(nèi)支撐軸力的變化曲線，見圖8。

圖8 水平支撐軸力變化曲線

由圖可知，在第一層梁板結(jié)構(gòu)支撐施工完后水平結(jié)構(gòu)軸力不斷增加，直到第二層水平梁板結(jié)構(gòu)施工完成后軸力開始下降。第二層梁板結(jié)構(gòu)分擔(dān)了水土側(cè)向荷載，并且隨著第三層水平結(jié)構(gòu)完成和開挖到坑底，第一層水平內(nèi)支撐軸力逐漸趨于穩(wěn)定。在第二次土體開挖結(jié)束后第二層水平結(jié)構(gòu)施工之前，一層水平結(jié)構(gòu)的軸力達(dá)到最大值936 KN，遠(yuǎn)小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值，即設(shè)計(jì)值的70%。也說(shuō)明采用地下主體結(jié)構(gòu)的梁板體系作為水平內(nèi)支撐對(duì)抑制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移和變形的效果是十分明顯的，這是因?yàn)橹黧w永久結(jié)構(gòu)的剛度比臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)更大。

4.4 立柱豎向位移監(jiān)測(cè)分析

深基坑工程共布置了18 個(gè)立柱豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段截面的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，繪出立柱豎向位移與時(shí)間的關(guān)系圖，見圖9。由圖可知，在基坑開挖的大部分時(shí)間里立柱隆起的豎向位移是不斷增加的。逆作開挖結(jié)束后，立柱累計(jì)豎向位移達(dá)到最大值4.1 mm，遠(yuǎn)小于基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值35 mm，且日均變化速率也小于3 mm/d。這說(shuō)明逆作開挖階段，立柱的狀態(tài)始終是穩(wěn)定安全的，并且很好承擔(dān)了水平梁板結(jié)構(gòu)和施工器械帶來(lái)的豎向荷載。

圖9 立柱豎向位移變化曲線

5 總結(jié)

5.1 成果總結(jié)

地下結(jié)構(gòu)梁板替代水平內(nèi)支撐的新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)在此深基坑工程中的成功應(yīng)用獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益[12]。在工期進(jìn)度方面，從5 月初基坑放坡開挖至12 月初底層基礎(chǔ)防水與底板施工完成用時(shí)7 個(gè)月，相比傳統(tǒng)施工方法的施工進(jìn)度計(jì)劃節(jié)約工期約2 個(gè)月。在經(jīng)濟(jì)性方面，采用地下梁板結(jié)構(gòu)代替內(nèi)支撐的逆作法施工相比于傳統(tǒng)臨時(shí)支撐，在支撐費(fèi)用、拆除費(fèi)用、人工費(fèi)用等方面共節(jié)省820萬(wàn)元。此外，采用臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)相比于墻體相結(jié)合的方案節(jié)省約300 萬(wàn)元。綜上所述，這種新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)具有相當(dāng)明顯的經(jīng)濟(jì)效益與工期優(yōu)勢(shì)。

5.2 工程總結(jié)

本文以某深基坑工程為案例，論述了地下結(jié)構(gòu)梁板替代水平內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵施工方法，并對(duì)深基坑各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，總結(jié)了新型深基坑支護(hù)體系的變形特點(diǎn)與規(guī)律，得出了下面的結(jié)論與觀點(diǎn)：

（1）對(duì)基坑工程的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、地表沉降、支撐軸力及立柱位移均遠(yuǎn)小于報(bào)警值，處在相當(dāng)安全可控的范圍之內(nèi)，可以說(shuō)深基坑工程在逆作施工階段中是穩(wěn)定安全的，基坑周圍環(huán)境也是安全可控的。水平內(nèi)支撐與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)基本上達(dá)到了預(yù)期工程效果。

（2）新型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法極大縮短了工期，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。由于采用逆作法施工也達(dá)到了文明施工的要求。

（3）一些施工技術(shù)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。例如，逆作施工結(jié)束后地下結(jié)構(gòu)外墻與框架梁體系的連接與施工；格構(gòu)柱外包混凝土形成永久結(jié)構(gòu)柱的混凝土澆筑等問(wèn)題。

（4）對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合設(shè)計(jì)仍缺乏系統(tǒng)性的受力機(jī)理和變形特點(diǎn)分析方法。不過(guò)，這種新式施工方法仍具有推廣意義，希望可以為未來(lái)類似設(shè)計(jì)的基坑支護(hù)工程提供一些參考。