基于“永臨一體化”的調(diào)蓄池深基坑內(nèi)支撐設計優(yōu)化

張自光，孟 源，陶佳佳

（1.建筑結構與地下工程安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；3.中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041；4.江蘇雷威建設工程有限公司，江蘇 南京 210003）

常規(guī)的深基坑支護結構多為臨時性，主體結構施工完成后即退出工作，并被拆除或者遺棄在地下，造成極大浪費?；凇坝琅R一體化”的深基坑內(nèi)支撐結構是將基坑內(nèi)支護結構同時作為地下主體工程永久結構，內(nèi)支撐無需拆除，避免了材料以及由此引起的人力、物力、社會資源的浪費，同時避免了內(nèi)支撐拆除過程中引起的圍護結構二次受力和二次變形造成的影響，實現(xiàn)了深基坑支護結構的永久化，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、建設周期短等諸多優(yōu)勢，是近年來我國迅速發(fā)展和積極推廣的一種新型深基坑支護技術[1-2]。梁夢夢等[3]以昆明螺螄灣超大深基坑工程項目為背景，介紹了深基坑內(nèi)支撐與結構一體化相結合的設計施工技術；李連祥等[4]結合濟南某基坑工程實踐，對支護樁與地下主體結構相結合的永久支護結構受力變形特征進行了全過程分析；張毅[5]結合某調(diào)蓄池基坑工程實例，綜合比較分析了基坑臨時支護結構與主體工程永久結構分離設計和結合設計的兩種方案；葉海龍[6]就一種內(nèi)支撐臨時水平結構用作永久結構梁板工程申請了“一種內(nèi)支撐臨時水平結構用作永久結構梁板的方法”發(fā)明專利；袁野、仝聯(lián)飛[7]總結了深基坑支護結構與設計主體結構相結合的設計類型和分析方法；田麗麗等[8]深入介紹了主體結構用作深基坑支撐的設計思路、施工工序、計算分析、開挖效果等；胡煥校等[9]總結分析了支護結構與主體結構相結合的深基坑復合支護技術的適用性及特點；路林海等[10]指出深基坑支護樁與主體結構結合的技術可以有效控制基坑變形；李大華等[11]詳細闡述了“樁墻合一”及地下結構梁板替代內(nèi)支撐在工程中的應用。

上述研究成果為本文提供了重要的思路，然而目前關于深基坑“永臨一體化”的研究主要集中于深基坑錨拉式支護結構，針對地下全封閉式雨水調(diào)蓄池工程特征的深基坑“永臨一體化”內(nèi)支撐結構形式，尚未檢索到相關報道。本文緊密結合合肥清三沖雨水調(diào)蓄池深基坑工程實踐，對比分析調(diào)蓄池地下主體結構和深基坑內(nèi)支撐結構特征，在此基礎上提出了一種深基坑“永臨一體化”內(nèi)支撐設計優(yōu)化方案，并詳細闡述了優(yōu)化方案的實施步驟，可為該類深基坑工程支護結構設計及相關規(guī)范標準制定提供參考依據(jù)和范例支持。

1 工程項目特征

1.1 工程概況

清三沖雨水調(diào)蓄池項目位于安徽省合肥市蜀山區(qū)，地貌類型屬江淮波狀平原，微地貌為南淝河一級階地，用地性質(zhì)屬臨河公園綠地，周邊無重要建（構）筑物?；訄龅匚?、北、東三面臨河，南側為城市小路，其中北側距南淝河河堤45～80 m，東側距河堤12～25 m，西側距河堤15～21 m，南側距順河南路距離1.5～7.0 m。項目場地地形較為平整，為便于論述，本文將地面相對高程記為0.0 m，文中其余高程均為與地面的相對高程。

清三沖雨水調(diào)蓄池深基坑項目由調(diào)蓄池主體矩形基坑、放空泵房基坑和管理用房基坑三部分組成，平面形態(tài)整體呈異型狀，其中主體結構基坑開挖深度為18.4～19.7 m，放空泵房基坑開挖深度為19.7～21.2 m；管理用房基坑平面開挖深度為8.6 m。深基坑平面構成及相關尺寸如圖1 所示。

圖1 基坑平面圖

1.2 主體結構地下工程

清三沖雨水調(diào)蓄池主體采用地下三層封閉式鋼筋混凝土框架結構。調(diào)蓄池頂板屋面采用雙向板肋梁樓蓋，梁頂面設計相對高程為-5.8 m，樓蓋上方土體回填完畢后種植樹、草，恢復公園地面。調(diào)蓄池底板采用承壓型囊式擴體錨桿作為永久抗浮構件，池底高程設計相對高程-18.4～-21.2 m。調(diào)蓄池設計有效容積40 000 m3。調(diào)蓄池地下二層和三層主體結構混凝土強度等級為C35，框架梁頂面設計相對高程依次為-9.3 m、-13.3 m，框架梁斷面尺寸為600 mm×600 mm，結構柱斷面尺寸800 mm×800 mm，平面分布如圖2 所示。

圖2 調(diào)蓄池地下框架梁柱結構平面分布圖

1.3 深基坑開挖支護結構特征

清三沖調(diào)蓄池深基坑開挖嚴格按照“分段、分層、分塊、對稱、平衡、限時”的時空效應理論要求進行?；幼员毕蚰峡v向分3 段，自上而下分層開挖，每層開挖厚度不大于5 m，臨時邊坡坡度不大于1：1，開挖完成一塊、清理平整一塊、墊層施工一塊。根據(jù)深基坑穩(wěn)定性及變形控制要求計算結果，結合場地條件，深基坑首先進行半放坡開挖，放坡高度7.0 m，設兩級開挖平臺，每級平臺開挖高度為3.5 m。基坑放坡開挖作業(yè)實施前，首先在放坡坡頂靠近坡面位置施作一道四周封閉水泥土深層攪拌樁落地式止水帷幕，作為基坑放坡開挖期間的地下水防控止水措施?；臃牌麻_挖作業(yè)完成后，在坡底靠近基坑側壁自內(nèi)而外依次施作鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、水泥土深層攪拌樁，并進行流水作業(yè)，以加快工程實施進度，如圖3、圖4 所示。

圖3 基坑支護體系斷面圖

圖4 基坑圍護樁平面分布圖

深基坑內(nèi)支撐采用“二道水平支撐，中間設置豎向支撐”的組合方式，如圖5 所示?；铀街尾捎脧姸鹊燃墳镃30 鋼筋混凝土結構，橫斷面尺寸800 mm×800 mm，上下兩道水平支撐頂面相對高程分別為-7.3 m 和-12.3 m?；迂Q向支撐采用鋼立柱插入立柱樁基的“一柱一樁”結構形式，插入深度為3.0 m。鋼立柱由強度等級為Q235B的4L200×18 等邊角鋼和綴板焊接而成，內(nèi)部灌注C30 混凝土，截面尺寸500 mm×500 mm，下部立柱樁為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎，如圖6 所示。

圖5 基坑內(nèi)支撐平面分布圖

圖6 深基坑內(nèi)支撐

2 深基坑內(nèi)支撐設計優(yōu)化

2.1 方案優(yōu)化

調(diào)蓄池主體工程整體采用地下三層框架結構體系，其中地下二層和三層框架梁頂面設計相對高程依次為-9.3 m 和-13.3 m。調(diào)蓄池深基坑原設計第一道和第二道水平支撐頂面相對高程分別為-7.3 m 和-12.3 m，且地表以下7.0 m 深度范圍內(nèi)放坡開挖。因此，將基坑放坡開挖高度由7.0 m調(diào)整為9.0 m，基坑第一道水平撐的頂面高程即可與主體結構框架梁頂面高程取值一致；基坑第二道水平撐頂面高程下調(diào)1.0 m（即-13.3 m）與主體結構地下三層框架梁高程取得一致，基坑兩道水平支撐間距由原設計5.0 m 調(diào)整為4.0 m?；铀胶拓Q向支撐結構形式、斷面尺寸、數(shù)量及平面分布位置均與原設計保持不變，以維持基坑開挖方式、材料運輸和土石方出土路線不變。

2.2 實施流程

基于“永臨一體化”的深基坑水平內(nèi)支撐與圍護樁的連接方式與原設計維持不變，仍通過冠梁和腰梁方式實現(xiàn)連接。在水平支撐與調(diào)蓄池主體結構邊墻的連接部位預埋鋼筋連接器，待邊墻施工時鑿出鋼筋連接器，完成水平支撐與邊墻的連接，如圖7 所示。水平支撐與豎向內(nèi)支撐的連接節(jié)點通過在角鋼格構柱的梁側加腋法完成。梁側加腋法通過在梁側加腋的方式擴大梁柱節(jié)點位置梁的寬度，使得梁的主筋得以從角鋼格構柱側面繞行貫通，如圖8 所示。格構柱在基坑開挖完成后通過外包混凝土的方式形成主體工程結構永久框架柱。

圖7 水平支撐與邊跨結構柱連接節(jié)點

圖8 水平撐與格構柱連接節(jié)點

基于“永臨一體化”清三沖調(diào)蓄池深基坑內(nèi)支撐設計優(yōu)化方案按如下步驟實施：

第一步：放坡開挖。在雨水調(diào)蓄池深基坑周邊放坡坡頂靠近坡面位置，按設計深度施作一道四周封閉的深層攪拌樁止水帷幕；地面下9 m 采用半放坡分層開挖，每層開挖厚度4.5 m，坡比1：1，共設兩級開挖平臺，如圖9 所示。

圖9 放坡開挖

第二步：施作圍護結構及坑內(nèi)立柱。在調(diào)蓄池深基坑半放坡坡底靠近開挖面處按設計深度施作鉆孔灌注樁圍護結構，按設計位置、深度等施作高壓旋噴樁、水泥土深層攪拌樁、坑內(nèi)立柱樁?？觾?nèi)立柱為鋼立柱插入立柱樁基的“一柱一樁”結構，上部的所述鋼立柱由4 塊等邊角鋼和綴板焊接而成的格構柱構成，下部的所述立柱樁基為鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎，如圖10 所示。

圖10 施作圍護結構及坑內(nèi)立柱

第三步：開挖，施作第一道水平支撐。開挖基坑坑內(nèi)土體至第一道鋼筋混凝土水平支撐底部設計標高（-10.1 m 高程）以下20～30 cm；澆筑混凝土墊層，綁扎鋼筋，澆筑完成鋼筋混凝土支撐，完成兼做調(diào)蓄池地下二層主體結構框架梁的第一道鋼筋混凝土水平支撐施作，如圖11 所示。

圖11 開挖并施作兼做一道水平支撐的地下二層主體結構框架梁

第四步：開挖，施作第二道水平支撐。開挖基坑坑內(nèi)地層至第二道鋼筋混凝土水平支撐底部設計標高（-10.1 m 高程）以下20～30 cm；澆筑混凝土墊層，綁扎鋼筋，澆筑完成鋼筋混凝土支撐，完成兼做調(diào)蓄池地下三層主體結構框架梁的第二道鋼筋混凝土水平支撐施作，如圖12 所示。

圖12 開挖并施作兼做二道水平支撐的地下三層主體結構框架梁

第五步：開挖，施作結構底板。開挖基坑坑內(nèi)地層至基坑基底設計高程，綁扎鋼筋、支模版、澆筑混凝土，形成基坑底板，完成基坑開挖作業(yè)，如圖13 所示。

圖13 開挖并施作結構底板

第六步：自下而上依次施作地下主體結構柱、梁、墻、板，完成地下主體結構工程施工，如圖14 所示。

圖14 自下而上依次施作調(diào)蓄池地下主體結構柱、梁、墻、板

第七步：結構頂板回填，恢復地面。調(diào)蓄池主體結構施工完畢并達到設計要求后，在結構頂板上表面回填新鮮土體，使地面恢復至放坡開挖前狀態(tài)，進行植被或公共設施建設，完成調(diào)蓄池結構施工，如圖15 所示。

圖15 結構頂板回填，恢復地面

3 深基坑“永臨一體化”內(nèi)支撐結構實施效果分析

監(jiān)控量測是保證深基坑工程施工安全、驗證基坑支護結構設計合理性的有效手段，監(jiān)測數(shù)據(jù)可定量反映工程實施效果。清三沖雨水調(diào)蓄池深基坑工程周邊共布設圍護樁樁體水平位移監(jiān)測點10個，圍護樁樁頂豎向及水平位移監(jiān)測點均為17 個，立柱豎向位移監(jiān)測點6 個，地表沉降監(jiān)測點17 組合計51 個。清三沖雨水調(diào)蓄池深基坑工程各監(jiān)測項目監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結果如表1 所示。

表1 深基坑支護結構及地表沉降監(jiān)測統(tǒng)計分析

由表1 可見，清三沖基坑圍護樁樁體水平位移最大值21.5 mm，最小值14.7 mm，平均值17.9 mm；樁頂豎向位移最大值4.7 mm，最小值0.1 mm，平均值1.5 mm；樁頂水平位移最大值20.4 mm，最小值7.0 mm，平均值14.3 mm；立柱豎向位移最大值8.0 mm，最小值2.4 mm，平均值4.8 mm，如圖16 所示；基坑開挖引起的周邊地表沉降最大值19.2 mm，最小值4.0 mm，平均值12.8 mm，典型時程曲線如圖17 所示。說明基于“永臨一體化”的調(diào)蓄池深基坑內(nèi)支撐結構整體穩(wěn)定性好，對周邊環(huán)境影響較小，工程建設整體效果良好。

圖16 深基坑圍護樁樁頂水平位移

圖17 基坑周邊典型地表沉降時程曲線

4 結論

調(diào)蓄池深基坑“永臨一體化”內(nèi)支撐結構不改變深基坑水平和豎向內(nèi)支撐結構形式、斷面尺寸、數(shù)量及其平面分布位置，不改變基坑開挖方式、材料運輸和土石方出土路線，僅通過對內(nèi)支撐豎向高程等技術的輕微調(diào)整，使其滿足地下主體結構受力變形及空間位置分布要求，將深基坑水平內(nèi)支撐和豎向內(nèi)支撐同時承擔地下主體結構框架梁柱結構的功能，進而實現(xiàn)深基坑臨時支護結構與調(diào)蓄池地下主體永久結構的一體化。本文詳細闡述了調(diào)蓄池深基坑“永臨一體化”內(nèi)支撐結構實施步驟。工程實施效果表明，基于“永臨一體化”的調(diào)蓄池深基坑內(nèi)支撐結構整體穩(wěn)定性好，對周邊環(huán)境影響較小，工程建設整體效果良好，為類似基坑工程支護結構設計提供了參考依據(jù)和范例支持。