水池類基坑換撐設(shè)計(jì)新思路與工程實(shí)踐

錢宏偉，李玉磊

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

給水廠站水池多采用地下或半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，基本無中層板，但水池內(nèi)部縱橫向隔墻、堰板等構(gòu)件眾多，外壁板需預(yù)留套管、孔洞等；二是抗?jié)B性及整體性要求高，水池施工完畢后必須進(jìn)行滿水試驗(yàn)，觀測(cè)水池滲水量，檢查水池抗?jié)B性能。為觀測(cè)水池滲水量，及試驗(yàn)合格后外壁防腐涂料施工質(zhì)量，圍護(hù)體系與主體結(jié)構(gòu)之間需預(yù)留操作空間，在水池滿水試驗(yàn)及池壁防水、防腐涂料施工完成后方可進(jìn)行基坑肥槽回填。

結(jié)合水池主體結(jié)構(gòu)形式與特點(diǎn)，本文總結(jié)了軟土地區(qū)水池類基坑一般及特殊條件下的幾種換撐設(shè)計(jì)，并針對(duì)特殊條件下的水池深基坑，提出一種新的換撐設(shè)計(jì)思路，為同類設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 水池類基坑一般換撐設(shè)計(jì)

對(duì)于開挖深度較淺，采用一道水平支撐體系的水池類基坑，可僅在圍護(hù)樁與底板之間布置傳力帶，待傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度80%以上后，拆除第一道支撐，即圍護(hù)體與基礎(chǔ)底板間換撐[1]。該位置的傳力帶僅起到支擋圍護(hù)結(jié)構(gòu)的抗壓作用，一般為方便施工，采用與底板同厚度、同標(biāo)號(hào)的素混凝土，如圖1。

圖1 一般底板換撐示意圖

若在底板及底板傳力帶施工完成、拆除支撐工況條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形計(jì)算過大，不滿足周邊環(huán)境保護(hù)要求或圍護(hù)樁抗彎強(qiáng)度要求時(shí)，傳力帶也可做成上翻牛腿形式，以縮短拆除支撐工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算的懸臂高度，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及確保周邊環(huán)境安全。上翻牛腿的配筋通過其所受荷載大小按彎剪構(gòu)件計(jì)算，如圖2。

圖2 上翻牛腿換撐示意圖

對(duì)于開挖深度相對(duì)較深，采用二道水平支撐體系的水池類基坑，常規(guī)換撐設(shè)計(jì)施工順序?yàn)椋海?）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上后拆除第二道支撐；（3）繼續(xù)施工水池壁板、頂板及頂板傳力帶；（4）待主體結(jié)構(gòu)及頂板傳力帶達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上后拆除第一道支撐；（5）繼續(xù)施工水池頂板以上部分主體結(jié)構(gòu)。頂板傳力帶可間隔開孔，開孔長度一般不小于1 m，以便于人員、材料的內(nèi)外進(jìn)出，肥槽內(nèi)也可采用中粗砂或局部素混凝土回填，以確?；靥蠲軐?shí)性（見圖3）。

圖3 常規(guī)底板、頂板換撐示意圖

2 水池類基坑特殊條件下?lián)Q撐設(shè)計(jì)

對(duì)于某些半地下式水池，當(dāng)頂板位于現(xiàn)狀地面以上，即第一道支撐以上，且基坑深度較深時(shí)，僅在圍護(hù)樁與底板之間布置傳力帶、拆除第一道支撐工況下，基坑不能夠滿足穩(wěn)定及圍護(hù)樁變形控制要求，此時(shí)一般有兩種處理方法。

方式一：在底板傳力帶與第一道支撐之間設(shè)置中間換撐帶。

具體施工步驟為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上后拆除第二道支撐；（3）繼續(xù)施工水池壁板及中間傳力帶至某一標(biāo)高；（4）待主體結(jié)構(gòu)與中間傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的100%后拆除第一道支撐；（5）繼續(xù)施工水池余下部分主體結(jié)構(gòu)。如下圖4 所示。

圖4 底板傳力帶與第一道支撐之間設(shè)置中間換撐帶示意圖

方式二：不設(shè)中間換撐帶。

具體施工步驟為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上后拆除第二道支撐；（3）一次性施工完水池壁板、頂板等主體結(jié)構(gòu)，支撐與壁板相交處設(shè)止水鋼板；（4）待主體結(jié)構(gòu)施工完成并滿水試驗(yàn)合格、防水防腐涂料施工完成后，基坑肥槽回填，割除第一道支撐。如下圖5 所示。

圖5 不設(shè)中間換撐帶示意圖

以上兩種方式中：第一種方式中，換撐帶間接將外水土荷載傳遞至主體結(jié)構(gòu)外壁板，故外壁板需按懸臂工況復(fù)核計(jì)算外水土荷載作用下的配筋及裂縫，此時(shí)外壁板往往壁厚較厚或配筋率較高，造成材料浪費(fèi)，達(dá)不到工程經(jīng)濟(jì)性效果；第二種方式中，不設(shè)中間換撐帶，需在第一道支撐上設(shè)止水鋼板，往往水池內(nèi)壁板較多且布置形式較不規(guī)則，導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)止水節(jié)點(diǎn)增多，施工不便，且滲水風(fēng)險(xiǎn)增大，外壁板防水效果較難保證。

3 水池類基坑特殊條件下?lián)Q撐設(shè)計(jì)新思路

針對(duì)以上情況，利用水池內(nèi)部縱橫向隔墻或璧柱布局特點(diǎn)，提出新的換撐思路。即方式三：利用水池主體結(jié)構(gòu)的扶壁（或璧柱）、內(nèi)部縱橫向壁板作為換撐體系。

以某吸水井及二級(jí)泵房深基坑為例。吸水井為半地下式鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)，內(nèi)部被縱橫向隔墻分隔成網(wǎng)格，最大網(wǎng)格約9×6 m；二級(jí)泵房地下為帶璧柱的擋土墻式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，璧柱沿墻長間隔約6 m 布置一個(gè)作為墻板的支座。吸水井及二泵房為合建結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度10.15～11.65 m，基坑平面尺寸99.84×38.15 m。

該基坑位于長江漫灘地區(qū)，土層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土，其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚約30 m?；硬捎?0～32 m 長的φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁結(jié)合兩排φ800@500 的高壓旋噴樁止水的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，共設(shè)兩道水平支撐，第一道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，第二道為鋼結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖6。

圖6 主體結(jié)構(gòu)與支撐、換撐體系相互關(guān)系平面圖

該基坑利用吸水井縱橫向壁板隔墻及二級(jí)泵房璧柱作為換撐體系，主體結(jié)構(gòu)璧柱及內(nèi)部縱橫向壁板與基坑支護(hù)體系、換撐體系的平面相互關(guān)系如圖7?？v向璧柱或吸水井隔墻一般間距約6 m，璧柱或隔墻傳力帶的厚度同對(duì)應(yīng)璧柱或隔墻厚度，一般0.6 m或1 m。具體換撐設(shè)計(jì)為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%以上后拆除第二道支撐；（3）施工主體結(jié)構(gòu)及壁板、璧柱傳力帶至第一道支撐下0.5 m，并壁板、璧柱傳力帶做成上翻牛腿形式支撐在冠梁上，形成圍檁加支點(diǎn)的支撐體系；（4）待主體結(jié)構(gòu)及壁板、璧柱傳力帶強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后拆除第一道支撐；（5）繼續(xù)施工余下主體結(jié)構(gòu)，待主體結(jié)構(gòu)施工完成、且滿水試驗(yàn)合格、防水防腐涂料施工完成后，基坑肥槽采用中粗砂回填。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖（單位：標(biāo)高m，尺寸mm）

4 對(duì)比分析

針對(duì)特殊條件下的三種換撐設(shè)計(jì)，以上述吸水井及二級(jí)泵房深基坑為例，分別計(jì)算基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形、主體結(jié)構(gòu)外側(cè)壁板的受力。

根據(jù)三種換撐設(shè)計(jì)方式工況可知，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型、支撐布置形式一致情況下，第一、二道支撐最大反力一致，僅圍護(hù)樁及外壁板受力、變形不同。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形包絡(luò)圖如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 方式一圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖

圖9 方式二圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖

根據(jù)圖8～10 及對(duì)比表1，第一種換撐方式圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形最大，這是因?yàn)榈谝坏乐尾鸪?，支護(hù)結(jié)構(gòu)形成懸臂狀態(tài)。且該方式外水土壓力荷載水平集中作用在璧柱、壁板-1.0 m 標(biāo)高，璧柱、壁配筋增大約50%。第二種換撐方式需增加止水鋼板節(jié)點(diǎn)，防水施工較為不便，水池滲漏水風(fēng)險(xiǎn)增大。

圖10 方式三圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖

該基坑已按第三種換撐方式施工完畢，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移23.05 mm，與理論計(jì)算基本一致。主體結(jié)構(gòu)滿水試驗(yàn)一次合格，在保證主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量同時(shí)，節(jié)約工期43 d。

6 結(jié) 語

本文總結(jié)了一般及特殊條件下?lián)Q撐設(shè)計(jì)方法，并提出利用水池主體結(jié)構(gòu)的扶壁（或璧柱）、內(nèi)部縱橫向壁板作為一種換撐體系，在工程實(shí)際應(yīng)用中達(dá)到了預(yù)期效果，可為同類設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。