復(fù)雜環(huán)境下超大面積深基坑工程異步拆換撐設(shè)計(jì)*

金曉飛,李 靖,翁其平,劉若彪,趙艷波

(1.中國建筑一局(集團(tuán))有限公司,北京 100161; 2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司上海地下空間與工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200002; 3.上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心,上海 200002)

0 引言

近年來,隨著我國城市地下空間開發(fā)利用的快速發(fā)展,城市建設(shè)中超深超大規(guī)模的基坑工程也越來越多。中心城區(qū)進(jìn)行深大基坑工程施工,一方面要通過合理的基坑支護(hù)形式來確保基坑自身安全;另一方面,基坑施工過程中更要采用合理的變形控制措施以減小基坑開挖施工對周邊環(huán)境的影響。近年來,隨著城市建設(shè)的不斷完善,基坑工程周邊往往存在著地鐵、保護(hù)建筑、地下管線等重要保護(hù)對象,基坑設(shè)計(jì)施工的難度也隨之愈來愈大。與此同時(shí),建設(shè)單位為加快資金回籠,往往對工期提出較高要求。如何在確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全的前期下,通過合理的技術(shù)手段縮短工期也是基坑設(shè)計(jì)單位需要重點(diǎn)考慮的問題。

昆明綜合交通國際樞紐項(xiàng)目位于昆明市官渡區(qū)核心區(qū)域,南側(cè)緊貼地鐵6號線東郊路站,東側(cè)鄰近地鐵4號線菊花村站,西側(cè)鄰近云南省交通醫(yī)院和多棟多層老舊居民樓,周邊環(huán)境保護(hù)要求極高。基坑總面積近6萬m2,普遍區(qū)域挖深超過18 m,屬于深大基坑工程。同時(shí)該項(xiàng)目業(yè)主對塔樓工期提出了極高的要求。本文結(jié)合昆明綜合交通國際樞紐項(xiàng)目基坑工程,歸納總結(jié)中心城區(qū)深大基坑的變形控制方法和縮短工期措施,在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新性采用異步拆換撐的技術(shù)手段進(jìn)一步滿足了建設(shè)單位嚴(yán)格的工期目標(biāo)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主體建筑包含4棟高層住宅塔樓、2棟超高層塔樓,裙樓為7層/8層商業(yè)體。普遍設(shè)3層地下室,局部與6號線東郊路站相接側(cè)地下室為2層,整體采用樁筏基礎(chǔ)形式?；涌偯娣e約為56 958 m2,周邊延長米約1 084 m?；臃譃锳,B兩個(gè)區(qū),其中A區(qū)基坑面積為56 110 m2,開挖深度17.7～20.5 m;B區(qū)基坑面積為848 m2,開挖深度13.4 m。基坑各區(qū)域分布如圖1所示。基坑總體實(shí)施順序?yàn)橄仁┕區(qū)基坑,待A區(qū)基坑施工完成后再開挖實(shí)施B區(qū)小基坑。B區(qū)基坑設(shè)計(jì)施工難度較小,因此本文主要介紹A區(qū)基坑支護(hù)技術(shù)。

圖1 基坑分區(qū)示意Fig.1 Foundation excavation zoning

1.2 周邊環(huán)境概況

本工程場地周邊環(huán)境條件十分復(fù)雜,基坑南側(cè)緊貼地鐵6號線東郊路站及其附屬出入口,基坑距離地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道最近距離僅13 m;基坑距離南側(cè)東郊路高架最近約44.6 m;東側(cè)鄰近新建4號線菊花村站,基坑距離地鐵車站及其附屬出入口最近距離分別為53.7 m和10.4 m,此外基坑?xùn)|側(cè)還存在一條新建的清水河明渠,該明渠距離基坑開挖邊線約30 m。基坑北側(cè)為現(xiàn)狀金汁河,基坑與金汁河最近距離約35.2 m?；游髂蟼?cè)為云南省交通醫(yī)院和多棟多層老舊居民樓,云南省交通醫(yī)院為22層高層建筑并設(shè)有1層地下室,居民樓為5～8層混合結(jié)構(gòu)建筑,與基坑最近距離約13.7 m。

1.3 工程地質(zhì)條件

本工程地處昆明斷陷盆地北東部的沖湖積平原與沖湖積臺(tái)地的過渡地段,屬湖相沉積盆地地貌。土層參數(shù)如表1所示,表層為第四系人工堆積層,淺部為第四系全新統(tǒng)沖洪積層,下部為第四系上更新統(tǒng)沖湖積層,巖性為黏性土、粉土、圓礫等。其中,⑤層及以上地層處于基坑開挖范圍之內(nèi),⑦層以上地層處于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固范圍之內(nèi)。

表1 土層參數(shù)Table 1 Parameters of soil

地下水以孔隙潛水為主,賦存于圓礫、粉砂層中;其中④1圓礫層、⑤2圓礫層、⑥4礫砂層為含(透)水層,④1圓礫層分布范圍較廣,層厚較大,大部分位于基坑開挖深度范圍內(nèi)。⑤2層、⑥4層埋深較大,且連續(xù)性較差,結(jié)構(gòu)密實(shí),有黏性土、粉砂充填,對基坑工程影響較小;此外場內(nèi)的粉土層(④層、⑤層、⑥1層、⑦1層)為富水性及滲透性較弱的相對含(透)水層,其中④層、⑤層粉土局部漸變?yōu)榉凵?富水性、滲透性稍強(qiáng),而其他各黏性土層均屬相對隔水層。本項(xiàng)目孔隙潛水具有微承壓性,承壓水含水層以圓礫層為主,承壓水頭受場地內(nèi)圓礫層的分布控制,承壓水頭介于現(xiàn)狀地表以下4～5 m。

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)施方案

2.1 總體支護(hù)方案

本工程基坑屬于超大面積深基坑工程,且周邊環(huán)境條件十分復(fù)雜,因此需采取可靠的基坑支護(hù)形式以確?；蛹爸苓叡Ｗo(hù)建(構(gòu))筑物的安全。基坑原設(shè)計(jì)單位總體采用順作法實(shí)施方案,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用大剛度地下連續(xù)墻,并設(shè)置3道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)。

2.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑普遍區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面如圖2所示,普遍區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.0 m厚地下連續(xù)墻,西側(cè)靠近交通醫(yī)院及多棟多層居民樓側(cè)為加強(qiáng)對醫(yī)院及住宅的保護(hù),采用1.2 m厚地下連續(xù)墻。本工程地下連續(xù)墻西側(cè)和南側(cè)采用兩墻合一設(shè)計(jì),即地下連續(xù)墻兼作永久地下室外墻的一部分,東側(cè)和北側(cè)采用臨時(shí)地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻混凝土強(qiáng)度等級為C30。本工程地層起伏較大,因此地下連續(xù)墻插入深度22～36 m。本工程周邊環(huán)境保護(hù)要求高,因此地下連續(xù)墻槽段接頭采用H型鋼接頭構(gòu)造,以提高地下連續(xù)墻的止水可靠性,防止坑內(nèi)降水造成坑外水位降低,避免造成周邊保護(hù)建(構(gòu))筑物產(chǎn)生沉降變形。同時(shí)采用H型鋼接頭構(gòu)造也可以減小采用常規(guī)鎖口管或接頭箱的起拔難度。

圖2 普遍區(qū)域基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地層剖面Fig.2 General area foundation excavation support structure and stratum profile

2.3 支撐體系

為加強(qiáng)對周邊環(huán)境的保護(hù),本基坑豎向設(shè)置3道水平支撐,并采用了現(xiàn)澆鋼筋混凝土支撐結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土支撐具有整體性好、支撐剛度大的特點(diǎn),有利于基坑變形控制。同時(shí)相比于鋼支撐系統(tǒng),混凝土支撐具有不會(huì)因節(jié)點(diǎn)松動(dòng)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的優(yōu)點(diǎn)。此外混凝土支撐施工工藝已十分成熟,質(zhì)量易于保證。基坑水平支撐體系的布置形式采用了“組合圓環(huán)結(jié)合對撐角撐”體系,支撐布置如圖3所示。本工程支撐體系在確保支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的基礎(chǔ)上,最大限度避讓了辦公塔樓以及住宅塔樓的主要豎向構(gòu)件(除了1號住宅未完全避開)。當(dāng)基坑開挖至基底并完成基礎(chǔ)底板的情況下,原設(shè)計(jì)除1號住宅外,其余辦公塔樓以及住宅塔樓均可以快速向上施工,大幅縮短了項(xiàng)目總工期。同時(shí)辦公樓及住宅盡早施工出地面也有利于業(yè)主盡早銷售回籠資金,滿足了業(yè)主的開發(fā)建設(shè)要求。

圖3 首道支撐平面布置Fig.3 Plan of the first support floor

本工程將首道支撐系統(tǒng)中的部分桿件進(jìn)行加強(qiáng),并增加臨時(shí)立柱,從而首道支撐可兼作施工棧橋使用,方便施工。圖3中陰影范圍表示施工棧橋,在此基礎(chǔ)上,本基坑還在南側(cè)大圓環(huán)中部設(shè)置了1條單獨(dú)的下坑坡道,可以有效提高基坑土方挖運(yùn)及材料運(yùn)輸效率,有利于進(jìn)一步縮短工期。

3 異步拆換撐設(shè)計(jì)

3.1 異步拆換撐設(shè)計(jì)思路

本工程的原設(shè)計(jì)支撐體系有效避讓了除1號住宅外所有塔樓的豎向構(gòu)件,滿足了其余塔樓的施工工期要求。后業(yè)主考慮將1號住宅區(qū)域支撐局部拆除,以方便1號住宅可以快速向上施工主體結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步加快1號住宅的施工效率,創(chuàng)新性提出異步拆換撐的設(shè)計(jì)思路。異步拆換撐總體施工順序如下:①待基礎(chǔ)底板完成后首先拆除1號住宅區(qū)域第3道支撐,施工該區(qū)域B2板;②待1號住宅區(qū)域B2板施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后提前拆除該位置第2道混凝土支撐,繼續(xù)向上施工B1板;③待1號住宅區(qū)域B1板施工完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后提前拆除該位置首道混凝土支撐,繼續(xù)向上施工B0板及地上結(jié)構(gòu)。提前拆除第2道支撐和首道支撐范圍如圖4所示。

圖4 1號住宅區(qū)域提前拆除第2道及首道支撐范圍Fig.4 The scope for the early demolition of the second and the first support in the No.1 residential area

采用異步拆換撐的設(shè)計(jì)方案主要存在以下兩方面問題:①第2道混凝土支撐需要在B2板整體施工完成前提前拆除1號住宅范圍內(nèi)支撐桿件,首道混凝土支撐需要在B1板整體施工完成前提前拆除1號住宅范圍內(nèi)支撐桿件,這勢必引起原有支撐在平面上不完整,要妥善解決支撐體系受力問題;②提前施工的1號住宅區(qū)域B2板及B1板需要利用有限跨結(jié)構(gòu)來平衡坑外水土壓力。

3.2 先行拆撐復(fù)核驗(yàn)算

異步拆換撐方案中,先期拆除支撐范圍僅限于1號住宅所對應(yīng)位置的圓環(huán)支撐及連桿(見圖4a),臨近位置對撐及八字撐需整體保留。在此基礎(chǔ)上,首先應(yīng)采用桿系有限元的方法對拆除部分支撐后的剩余支撐體系進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。第2道支撐所受圍壓按底板完成后第3道支撐全部拆除工況考慮,其受力相比于首道支撐明顯更為不利,因此本文以第2道支撐變形受力計(jì)算為例進(jìn)行介紹。第2道支撐部分拆除后變形和內(nèi)力受影響區(qū)域主要集中于臨近的對撐及圓環(huán)撐區(qū)域。結(jié)合該工況的計(jì)算分析結(jié)果,需要對部分支撐桿件進(jìn)行加強(qiáng)處理,并在臨近的對撐及圓環(huán)撐區(qū)域設(shè)置臨時(shí)封板進(jìn)行加強(qiáng)處理,以保證支撐體系受力的可靠性。

3.3 有限跨樓板換撐受力復(fù)核驗(yàn)算

1號住宅區(qū)域支撐拆除后可施工樓板范圍如圖5所示。經(jīng)復(fù)核驗(yàn)算,為滿足該有限跨結(jié)構(gòu)的受力變形要求,該結(jié)構(gòu)需采取如下加強(qiáng)措施:①后澆帶范圍在常規(guī)設(shè)置型鋼換撐的基礎(chǔ)上,需進(jìn)一步設(shè)置封板構(gòu)造,以改善樓板的受力狀態(tài);②北側(cè)地下連續(xù)墻為臨時(shí)圍護(hù)墻,為保證傳力順暢,需將北側(cè)地下室外墻外側(cè)換撐板帶先行全部封閉,待地下結(jié)構(gòu)完成后再局部鑿除,回填肥槽;③局部汽車坡道、電梯等樓板局部缺失區(qū)域需設(shè)置封板或換撐桿件,同時(shí)對于局部拉應(yīng)力集中的區(qū)域增加板內(nèi)配筋;④在先期施工結(jié)構(gòu)樓板的基礎(chǔ)上,東北角和東南角增設(shè)臨時(shí)支撐桿件(腰梁及邊梁截面1.3 m×0.7 m、角撐截面0.8 m×0.7 m,如圖5中圓圈所示范圍),臨時(shí)支撐需覆蓋至第2道支撐鄰近對撐位置。

圖5 先行施工樓板范圍及臨時(shí)支撐示意Fig.5 The scope and temporary support of the pre-constructed floor slab

在此基礎(chǔ)上,利用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS對加強(qiáng)處理后的結(jié)構(gòu)樓板進(jìn)行模擬分析,經(jīng)驗(yàn)算該有限跨結(jié)構(gòu)的變形計(jì)算結(jié)果如圖6所示,結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示,均滿足規(guī)范要求。

圖6 有限跨結(jié)構(gòu)變形計(jì)算結(jié)果Fig.6 Calculation results of finite span structure deformation

圖7 有限跨結(jié)構(gòu)樓板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig.7 Calculation results of floor stress in finite span structures

4 結(jié)語

本文以昆明綜合交通國際樞紐項(xiàng)目為背景,基于項(xiàng)目原支撐體系提出異步拆換撐的設(shè)計(jì)思路,并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算及分析,得出以下結(jié)論。

1)通過采用異步拆換撐的設(shè)計(jì)方案,能夠?qū)崿F(xiàn)支撐局部拆除,即1號住宅塔樓區(qū)域的第2道支撐和首道支撐先于其他區(qū)域進(jìn)行拆撐,并進(jìn)行1號住宅主體結(jié)構(gòu)施工,滿足業(yè)主指定區(qū)域主體結(jié)構(gòu)快速向上施工的要求,大幅度縮短施工工期。

2)針對異步拆換撐設(shè)計(jì)方案面臨的支撐體系受力、有限跨結(jié)構(gòu)來平衡坑外水土壓力兩大主要問題,本項(xiàng)目開展部分支撐拆除后剩余支撐體系的受力變形驗(yàn)算、先期施工的有限跨結(jié)構(gòu)承載及變形驗(yàn)算,結(jié)果表明異步拆換撐滿足受力要求,拆換撐方案可行。該分析過程為有同樣需求的項(xiàng)目提供了參考及借鑒。