深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式與特點(diǎn)

王建華,左新明

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊065000;2.河北省地礦局國(guó)土資源勘查中心,河北石家莊 050081)

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)通常由圍護(hù)墻、止水帷幕、水平內(nèi)支撐系統(tǒng)(或拉錨系統(tǒng))以及豎向支承系統(tǒng)組成。常規(guī)臨時(shí)支護(hù)方法的擋土結(jié)構(gòu)需設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)外側(cè),水平支撐需避開主體結(jié)構(gòu)樓板,豎向支承立柱需避開結(jié)構(gòu)柱、梁和剪力墻位置。施工中由上而下分層開挖,并設(shè)置水平支撐(或拉錨系統(tǒng)),開挖至坑底后,由下而上施工主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)底板、豎向墻、柱構(gòu)件及水平樓板構(gòu)件,并按一定的順序拆除水平支撐系統(tǒng),進(jìn)而完成地下結(jié)構(gòu)施工。

目前我國(guó)城市基坑工程的支護(hù)方法很多,常用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注排樁、鋼板樁、SMW工法、水泥土攪拌樁擋墻、土釘及復(fù)合土釘?shù)取?/p>

每種基坑支護(hù)方式都有各自的適用條件和一定的局限性?；又ёo(hù)方案的選擇直接關(guān)系到工程造價(jià)、施工進(jìn)度及基坑周邊環(huán)境的安全?，F(xiàn)代大城市的高層建筑基坑一般較大且較深,基坑鄰近多有建筑物、道路和地下管線,施工場(chǎng)地?fù)頂D,在環(huán)境安全上又有很高要求。對(duì)于較淺的基坑可以采用土釘支護(hù)尤其是復(fù)合土釘支護(hù)或者水泥土攪拌樁自立式支護(hù)結(jié)構(gòu);較深的基坑可以采用灌注排樁擋墻或地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),輔以多道內(nèi)支撐或者多道錨桿的圍護(hù)形式。

1 常規(guī)臨時(shí)支護(hù)方法存在的問(wèn)題

對(duì)于埋置較深的地下結(jié)構(gòu),采用常規(guī)的臨時(shí)支護(hù)方法存在如下的問(wèn)題:

(1)深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)的埋置深度很大,基坑的內(nèi)支撐用量大。一方面需用大量的混凝土和鋼材,圍護(hù)結(jié)構(gòu)工程費(fèi)用巨大;另一方面也增加了地下結(jié)構(gòu)施工的難度。

(2)臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)較小,支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形較大,易引起基坑周圍地表沉降,危害附近的建(構(gòu))筑物、地下管線和道路的正常使用,較難滿足環(huán)境保護(hù)要求非常嚴(yán)格的情況。

(3)傳統(tǒng)方法的內(nèi)支撐需要拆除,浪費(fèi)了大量的人力、物力和社會(huì)資源?，F(xiàn)代高層和超高層建筑往往需設(shè)置2～3層地下室;地鐵車站通常也至少需要開挖2～3層地下室;大型地下變電站開挖深甚至超過(guò)30m,因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工程費(fèi)用巨大,有的甚至達(dá)到上億元。在這種情況下基坑的支護(hù)全部采用臨時(shí)結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生非常大的浪費(fèi)。

(4)臨時(shí)支撐拆除過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的二次受力和二次變形也將不同程度地對(duì)環(huán)境造成進(jìn)一步的影響。

針對(duì)常規(guī)臨時(shí)支護(hù)方法存在的上述不足之處,考慮將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合,即在施工期間利用地下結(jié)構(gòu)的外墻或地下結(jié)構(gòu)的梁、板、柱兼作基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu),不設(shè)置或僅設(shè)置部分臨時(shí)圍護(hù)體系,則不但減少浪費(fèi),還能更有效地控制基坑的變形,其技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)非常顯著。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的類型

在支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑工程中,支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)結(jié)合包括3種方式,即:地下室外墻與圍護(hù)墻體相結(jié)合、結(jié)構(gòu)水平梁板構(gòu)件與水平支撐體系相結(jié)合、結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件與支護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向支承系統(tǒng)相結(jié)合。

2.1 墻體相結(jié)合

通常采用地下連續(xù)墻作為主體地下室外墻與圍護(hù)墻的結(jié)合。墻體結(jié)合的設(shè)計(jì)與計(jì)算需要考慮地下連續(xù)墻在施工期、竣工期和使用期不同荷載作用狀況和結(jié)構(gòu)狀態(tài),應(yīng)同時(shí)滿足各種情況下承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。兩墻合一的接頭設(shè)計(jì)包括施工接頭(槽段接頭)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)接頭(與主體結(jié)構(gòu)的連接)設(shè)計(jì),接頭設(shè)計(jì)需滿足主體結(jié)構(gòu)受力及變形要求,特別是要保證新老混凝土接縫處的剪力傳遞,并設(shè)置可靠的抗?jié)B和止水措施。兩墻合一通常采用現(xiàn)澆地下連續(xù)墻,施工質(zhì)量上存在一些不穩(wěn)定因素,影響到墻體的抗?jié)B和受力性能。從發(fā)展角度來(lái)看,預(yù)制地下連續(xù)墻以其穩(wěn)定的施工質(zhì)量將部分替代現(xiàn)澆地下連續(xù)墻。

2.2 水平構(gòu)件相結(jié)合

主體結(jié)構(gòu)的水平構(gòu)件作為內(nèi)支撐,支撐剛度大,圍護(hù)墻變形相對(duì)較小,適合逆作施工。地下室結(jié)構(gòu)樓板作為內(nèi)支撐系統(tǒng),可采用梁板體系、無(wú)梁樓蓋體系或結(jié)構(gòu)樓板后施工的框架梁體系。由于需要考慮內(nèi)部向下挖土施工,前兩種均需要在結(jié)構(gòu)樓板上設(shè)置一定數(shù)量的出土口,而后一種挖土更便捷,但由于樓板需二次施工,板梁接縫處需設(shè)置可靠的止水措施。地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件作為內(nèi)支撐應(yīng)分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,并應(yīng)同時(shí)滿足施工期和使用期的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)結(jié)構(gòu)梁板兼作施工用臨時(shí)平臺(tái)或棧橋時(shí),其構(gòu)件設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工動(dòng)力荷載的作用。對(duì)樓板預(yù)留孔應(yīng)驗(yàn)算孔口處的應(yīng)力和變形,必要時(shí)應(yīng)設(shè)置孔口邊梁。地下結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件(梁板等構(gòu)件)與地下連續(xù)墻的連接,應(yīng)滿足主體結(jié)構(gòu)受力及變形要求,按整體連接剛性構(gòu)造設(shè)計(jì),均應(yīng)設(shè)置止水構(gòu)造。

2.3 豎向構(gòu)件相結(jié)合

當(dāng)主體結(jié)構(gòu)水平構(gòu)件結(jié)合支撐系統(tǒng)時(shí),豎向立柱和立柱樁可采用臨時(shí)立柱和與主體結(jié)構(gòu)工程樁相結(jié)合的立柱樁(一柱多樁)或與主體結(jié)構(gòu)柱及工程樁相結(jié)合的立柱和立柱樁(一柱一樁)。當(dāng)采用臨時(shí)立柱時(shí),可在地下室結(jié)構(gòu)施工完成后,拆除臨時(shí)立柱,完成主體結(jié)構(gòu)柱的托換。當(dāng)結(jié)合主體結(jié)構(gòu)柱時(shí),可采用角鋼格構(gòu)柱、H型鋼柱、鋼管柱或鋼管混凝土柱。角鋼格構(gòu)柱、H型鋼柱通常在基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)施工后需再澆筑外包混凝土,通常需在板上預(yù)留澆筑孔,在正常使用階段立柱可作為勁性構(gòu)件與混凝土共同作用。

若按照支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的程度進(jìn)行區(qū)分,則可將支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的基坑工程歸為三大類,即:

(1)周邊地下連續(xù)墻“兩墻合一”結(jié)合坑內(nèi)臨時(shí)支撐系統(tǒng)。只采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)墻和結(jié)構(gòu)外墻(兩墻合一),坑內(nèi)設(shè)置臨時(shí)支撐和臨時(shí)立柱,基坑開挖至基底,完成主體地下結(jié)構(gòu)底板后,再對(duì)地下主體結(jié)構(gòu)由下向上順作施工。

(2)周邊臨時(shí)圍護(hù)體結(jié)合坑內(nèi)水平梁板體系替代支撐?；又苓叢珊团R時(shí)圍護(hù),地下結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐,臨時(shí)圍護(hù)體與內(nèi)部結(jié)構(gòu)梁板之間設(shè)置傳力構(gòu)件,在結(jié)構(gòu)柱位置以格構(gòu)柱替代,逆作法施工,在基礎(chǔ)底板施工后,再向上施工未完成的結(jié)構(gòu)外墻以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)墻、柱等豎向構(gòu)件。

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合。采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為圍護(hù)體,地下結(jié)構(gòu)梁板作為水平支撐,在結(jié)構(gòu)柱位置以格構(gòu)替代,逆作施工,在基礎(chǔ)底板施工后,再向上施工內(nèi)部結(jié)構(gòu)墻、柱等豎向構(gòu)件。

以上支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體工程相結(jié)合的三種類型,均已在大量工程中得到充分的應(yīng)用和發(fā)展,并已積累了較為豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。其中第一種類型實(shí)際上為采用“兩墻合一”的順作設(shè)計(jì)施工方法,該類型與常規(guī)臨時(shí)支護(hù)設(shè)計(jì)方法中主要區(qū)別在于結(jié)構(gòu)外墻與圍護(hù)墻合二為一,而不另外設(shè)置臨時(shí)圍護(hù)墻;第二、三種類型即為逆作法施工。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)與適用范圍

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)的臨時(shí)支護(hù)方法相比,采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)施工方法施工高層和超高層建設(shè)的深基坑和地下結(jié)構(gòu)具有諸多的優(yōu)點(diǎn):

(1)由于可同時(shí)向地上和地下施工因而可以縮短工程的施工工期;

(2)水平梁板支撐剛度大,擋土安全性高,圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形小,對(duì)周圍的環(huán)境影響小;

(3)采用封閉逆作法施工,施工現(xiàn)場(chǎng)文明;

(4)已完成的地面層可充分利用,地面層先行完成,無(wú)需架設(shè)棧橋,可作為材料堆置場(chǎng)或施工作業(yè)場(chǎng);

(5)避免了采用臨時(shí)支撐的浪費(fèi)現(xiàn)象,工程的經(jīng)濟(jì)效益顯著,有利于實(shí)現(xiàn)基坑工程的可持續(xù)發(fā)展等。

3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合適用范圍

(1)大面積的地下工程,一般邊長(zhǎng)大于100m的大基坑更為合適;

(2)大深度的地下工程,一般大于或等于2層的地下室更為合適;

(3)復(fù)雜形狀的地下工程;

(4)周邊狀況苛刻,對(duì)環(huán)境要求很高的地下工程;

(5)作業(yè)空間較小和上部結(jié)構(gòu)工期要求緊迫的地下工程。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合在國(guó)外的應(yīng)用狀況

1933年日本首次提出了逆作法施工的概念,并于1935年應(yīng)用于東部都千代田區(qū)第一生命保險(xiǎn)相互會(huì)社本社大廈的建設(shè),該工程成為第一個(gè)采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法施工的工程。1950年意大利開發(fā)了地下連續(xù)墻技術(shù),隨后其應(yīng)用范圍便逐漸擴(kuò)大,1954年歐洲其他國(guó)家、1956年南非、1957年加拿大、1959年日本、1962年美國(guó)相繼采用了地下連續(xù)墻技術(shù)。地下連續(xù)墻技術(shù)的應(yīng)用及工程施工機(jī)械化程度的提高有力地推動(dòng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用,并在日本、美國(guó)、英國(guó)等國(guó)家取得了較大的發(fā)展。支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合出岔子在高層建設(shè)地下室的建筑中采用以外,還較多地應(yīng)用于地鐵車站的建設(shè)。自20世紀(jì)50年代末意大利米蘭地鐵首次采用逆作法以來(lái),歐洲、美國(guó)、日本等許多國(guó)家的地鐵車站都用該方法建造。國(guó)外采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合并采用逆作法施工的深基坑工程的部分案例見表1。

4.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用狀況

在國(guó)內(nèi),1955年哈爾濱地下人防工程中首次應(yīng)用了逆作法的施工工藝,隨后在20世紀(jì)70～80年代對(duì)逆作法施工進(jìn)行了研究和探索。1989年建設(shè)的上海特種基礎(chǔ)工程研究所辦公樓,地下2層,采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)全面相結(jié)合的支護(hù)方式,是上海也是全國(guó)第一個(gè)采用封閉式逆作法施工的工程。雖然該工程建設(shè)規(guī)模不大,但對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的施工方法作了可貴的探討,使主體結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)和施工方法的推廣應(yīng)用有了良好的開端。20世紀(jì)90年代上海地鐵一號(hào)線的常熟路站、陜西南路站和黃陂南路站3個(gè)地鐵車站成功實(shí)踐了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方式,進(jìn)一步推動(dòng)了其在上海地區(qū)更多基坑工程中的應(yīng)用。與此同時(shí),國(guó)內(nèi)其他地區(qū)如北京、廣州、杭州、天津、深圳等地也都開始應(yīng)用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方式。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),隨著大城市的基坑向“大、深、緊、近”的方向發(fā)展和環(huán)境保護(hù)要求的提高,支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方式在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展,成為軟土地區(qū)和環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)格條件下基坑支護(hù)的重要方法。我國(guó)的臺(tái)灣地區(qū)和香港特別行政區(qū)也有很多基坑工程嘗試采用了支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)工程相結(jié)合的方法。表2列出了國(guó)內(nèi)采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合并采用逆作法施工的的部分案例。

表1 國(guó)外采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合并用逆作法施工的部分工程實(shí)例

表2 國(guó)內(nèi)采用支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合并采用逆作法施工的部分工程實(shí)例

5 結(jié)語(yǔ)

支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)方式應(yīng)用于2層以上的地下室甚至是8層的地下室,其深度也從幾米到幾十米,并且應(yīng)用范圍也從高層建筑地下室拓展到了地鐵車站、市政、人防工程等領(lǐng)域。該支護(hù)方法在這些工程的成功應(yīng)用取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,得到了工程界越來(lái)越多的重視,并成為一項(xiàng)很有發(fā)展前途和推廣價(jià)值的深基坑支護(hù)技術(shù),相信在以后的深基坑施工中會(huì)發(fā)揮出更大的作用。

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