換撐施工技術(shù)在武漢復(fù)地深基坑工程中的應(yīng)用

賈 凱，徐國興 ，王翠英

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430300)

隨著基坑開挖規(guī)模的增大，深基坑工程中支護(hù)與換撐的設(shè)計(jì)和施工也越來越復(fù)雜；深基坑中的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)支擋水土壓力和附加荷載，為施工提供了安全的作業(yè)環(huán)境，當(dāng)?shù)叵轮黧w結(jié)構(gòu)施工到一定階段時，不得不拆除相應(yīng)的內(nèi)支撐，通過換撐將基坑支護(hù)樁上的作用力轉(zhuǎn)移到地下結(jié)構(gòu)外墻上，實(shí)質(zhì)上是應(yīng)力有序轉(zhuǎn)移與重分布的過程。許多學(xué)者對深基坑拆、換撐進(jìn)行了研究，朱小軍、成關(guān)鋒、高文華等[1-2]認(rèn)為軟土深基坑工程拆撐變形不僅關(guān)系到基坑本身的穩(wěn)定和安全，并對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的影響；范廣軍等[4]研究了圓管鋼支撐作為傳力帶在主體結(jié)構(gòu)和維護(hù)結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)用，從而保證基坑側(cè)壁及基坑周圍既有建筑物安全穩(wěn)定；夏喬網(wǎng)[5]對深基坑工程內(nèi)襯結(jié)構(gòu)替代換撐支護(hù)進(jìn)行了分析；陳安東[6]研制了一種新型的定型化換撐體系,該裝置適用于地下結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離較近的換撐施工,且安裝簡便,可循環(huán)使用；簡述了支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下室底板、各部位拆、換撐工況等。筆者以武漢復(fù)地深基坑項(xiàng)目為依托，分析了本項(xiàng)目第二道內(nèi)支撐拆除后，換撐部位距第一道支撐結(jié)構(gòu)的距離達(dá)11.45 m，故在基礎(chǔ)底板的四周設(shè)置上翻換撐牛腿的施工技術(shù)，以減小支撐點(diǎn)間距控制支護(hù)樁變形；第一道支撐拆除后，支護(hù)樁懸臂擋土5.2 m，為換撐時最不利工況，采用天漢軟件計(jì)算了支護(hù)樁位移、彎矩、剪力，分析其安全性；此文的換撐施工技術(shù)對類似深基坑拆、換撐具有一定的借鑒作用。

1 換撐施工設(shè)計(jì)

當(dāng)基坑開挖至基底時需澆筑基礎(chǔ)底板進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)的施工，然后由下而上逐層拆除基坑中的內(nèi)支撐，進(jìn)行下一步的施工。在支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)外墻之間存在一個巷道，為保障在拆除最下面的一道內(nèi)支撐之后支護(hù)結(jié)構(gòu)能順利安全地將作用在其上的土壓力重新分配傳遞給基礎(chǔ)底板，需在地下結(jié)構(gòu)外墻與維護(hù)體之間設(shè)置換撐結(jié)構(gòu)。

深基坑內(nèi)支撐的換撐方法主要有以下三種：

1)剛性結(jié)構(gòu)的換撐，主要優(yōu)點(diǎn)是施工簡便，經(jīng)濟(jì)效益好，但與支護(hù)體的接觸點(diǎn)選擇不明確，不能大范圍使用。

2)素混凝土回填的換撐，主要特點(diǎn)是施工便利、經(jīng)濟(jì)效益好。由于混凝土抗壓性能較好，抗拉性能較差，故通常運(yùn)用于只承擔(dān)壓應(yīng)力的部位。

3)鋼筋混凝土換撐，可以承受一定的荷載，有較好的抗彎性能，其結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)明確，施工過程安全可靠，且能夠減小不均勻沉降。故用于地下結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的換撐。

換撐設(shè)計(jì)包括兩部分：①地下結(jié)構(gòu)外墻與基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)間的換撐設(shè)計(jì)；②后澆帶、車道、設(shè)備吊裝口處和樓梯口等水平不連續(xù)部位的換撐設(shè)計(jì)。

1.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)底板之間的換撐

當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)底板厚度大于1000 mm時，若在換撐部位設(shè)置同厚度的素混凝土，換撐結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致混凝土的用量增加，提高造價。因此換撐板帶厚度只需滿足傳力要求即可,其余部位可用磚模和回填砂來填充。若其中一道內(nèi)支撐拆除之后，換撐部位距其它支撐結(jié)構(gòu)的拆、換撐距離較大，使支護(hù)結(jié)構(gòu)的計(jì)算跨徑過大，其變形難以滿足設(shè)計(jì)要求時。在基礎(chǔ)底板四周設(shè)置高出底板的上翻牛腿，以達(dá)到減小支護(hù)體系計(jì)算跨度和變形的目的；牛腿換撐結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)底板鋼筋混凝土牛腿換撐

1.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下各層結(jié)構(gòu)之間的換撐

同時將換撐板帶和相應(yīng)的地下結(jié)構(gòu)施工完成后即可拆除上方的內(nèi)支撐。換撐板帶和地下結(jié)構(gòu)采用同標(biāo)號的混凝土并適當(dāng)配筋(圖2)。

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下各層結(jié)構(gòu)間的換撐板帶

因換撐板帶需承受施工人員的作業(yè)荷載以及換撐板帶的自重荷載，同時為了減小在正常使用階段支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下主體結(jié)構(gòu)之間的不均勻沉降，故在支護(hù)樁與外墻之間設(shè)置低壓縮性的隔離層并在換撐板帶上設(shè)置吊筋以克服豎向承載力給換撐板帶來的不利影響，同時錨入結(jié)構(gòu)外墻的鋼筋需交叉連接(圖3)。換撐板帶上應(yīng)間隔6 m左右設(shè)置截面尺寸不小于800×1000 mm人工上下出入口，以便于工人出入孔道對地下結(jié)構(gòu)外墻進(jìn)行模板拆除、外墻防水和后期對巷道進(jìn)行密實(shí)回填等施工作業(yè)(圖4)。

圖3 換撐板帶配筋詳圖

圖4 換撐板帶圖

1.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)與后澆帶、結(jié)構(gòu)開口之間的換撐

當(dāng)建筑物過長便于伸縮或控制高低建筑間差異沉降的需要，應(yīng)設(shè)置后澆帶，在地下結(jié)構(gòu)后澆帶部位可采用小截面的工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力。在結(jié)構(gòu)的缺失部位如車道、設(shè)備吊裝口處和樓梯口等需設(shè)置臨時的水平支撐(如鋼筋混凝支撐或鋼管支撐)以傳遞中斷的水平力。待整個結(jié)構(gòu)施工完成形成了整體剛度，且支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)外墻之間的間隙全部回填密實(shí)后，方可拆除。

2 拆、換撐工況轉(zhuǎn)換過程及卸荷原則

若地下室設(shè)置有三層，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中常采用兩道內(nèi)支撐；換撐施工工況向設(shè)計(jì)工況轉(zhuǎn)換的過程為：當(dāng)結(jié)構(gòu)底板完成后，整個支護(hù)體系完成第一次內(nèi)力轉(zhuǎn)換，即在支護(hù)樁基坑底深度處增加了一道水平底板支撐，為第一次換撐；當(dāng)?shù)叵露訕前鍧仓瓿刹⑦_(dá)到強(qiáng)度后，通過現(xiàn)澆板帶將地下結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁連接，拆除第一道支撐，為第二次換撐。每次換撐將支撐切除，使原支撐承擔(dān)的內(nèi)力轉(zhuǎn)換到永久結(jié)構(gòu)上，完成施工工況向設(shè)計(jì)工況的轉(zhuǎn)化。由于每層結(jié)構(gòu)板與原有支撐存在距離差，支撐點(diǎn)跨度過大，內(nèi)力轉(zhuǎn)換時存在安全隱患，因此，每次切除內(nèi)支撐時，必須采用對稱、分區(qū)、切割、靜爆的方式進(jìn)行。具體卸荷原則如下：

1)先澆筑支撐梁下的梁板混凝土，待樓板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%，再拆除樓板標(biāo)高以上的支撐結(jié)構(gòu)；

2)支撐梁應(yīng)從下至上逐層拆除，平面上需對稱交叉進(jìn)行；

3)按照先拆除支撐梁及其系桿，后拆除支撐柱的順序進(jìn)行。

3 深基坑內(nèi)支撐拆除施工及結(jié)構(gòu)本體的加強(qiáng)措施

基坑工程采用“先機(jī)械切割、后靜態(tài)爆破，切割釋放應(yīng)力、靜爆分離混凝土”的方法，即“切割+靜爆”法進(jìn)行鋼筋混凝土內(nèi)支撐的拆除。支撐梁拆除時，應(yīng)對結(jié)構(gòu)本體采取加強(qiáng)措施(表1)。圖5為支撐梁拆除時機(jī)械切割及靜態(tài)爆破圖。

表1 支撐梁拆除時結(jié)構(gòu)本體加強(qiáng)措施

圖5 支撐梁拆除時機(jī)械切割及靜態(tài)爆破照片

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況及支護(hù)方案

武漢復(fù)地漢正街東片項(xiàng)目位于江漢區(qū)中山大道南側(cè)美奇國際廣場對面，地下室共三層，開挖面積約48926.0 m2，開挖周長約926.0 m；基坑普挖深度和塔樓區(qū)域開挖深度分別為場地標(biāo)高下13.60 m和16.500～17.000 m?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，其東側(cè)為規(guī)劃大道，南側(cè)為長堤街和民房，西側(cè)為多福路，北側(cè)為中山大道?；又ёo(hù)方案為“單排樁+兩道臨時鋼筋混凝土支撐，雙排樁+一道臨時鋼筋混凝土支撐，局部區(qū)域采用雙排樁+被動區(qū)加固留土”，單排樁為Φ1200 mm@1600 mm鉆孔灌注樁排樁，樁后采用一排800 mmTRD連續(xù)墻作為止水帷幕，坑內(nèi)采用中深井疏干降水。圖6為支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖。

圖6 基坑周邊環(huán)境及支撐平面

取東側(cè)段的換撐分析；該段采用單排樁+兩道臨時鋼筋混凝土支撐，兩道支撐分別在標(biāo)高-2.15 m及-7.65 m處，第一層支撐距離地下二層樓面3.05 m，第二層支撐距離地下三層樓面1.45 m。

4.2 換撐施工設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目地下室主體結(jié)構(gòu)按常規(guī)施工工藝施工；地下負(fù)三層結(jié)構(gòu)的換撐如下：

工況1：支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下負(fù)三層結(jié)構(gòu)的換撐，待基礎(chǔ)底板和地下負(fù)三層結(jié)構(gòu)澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)板與支護(hù)樁之間通過現(xiàn)澆板帶進(jìn)行內(nèi)力轉(zhuǎn)換后，方可拆除第二道支撐(圖7)；

工況2：支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下負(fù)二層結(jié)構(gòu)的換撐，需待地下負(fù)二層結(jié)構(gòu)澆筑完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，在結(jié)構(gòu)板與支護(hù)樁之間通過現(xiàn)澆板帶進(jìn)行內(nèi)力轉(zhuǎn)換后，方可拆除第一道支撐(圖8)。

圖7 第二道支撐的拆除

圖8 第一道支撐的拆除

1) 支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下室底板、地下各層結(jié)構(gòu)之間的換撐

武漢復(fù)地工程基礎(chǔ)底板厚度達(dá)到1100 mm，經(jīng)換撐傳力的計(jì)算，將換撐厚度設(shè)計(jì)為700 mm，其余部位用磚模和回砂填充。第二道支撐拆除后，換撐部位距第一道支撐結(jié)構(gòu)的距離達(dá)11.45 m，為使支護(hù)結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計(jì)要求，故在基礎(chǔ)底板的四周設(shè)置上翻換撐牛腿。地下各層結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間通過現(xiàn)澆板帶轉(zhuǎn)換，按常規(guī)施工即可。

2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)與后澆帶、結(jié)構(gòu)開口之間的換撐

分別在地下三層結(jié)構(gòu)完成并達(dá)到強(qiáng)度后，將該層樓板四周延伸至支護(hù)樁邊，并通過鋼筋與支護(hù)樁鋼筋焊接連接，結(jié)構(gòu)梁板澆筑時將其與支護(hù)樁連接成為整體，第二道支撐拆除后，其內(nèi)力傳遞到地下三層樓板等結(jié)構(gòu)上。在后澆帶和結(jié)構(gòu)開口等部位采用工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力，待整個結(jié)構(gòu)施工完成形成了整體剛度，且支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)外墻之間的間隙全部回填密實(shí)后方可拆除。后澆帶、結(jié)構(gòu)開口換撐部位節(jié)點(diǎn)大樣見圖9、圖10。

圖9 底板后澆帶換撐做法示意圖

圖10 樓板后澆帶換撐做法示意圖

4.3 換撐時最不利工況支護(hù)樁內(nèi)力

第二道支撐距離負(fù)三層樓板面1.45 m，換撐相對安全。第一道支撐距離負(fù)二層樓板面3.05 m，第一道支撐拆除后，其支撐力轉(zhuǎn)換到地下負(fù)二層樓板以及結(jié)構(gòu)上時，支護(hù)樁處于懸臂狀態(tài)，懸臂擋土5.2 m，此時支護(hù)樁內(nèi)力較大，為最不利工況。

1)換撐后地下室樓板支撐力

第一道支撐(設(shè)計(jì)標(biāo)高為-2.15 m)拆除后，為換撐過程中最不利工況，支護(hù)樁懸臂擋土5.2 m；表2為土層基本物理參數(shù)指標(biāo)，圖11為支護(hù)樁受力分布圖。

a)地下負(fù)二層與負(fù)三層樓板中間距地面(地面標(biāo)高0.00 m)-7.15 m，主動土壓力強(qiáng)度：

((20+75.8+22.95+18.7×1.85)×0.640-38.07)kPa=60.07 kPa

表2 土層基本物理參數(shù)指標(biāo)

圖11 支護(hù)樁受力分布圖

標(biāo)高0.00～-7.15 m土壓力由地下負(fù)二層承擔(dān)，總主動土壓力

地下負(fù)二層(設(shè)計(jì)標(biāo)高-5.2 m)處，Ra=90.96 kN/m；

b)地下負(fù)三層與地下室底板中間距地面-11.35 m，主動土壓力強(qiáng)度：

((20+75.8+22.95+18.7×6.05)×

0.640-38.07)kPa=110.34 kPa

標(biāo)高-7.15 m～-11.35 m土壓力由地下負(fù)三層承擔(dān)，總主動土壓力：

地下負(fù)三層(設(shè)計(jì)標(biāo)高-9.1 m)處，Rb=137.15 kN/m；

c)地下室底板處受力。地下負(fù)三層與地下室底板中間點(diǎn)距支護(hù)樁底作用的主、被動土壓力強(qiáng)度由地下室底板承擔(dān)。地下室底板(設(shè)計(jì)標(biāo)高-13.60 m)處主動土壓力強(qiáng)度：

((20+75.8+22.95+153.34+18.9×0.1)×

0.307-0)kPa=84.10 kPa

標(biāo)高-11.35～-20.3 m總主動土壓力：

被動土壓力：

地下室底板(設(shè)計(jì)標(biāo)高-13.60 m)處，Rc=Ea3-Ep=434.19 kN/m

2) 換撐時最不利工況支護(hù)樁內(nèi)力

基坑?xùn)|側(cè)段支護(hù)方式：單排樁+兩道鋼筋混凝土支撐，支護(hù)樁為鉆孔灌注樁排樁Φ1200 mm@1600 mm，樁長20.3 m，嵌入坑底深度6.8 m 。采用天漢軟件計(jì)算支護(hù)樁土壓力及位移見圖12,彎矩及剪力見圖13。

圖12 土壓力及樁身位移圖

圖13 彎矩及剪力包絡(luò)圖

圖12b表示各工況下排樁各深度處的水平位移。S1-S7為開挖基坑過程中的7種工況，其中S1為基坑開挖至-2.65 m處；S2為基坑開挖至-2.65 m,并于-2.15 m位置處施工第一道內(nèi)支撐；S3為基坑開挖至-8.15 m處；S4為基坑開挖至-8.15 m,并于-7.65 m位置處施工第二道內(nèi)支撐；S5:基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高-13.6 m處；S6為地下負(fù)三層樓板施工完畢后，拆除第二道內(nèi)支撐于-9.1 m處進(jìn)行換撐；S7為地下負(fù)二層樓板施工完畢后，拆除第一道內(nèi)支撐于-5.2 m處進(jìn)行換撐。當(dāng)開挖至-7.65 m處排樁頂部產(chǎn)生的位移最大，值為19.7 mm；排樁位移隨著深度的增加不斷減小，至20.3 m處位移減小為零。

圖13為兩道內(nèi)支撐拆除，及換撐完成后樁身在不同深度處的彎矩和剪力包絡(luò)圖。樁身最大正向彎矩為638 kN·m，前樁最大負(fù)向彎矩為-304 kN·m；前樁最大正向剪力：266 kN，最大負(fù)向剪力為-420 kN。被動區(qū)彈性抗力安全系數(shù)最小值為1.87，本基坑工程換撐設(shè)計(jì)符合規(guī)范要求。

4 結(jié)論

1)歸納總結(jié)了深基坑內(nèi)支撐換撐的三種類型即剛性結(jié)構(gòu)的換撐、素混凝土回填的換撐和鋼筋混凝土換撐特點(diǎn)和適合換撐部位。

2)若支撐點(diǎn)跨度過大，可以采用“先機(jī)械切割、后靜態(tài)爆破，切割釋放應(yīng)力、靜爆分離混凝土”的施工方法；可在基礎(chǔ)底板四周設(shè)置高出底板的上翻牛腿，以減小支護(hù)體系變形。

3)換撐設(shè)計(jì)時可使內(nèi)力通過結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板帶進(jìn)行轉(zhuǎn)換，地下各層結(jié)構(gòu)與支護(hù)樁之間用鋼筋焊接連接，留有后澆帶和結(jié)構(gòu)開口部位,采用工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力，以此化解內(nèi)力轉(zhuǎn)換時存在的安全隱患。

4)以武漢復(fù)地深基坑項(xiàng)目為依托，重點(diǎn)闡述兩次換撐時基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的規(guī)律。第一道內(nèi)支撐拆除后，支護(hù)樁懸臂擋土5.2 m，為換撐時最不利工況，采用天漢軟件計(jì)算支護(hù)樁位移、彎矩、剪力，得出被動區(qū)彈性抗力安全系數(shù)最小值為1.87，符合規(guī)范要求。