排樁+內(nèi)支撐體系中的拆換撐受力分析及變形研究

葉文啟

1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092；2.中天建設(shè)集團有限公司 上海 201102

1 工程概況

中駿廣場項目位于上海市虹橋商務(wù)區(qū)申長路以東、遷虹路以南、申虹路以西、寧虹路以北，基坑為正方形，建筑面積220 396 m2，整體呈“回”字形，外圍為1層地下室，約19 430 m2，內(nèi)部為2層地下室，約27 600 m2。建筑采用圍合式布局，沿街布置了7棟高層辦公樓及多棟多層辦公樓。辦公樓底層布置沿街商業(yè)。2層地下室主要作為停車庫及地下儲藏間。本工程地上部分主要由6幢4F、10幢5F、2幢8F及5幢9F號樓組成，地下部分則主要由1層地下室與2層地下室組成（圖1）。地下室基礎(chǔ)形式為承臺-筏板-樁基礎(chǔ)，工程樁為預(yù)制方樁或管樁。

圖1 項目地下室、上部結(jié)構(gòu)以及周邊道路分布示意

基坑支護采用鉆孔灌注樁，外圍設(shè)置三軸水泥土攪拌樁作止水帷幕，兩者之間用壓密注漿填充。基坑整體形狀為正方形，1層地下室結(jié)構(gòu)分布于基坑外圍周邊，地下2層部分位于基坑中部，兩者交界部分同樣也采用鉆孔灌注樁和三軸攪拌樁的支護和止水體系。本工程地下1層開挖深度為6.1 m，局部深坑6.9～7.6 m不等；地下2層開挖深度為10 m，局部深坑10.5～11.5 m不等，并采用局部坑底加固措施。地下1層結(jié)構(gòu)的水平支撐體系為鋼筋混凝土角撐和鋼管斜拋撐組合，地下2層結(jié)構(gòu)水平向由1道鋼筋混凝土角撐和對撐作為主要受力體系。

2 基坑工程難點和施工順序控制

2.1 施工難點

1）基坑開挖面積大，且坑內(nèi)挖深不同。地下1層挖深6.1 m，地下2層為10 m，坑內(nèi)多處存在局部深坑，標(biāo)高各異，施工流程與支撐的傳力關(guān)系復(fù)雜。

2）基坑內(nèi)各建筑完成時間節(jié)點不同。按照進度要求，東北角位置處的B22#和B23#辦公樓要最先完工，東南角位置處的B7#辦公樓計劃在東北角的2棟4層建筑（B22#和B23#）封頂時完成底板澆筑，此3棟房屋是整體工程的時間控制節(jié)點。由于結(jié)構(gòu)時間節(jié)點不同，對應(yīng)建筑的拆換撐和受力體系的調(diào)整較為困難。

2.2 基坑施工順序的控制

對于外圍為地下1層，中間為2層的“回”字形結(jié)構(gòu)，在總體方案設(shè)計時采用逐層開挖、先淺后深的方法。對應(yīng)整體的施工順序依次為：盆式挖土，坑邊留土，施工2層地下室區(qū)域的鋼筋混凝土支撐→待2層地下室區(qū)域的鋼筋混凝土支撐達(dá)到80%強度后，架設(shè)地下1層區(qū)域鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力→地下1層區(qū)域開挖至坑底，并及時施工底板、傳力帶以及混凝土換撐→待地下1層區(qū)域底板、傳力帶及混凝土換撐達(dá)到設(shè)計強度后，拆除鋼支撐→地下1層區(qū)域繼續(xù)施工，地下2層區(qū)域開挖至坑底，并及時施工底板及傳力帶→待地下2層區(qū)域底板及傳力帶達(dá)到設(shè)計強度后，繼續(xù)向上施工地下2層結(jié)構(gòu)及傳力帶→待地下2層結(jié)構(gòu)及傳力帶達(dá)到設(shè)計強度后，拆除此區(qū)域鋼筋混凝土支撐和地下1層區(qū)域的混凝土換撐→地下1層和地下2層區(qū)域繼續(xù)向上施工，鑿除分隔樁，連接結(jié)構(gòu)梁板[1,2]。

為保證既定辦公樓的竣工時間節(jié)點，以基坑?xùn)|側(cè)土方開挖和內(nèi)支撐架設(shè)為主進行工期掌控，采用自北向南、自東向西的開挖和支撐步驟進行，具體順序如圖2所示。

圖2 模擬東側(cè)地塊的開挖和支撐順序

1）完成地下1層和地下2層的圍護樁基，形成地下1層冠梁和南北向鋼筋混凝土角撐；

2）盆式挖土，坑邊留土，施工地下1層范圍內(nèi)鋼管斜拋撐（此時地下1層范圍內(nèi)壓坡腳土體保留）；

3）施工地下2層范圍內(nèi)圍護樁冠梁和混凝土角撐及對撐，待強度達(dá)到80%后開挖壓坡腳土體，澆筑B22#和B23#樓層墊層及底板；

4）施工2棟單體建筑的上部結(jié)構(gòu)，拆除與其位置相對應(yīng)的地下1層混凝土角撐和部分斜拋撐支護。

3 計算模型的建立以及內(nèi)支撐體系的受力分析和調(diào)整

不同開挖深度基坑挖土以及內(nèi)支撐布設(shè)后的三維計算模型如圖3所示。

圖3 基坑開挖及內(nèi)支撐布設(shè)完畢后的整體三維計算模型

由圖3可以看出，用作樣板展示房和售樓處的B22#與B23#樓位置對地下2層區(qū)域內(nèi)支撐受力的影響有一定的差別。地基土層參數(shù)按地質(zhì)報告確定，各層土體厚度由各剖面圖取平均值。

3.1 B23#樓施工方案及受力變形分析

B23#樓主體位于地下1層的東北部角撐處，地基及基礎(chǔ)全部位于地下2層的東北角鋼筋混凝土角撐的受力控制范圍之內(nèi)，因此其施工順序可以與整體順序不同[3,4]：

1）施工地下1層?xùn)|北側(cè)冠梁和混凝土角撐；

2）盆式開挖并施工地下2層冠梁和角撐；

3）待地下2層角撐強度形成后，設(shè)置對應(yīng)部位的鋼管斜拋撐并清空地下1層對應(yīng)部位壓坡腳土體；

4）澆筑結(jié)構(gòu)底板，待強度形成后拆除斜拋撐；

5）施工地下室結(jié)構(gòu)并拆除角撐。

與此棟樓相關(guān)的支護結(jié)構(gòu)均為角撐，地下1層范圍內(nèi)的角撐待該樓底板強度形成后便可替換，上部結(jié)構(gòu)以及下部土層受力系統(tǒng)相對獨立，按此順序施工后，其變形計算值與實測值對比如圖4所示。

由圖4可以看出，以角撐為主要受力體系的B23#樓，只要保證底板強度形成并與地下2層范圍內(nèi)混凝土支撐形成連接傳力，便可控制主樓的變形，在地下2層?xùn)|西向支撐未形成時仍可以保證變形及安全要求。

圖4 基坑側(cè)向變形

3.2 B22#樓施工方案及受力變形分析

B22#樓位于地下1層?xùn)|北側(cè)的鋼管斜拋撐位置，具體空間位置如圖5所示。

圖5 B22#樓空間位置示意

由圖5可以看出，本棟建筑位于地下1層基坑范圍內(nèi)，底板上部均為斜拋撐支護。與其鄰近的地下2層鋼筋混凝土支撐受力體系為角撐和對撐，兩者分擔(dān)的支護長度分別約為24 m和14 m。

若只考慮地下2層的角撐施工，圖5中2#測點的水平變形實測值與計算值如圖6（a）所示。若不考慮混凝土對撐，直接將主樓與土體荷載施加于地下2層圍護樁體系之上，1#測點的水平向變形與考慮混凝土對撐的計算結(jié)果如圖6（b）所示。

由圖6（a）可以看出，對于地下2層角撐控制范圍內(nèi)的土體，其變形情況與B23#樓對應(yīng)的上層角撐拆除后且底板強度形成階段的趨勢一致，實測值和計算值的幅值以及變形趨勢均保持一致，但對于地下2層對撐控制的區(qū)域，若無對撐受力，則鋼管撐拆除且結(jié)構(gòu)底板強度形成后，其變形已達(dá)到或超出基坑的變形報警值，在圖6（b）圖中，當(dāng)設(shè)置地下2層混凝土支撐后，對應(yīng)測點的水平變形計算值減小50%以上，處于可控范圍內(nèi)。

圖6 基坑側(cè)向變形

4 結(jié)語

本文基于上海中駿廣場基坑項目設(shè)計，結(jié)合工程自身的特點，采用數(shù)值模擬計算，并以現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了基坑分步開挖及拆換撐對周邊環(huán)境的變形影響，結(jié)論如下[5-7]：

1）在局部與整體施工進度不一致的情況下，為保證局部單體建筑的按時完工，可根據(jù)單體建筑位置，優(yōu)先施工能獨自受力的局部構(gòu)件，如混凝土角撐和對應(yīng)的鋼管撐，并以此為基礎(chǔ)提前完成特定單體建筑的基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)。

2）以數(shù)值計算為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場實測資料，能夠定性分析不同施工步驟對周邊環(huán)境和對應(yīng)區(qū)域的變形和受力，可以此為基礎(chǔ)優(yōu)化局部和整體的設(shè)計方案。

3）對單體工期要求較高且牽扯整體支護受力的建筑，宜優(yōu)先施工其對應(yīng)區(qū)域的局部和部分整體支撐系統(tǒng)，在一定程度上提高了單體工期。