機械破除基坑支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計驗算及施工技術(shù)

吳小聰

（南通新華建筑集團有限公司，江蘇 南通 226300）

0 引言

目前，工程基坑支撐結(jié)構(gòu)破除主要有人工風(fēng)炮機破除、線鋸切割吊運及破除機械直接開到地下室結(jié)構(gòu)板上進行破除這 3 種方法。就目前勞動力緊張的情況下，無疑將破除機械直接開到地下室結(jié)構(gòu)板上進行破除是最經(jīng)濟高效的，但是破除機械直接開上地下室結(jié)構(gòu)板，對結(jié)構(gòu)安全性的設(shè)計驗算［1］具有重要意義。焦點科技大廈工程基坑平面設(shè)置一道鋼筋混凝土支撐、水平對撐 3 片和東西角撐 4 道，根據(jù)實際工程情況，筆者團隊采用有限元分析了破除機械對結(jié)構(gòu)板的影響，并采取一定的施工加固措施，并對加固措施進一步安全驗算［2］，對類似工程具有參考意義。

1 工程概況

焦點科技大廈位于南京市浦口區(qū)高新區(qū)麗景路高新路路口西南角，由焦點科技股份有限公司投資，同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司設(shè)計，是集研發(fā)、運營、孵化、管理、接待和后勤保障等功能齊全的現(xiàn)代化辦公樓。總建筑面積 80 773 m2，其中地下 28 988 m2（包含人防 6 508 m2）；1 # 樓、2 # 樓合設(shè) 2 層地下室；1 # 樓、2 # 樓地下 2 層，地上 12 層；3 # 樓地上 3 層。-2 層4.2 m，-1 層 6.0 m。高度：1 #、2 # 樓最高點至室外地面57.215 m，3 # 樓為 13.7 m。

基坑四周圍護樁采用灌注樁，灌注樁混凝土設(shè)計強度等級為 C30。基坑四周灌注樁上設(shè) 1 道壓頂圈梁（1 000 mmh 800 mm），基坑平面內(nèi)部設(shè)置 1 道鋼筋混凝土支撐（水平對撐 3 片和東西角撐 4 道，主支撐梁650 mmh 750 mm 和 600 mmh 700 mm，支撐連系梁500 mmh 600 mm）。鋼筋混凝土支撐、圈梁的混凝土強度等級均為 C35。鋼筋混凝土支撐及混凝土圈梁保護層厚度 35 mm。內(nèi)部支撐中心標(biāo)高為 -1.90 m。支撐立柱為鋼構(gòu)鋼柱。根據(jù)設(shè)計要求，支撐投影區(qū)域的 -2 層頂板及對應(yīng)區(qū)域的換撐塊達到設(shè)計強度的 80 % 后拆除水平支撐。

2 安全設(shè)計要點

基坑支撐破除擬采用 150 輪胎炮頭機（自重 14 t）及裝載機進入地下室 -2 層頂板面進行破除作業(yè)，樓板上在機械行走路線及停放位置墊 2 mh 6 m 20 mm 厚鋼板，支撐拆除階段 -2 層模板滿堂支撐體系不拆除，并待對應(yīng)區(qū)域 -2 層頂板結(jié)構(gòu)混凝土達到設(shè)計強度 80 % 后方可進行破拆作業(yè)。

3 初步設(shè)計驗算

機械自重及作業(yè)動荷載按 15 t 考慮（鋼板所受均布荷載 15h 9.8/2h 6=12.25 kN/m2），先不考慮 -2 層頂板受力，將其視作力向下傳遞的中間件（再者-2 層頂板混凝土強度達到 80 %，足以抵消混凝土梁板自重），假設(shè)機械自重及作業(yè)動荷載全部傳遞到 -2 層模板支撐系統(tǒng)，則模板支撐系統(tǒng)受力如下。

-2 層模板支撐系統(tǒng)每平方米 4 根立桿（支撐系統(tǒng)立桿縱橫間距 900 mmh 900 mm，步距 1 800 mm），則每根立桿受力 12.25 kNr 4= 3.625 kN；經(jīng)安全驗算［3］，-2層模板支撐架能滿足要求（此設(shè)計驗算過程略）。

假設(shè)板面機械自重及作業(yè)荷載全部傳遞到 -2 層模板支撐系統(tǒng)時，下面 -2 層模板支撐體系完全能滿足受力要求，但是考慮現(xiàn)實情況下，板面荷載必須由 -2 層頂板傳遞下去（C30 混凝土），支撐拆除過程中主體結(jié)構(gòu)承受的分攤施工荷載≤3.5 kN/m2。樓板混凝土抗壓強度：C30 的軸心抗壓強度設(shè)計值是 14.3N/mm2，C30 的軸心抗壓強度標(biāo)準值是 20.1 N/mm2，又因為 1 N/mm2=1 000 kN/m2，所以均＞12.25 kN/m2，混凝土能承受力向下傳遞時的抗壓強度。

4 對 -2 層頂板結(jié)構(gòu)進行有限元分析計算

雖然前面假設(shè)條件下，-2 層的模板支撐系統(tǒng)和-2 層頂板結(jié)構(gòu)能承受破除機械的重量，但是在實際施工過程中，多種因素綜合影響，向下的力也是多種綜合而成，且 -2 層頂板結(jié)構(gòu)必然會承受一部分荷載，為了安全，筆者又采用有限元分析驗算［1］。

4.1 計算參數(shù)

鋼筋混凝土，容重 26 kN/m3。恒載：按結(jié)構(gòu)尺寸軟件自動。設(shè)計人群荷載：3.5 kN/m2。施工活載：挖機按總重 15 t 計，前軸按 7 t、后軸按 8 t 考慮。基本組合：1.2 恒載+1.1 挖機荷載。模板支撐架鋼管類型：Ф48 mmh 3 mm，Q 235 鋼，立柱縱橫向間距 900 mm，水平拉桿步距 1 800 mm。

4.2 計算模型

本次取 8.4 mh 8.4 m 一個框架單元的板梁進行簡化計算，板梁厚度 120 mm，板梁四周邊界條件按固結(jié)考慮。板梁采用板單元，支架及木方次梁采用板單元，支架鋼管主梁與木方次梁之間、木方次梁與板梁支架采用彈性連接模擬，計算中未考慮模板的有利作用。計算模型圖如圖 1 所示。

圖1 計算模型圖（單位：mm）

4.3 設(shè)計狀態(tài)人群荷載作用下計算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計院要求，施工過程中的挖機荷載作用下的內(nèi)力應(yīng)小于設(shè)計狀態(tài)人群荷載作用下的內(nèi)力，設(shè)計狀態(tài)計算，設(shè)計荷載彎矩圖如圖 2、圖 3 所示。單位板寬板梁最大正彎矩為 4.1 kNg m，最大負彎矩為 9.2 kNg m。單位板寬人群荷載內(nèi)力表如表 1 所示。

圖2 設(shè)計荷載 X 向彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖3 設(shè)計荷載 Y 向彎矩圖（單位：kN·m/m）

表1 單位板寬人群荷載內(nèi)力表 kN·m/m

4.4 挖機荷載作用下計算結(jié)果

挖機按總重 15 t 計，前軸按 7 t、后軸按 8 t 考慮，如與實際不符，可按同比例增大。模型中計算時，車輛軸載按集中荷載加載。

4.4.1 板梁內(nèi)力計算

將荷載參數(shù)輸入有限元分析軟件，得出挖機荷載彎矩圖如圖 4、圖 5 所示。挖機荷載內(nèi)力表如表 2 所示。板梁最大正彎矩遠大于設(shè)計荷載。板固結(jié)邊最大負彎矩遠小于設(shè)計值，遠離固結(jié)邊處，最大負彎矩較小，混凝土最大拉應(yīng)力 0.7 MPa，不會開裂。

表2 單位板挖機荷載內(nèi)力表 kN·m/m

圖4 挖機荷載 X 向彎矩圖（單位：kN·m/m）

4.4.2 模板支撐架木方次梁應(yīng)力計算

將荷載參數(shù)輸入有限元分析軟件，基本組合木方次梁應(yīng)力驗算結(jié)果如表 3 所示，木方次梁驗算滿足要求。

4.4.3 鋼管橫梁應(yīng)力計算

將荷載參數(shù)輸入有限元分析軟件，基本組合鋼管主梁應(yīng)力驗算結(jié)果如表 4 所示，鋼管主梁驗算滿足要求。

表4 基本組合鋼管主梁應(yīng)力驗算 MPa

4.4.4 鋼管支撐內(nèi)力及扣件抗滑計算

將荷載參數(shù)輸入有限元分析軟件，基本組合鋼管支撐軸力圖如圖 6 所示。基本組合下，鋼管支撐及扣件抗滑驗算結(jié)果如表 5 所示。鋼管支撐滿足要求，扣件抗滑不能滿足要求。

表5 鋼管支撐驗算表 MPa

圖6 基本組合鋼管支撐軸力圖（單位：MPa）

4.4.5 附加擴散措施后板梁內(nèi)力計算結(jié)果

假設(shè)每輪集中荷載擴散范圍≥1.0h 1.0（m2），計算模型加載圖如圖 7 所示，將荷載參數(shù)輸入有限元分析軟件，挖機荷載彎矩圖如圖 8、圖 9 所示，挖機荷載內(nèi)力表如表 6 所示。板梁最大正彎矩遠小于設(shè)計荷載，能滿足要求。

表6 單位板寬挖機荷載內(nèi)力表 kN·m/m

圖7 計算模型加載圖

圖8 挖機荷載 X 向彎矩圖（單位：kN·m/m）

圖9 挖機荷載 Y 向彎矩圖（單位：kN·m/m）

4.5 設(shè)計驗算結(jié)論

經(jīng)過以上分析計算，板梁最大正彎矩遠大于設(shè)計荷載，不能滿足要求。在車輛行走范圍內(nèi)樓面上必須采用有效措施，擴散輪載分布范圍，經(jīng)計算每輪集中荷載擴散范圍≥1.0 m2。-2 層模板支撐架扣件抗滑不能滿足要求，采用雙扣件增加抗滑力。

基坑支撐破除擬采用 150 輪胎炮頭機及裝載機進入地下室-2 層頂板面進行破除作業(yè)前，樓板上在機械行走路線及停放位置墊 2 mh 6 m 20 mm 厚鋼板（保證輪下擴散面積≥1 m2），支撐拆除階段 -2 層模板滿堂支撐體系不拆除，并對梁板下模板支撐架立桿上端增加雙扣件。通過以上措施，將機械吊運至 -2 層頂板上進行基坑支撐破除作業(yè)是安全的，不會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害破壞。

5 機械破除施工要點及加固措施驗算

5.1 拆除順序及操作要點

5.1.1 支撐拆除步驟

搭設(shè)臨時防護腳手架→ -2 層頂板混凝土、鋼筋成品保護、鋼板鋪設(shè)→先人工破除與四周圈梁相連的一側(cè)支撐主梁和連系梁混凝土（鋼筋不斷，應(yīng)力釋放）→聯(lián)系梁破除→支撐主梁破除→割斷鋼筋→混凝土垃圾清理、外運。

5.1.2 拆除要點及注意事項

1）使用 150 輪胎炮頭機（自重 14 t）及裝載機進入-2 層頂板面進行破除作業(yè)，樓板上在機械行走路線及停放位置墊 2 mh 6 m厚 20 mm 鋼板，支撐拆除階段-2 層模板滿堂支撐體系不拆除，并待對應(yīng)區(qū)域 -2 層頂板結(jié)構(gòu)混凝土達到設(shè)計強度 80 % 后方可進行。

2）進行水平支撐拆除。拆除方法：角撐投影區(qū)域的-2 層頂板及換撐塊澆筑完成并達到設(shè)計強度 80 %，相鄰對撐投影區(qū)域的-2 層頂板及換撐塊澆筑完成5 d 后，進行角撐的拆除，角撐的拆除順序嚴格按照由內(nèi)向外的順序進行拆除；對撐投影區(qū)域-2 層頂板及換撐塊澆筑完成并達到設(shè)計強度 80 % 后進行相應(yīng)位置南北對撐的拆除清理。

3）作業(yè)時兩個施工段，由東向西，逐根對稱進行，先斷開聯(lián)系梁，釋放應(yīng)力，然后再開始斷開主梁。主撐先拆角支撐，再拆對撐；角撐先拆短角支撐，再拆長角撐。拆撐時加強變形觀測，如果變形較大應(yīng)立即停止破撐，并分析研究。主梁斷開施工工藝：先破除截斷面的一半，等待 2 h 釋放一部分應(yīng)力后，然后再斷開剩下的一半，再等待 2 h 且基坑監(jiān)測穩(wěn)定后，方可進行支撐破除作業(yè)。

4）換撐梁、板帶混凝土澆筑結(jié)束，且投影區(qū)域樓板混凝土拆模試塊達到設(shè)計要求 80 % 強度后方可進行拆除作業(yè)。

5）拆除工程整體順序為自東而西，每道支撐梁的拆除順序遵循先拆次梁，后拆主梁，再拆除主、次梁節(jié)點部位，施工段之間盡量采取流水施工作業(yè)。

6）基坑垃圾采用機械鏟運結(jié)合人工拖運和現(xiàn)場塔吊適當(dāng)配合方式及時清理、外運出現(xiàn)場，以免影響后續(xù)工序施工。

7）破除作業(yè)時必須加強基坑監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)周邊異常情況，第一時間通知設(shè)計、施工、監(jiān)理單位。并停止破除，采取相關(guān)有效的保護措施。

5.1.3 加固措施驗算

1）機械自重及作業(yè)動荷載按 15 t 考慮（鋼板所受均布荷載 15h 9.8/2h 6=12.25 kN/m2），先不考慮 -2 層頂板受力，將其視作力向下傳遞的中間件（再者 -2 層頂板混凝土強度達到 80 %，足以抵消混凝土梁板自重），假設(shè)機械自重及作業(yè)動荷載全部傳遞到 -2模板支撐系統(tǒng)，則模板支撐系統(tǒng)受力：-2 層模板支撐系統(tǒng)每平方米 4 根立桿（支撐系統(tǒng)立桿縱橫間距900 mmh 900 mm，步距 1 800 mm），則每根立桿受力12.25 kNr 4=3.625 kN。

2）支撐系統(tǒng)驗算。-2 層模板支撐系統(tǒng)現(xiàn)場搭設(shè)情況如表 7 所示，-2 層模板支撐系統(tǒng)立桿情況如表 8 所示。長細比驗算滿足［3］要求，立柱穩(wěn)定性驗算［4］滿足要求。

表7 -2層模板支撐系統(tǒng)現(xiàn)場搭設(shè)情況

表8 -2層模板支撐系統(tǒng)立桿情況

3）又考慮模板支撐系統(tǒng)上部大小橫桿與立桿采用扣件連接，扣件抗滑移驗算滿足要求。

4）支撐拆除過程中主體結(jié)構(gòu)承受的分攤施工荷載≤3.5 kN/m2。樓板混凝土抗壓強度：C30 的軸心抗壓強度設(shè)計值是 14.3N/mm2，C30 的軸心抗壓強度標(biāo)準值是20.1N/mm2，又因為 1 N/mm2=1 000kN/m2，所以均＞12.25 kN/m2，混凝土能承受力向下傳遞時的抗壓強度。-2 層頂板結(jié)構(gòu)及加固支撐體系，能滿足要求，結(jié)構(gòu)安全。

5.2 施工安全保護措施

5.2.1 柱墻插筋保護措施

1）以下柱墻鋼筋保護措施為支撐破除前可參考的成品保護措施。框架柱主筋一般規(guī)格直徑較大，上部端頭有滾壓直螺紋絲牙供主筋接長。若被混凝土塊砸彎，調(diào)直較困難且易折斷，直接影響工程質(zhì)量。若上部端頭滾壓直螺紋絲牙被混凝土塊砸損，將給鋼筋接長帶來困難，亦影響工程質(zhì)量。為此，在內(nèi)支撐拆除前，用Ф48mm 腳手鋼管套在柱四角主筋外側(cè)，用柱主筋外側(cè)鋼管作為立桿，搭成一個簡易構(gòu)架，以抵弱混凝土碎塊沖砸。

2）鋼筋混凝土墻體立筋，規(guī)格直徑較小，但數(shù)量多，若加套管保護，將花費大量鋼管和人工且延長工期。為此采用臨時支承架體加設(shè)隔板保護墻板插筋。

3）-1層鋼筋混凝土外墻豎向插筋，少部分位于支撐下方。為方便拆除后混凝土碎塊機械清運，拆除支撐時應(yīng)設(shè)法使混凝土碎塊滑向地下室外墻內(nèi)側(cè)，為此采用臨時支承架體加設(shè)坡向內(nèi)側(cè)隔板保護墻板插筋及引導(dǎo)混凝土碎塊滑向外墻板內(nèi)側(cè)。

4）支撐梁拆除未結(jié)束時，不得拆除-2 層頂板底模及其支撐系統(tǒng)。

5.2.2 成品混凝土面保護

內(nèi)支撐拆除過程中應(yīng)將混凝土破成小碎塊（≤300 mmh 300 mm 碎塊）散落至成品混凝土面，嚴禁大塊、整段砸向混凝土面。炮頭機行走路線和停放位置在 120 mm 厚板上時，下墊 2 mh 6 m 20 mm 厚鋼板，保護混凝土面。

5.2.3 清運混凝土碎塊過程中的鋼筋、混凝土面保護

1）清運混凝土碎塊時，小鏟車應(yīng)平鏟，盡量避免在混凝土面上鏟出劃痕。

2）清運混凝土碎塊時，鏟斗應(yīng)離開柱墻鋼筋一段距離，避免鏟斗鏟彎鋼筋，鏟運方向應(yīng)由柱墻邊向中間部位，避免混凝土碎塊擠彎鋼筋。

5.2.4 立柱樁支護桿件節(jié)點處保護

1）支撐拆除時，支護采用機械破除，立柱節(jié)點處嚴禁機械破除、改用空壓機風(fēng)鎬破除或留待立柱拆除時破除。

2）拆除由專人統(tǒng)一指揮，嚴禁機械碰撞圓鋼立柱。

5.2.5 圍檁保護

1）本工程圍檁不拆除。

2）結(jié)合外墻插筋保護，于部分圍檁與支撐梁連接部位、角撐梁、對撐梁下方搭設(shè)臨時支撐架體，架體離梁邊 250 mm，沿梁方向立桿間距 1 000 mm，兩根立桿間加一根小橫桿，橫桿步距 1 800 mm，最上一布橫桿離支撐梁底 300 mm（支撐切割部位架體最上一步橫桿離梁 50 mm）。

5.2.6 安全注意事項

1）監(jiān)測單位及時對基坑位移跟蹤監(jiān)測，如位移過大，立即停止施工，及時通知設(shè)計單位采取相應(yīng)措施。

2）地下室汽車坡道結(jié)構(gòu)中空處，應(yīng)按照換撐結(jié)構(gòu)圖紙要求設(shè)置臨時傳力結(jié)構(gòu)梁、板。圍檁與支撐梁處吊筋破除時不得先行割斷，與立柱節(jié)點部位破除時不得對鋼立柱進行損壞。

3）拆除作業(yè)應(yīng)采取緩慢有序、盡量對稱方式施工，先拆聯(lián)系梁后拆支撐主梁，角撐應(yīng)采取先邊角后中間的順序?qū)ΨQ破除。

4）地下室主體結(jié)構(gòu)施工到 f 0.00，待地下室 -1 層結(jié)構(gòu)達到設(shè)計強度，并完成地下室結(jié)構(gòu)外防水及保護層處理后，地下室外墻與支護樁之間應(yīng)及時進行回填工作。

6 結(jié)語

通過對機械破除基坑支撐結(jié)構(gòu)進行設(shè)計驗算，在車輛行走范圍內(nèi)樓層板采取下?lián)武摴堋⑸箱佷摪宓扔行Т胧瑢C械直接吊運至-1 層結(jié)構(gòu)板上進行基坑支撐結(jié)構(gòu)機械破除作業(yè)，保證了結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，同時提高了施工效率。Q