滑降式快速預支撐體系在超深基坑中的應用研究

張偉泉

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

0 引 言

隨著我國經濟社會的發展，城市日益擁擠，交通系統也面臨巨大的壓力，構建綜合交通體系成為城市發展的重要內容，在城市土地資源有限的條件下，向地下空間的發展力度越來越大。長三角地區、粵港澳大灣區等區域已建成和在建的地下軌道交通工程和超大直徑隧道工程的數量與日俱增，新建的項目勢必會向更深的方向發展。隨著基坑開挖深度不斷加深，周邊環境日趨繁雜，控制軟土地區超深基坑的變形、確保其穩定，避免對周邊建（構）筑物和地下管線等設施造成破壞，研究運用合適的工藝，有效控制或減緩施工期間混凝土支撐圍護結構變形，對超深基坑施工期環境保護和工程安全具有重大意義[1-6]。

目前，國內超深基坑工程施工中，普通鋼支撐因其軸力小、剛度小、易失穩等缺點使其應用較少，而在工程實踐中更多的采用鋼筋混凝土支撐，但鋼筋混凝土支撐自身施工周期長，無法做到隨挖隨撐。伺服鋼支撐能更好地控制圍護結構的變形，可以有效降低超深基坑開挖及圍護結構變形對周邊環境的影響，可以有效控制超深基坑的變形。滑升模板是混凝土結構中的一種活動成型胎膜，結構簡單，施工速度快，大大提升了機械設備的使用效率。

該工程滑降式快速預支撐體系借鑒并結合上述兩種施工工藝，在鋼筋混凝土支撐施工前引入預支撐，減小混凝土支撐發揮作用前圍護結構的變形，保障施工過程中周邊環境的安全和穩定。

1 工程概況

1.1 工程概況

上海軌道交通市域線機場聯絡線4 標華涇站主體結構內凈尺寸為562.3 m×34.5 m，基坑圍護結構為地下連續墻，基坑總開挖面積約18 000 m2，基坑分為4 個獨立的區域進行開挖施工，最大開挖深度達44.023 m。

如圖1 所示，4 區基坑為盾構接收井，基坑內部尺寸為27.6 m×25.1 m，最大開挖深度約42.898 m，坑底縱向設置2‰斜坡。基坑圍護結構采用1.2 m 厚、107.5 m 深地下連續墻，接頭形式為套銑接頭；地下連續墻兩側采用三軸水泥土攪拌樁進行槽壁加固，槽壁加固樁長為25 m、樁徑為850 mm、樁心距為600 mm；內支撐均為9 道鋼筋混凝土支撐，其中第7、8 道為留撐。地下連續墻墻縫處采用N-jet 工法進行全圓加固設置墻縫止水，樁徑為2 200 mm；墻縫止水樁頂標高為-19.300 m，豎向與槽壁加固搭接1 m，樁長至地下連續墻墻底。墻縫止水有效直徑與銑接頭接縫搭接長度需大于600 mm。基坑內樁基為鉆孔灌注樁，坑內設置5 根抗拔樁和4 根立柱樁。

圖1 四區基坑平面圖（單位：mm）

1.2 地質條件

該工程建設場地為正常沉積區，在勘探深度范圍內地層可劃分為10 個大層，地質關系剖面示意圖如圖2 所示。

圖2 地質關系剖面示意圖

上海地區淺部土層中的潛水位埋深一般為地表下0.3～1.5 m，年平均水位埋深為0.5～0.7 m。分區4在基坑影響范圍內的承壓含水層主要有④2、⑤1-1層微承壓水含水層及⑦1、⑦2、⑧2、⑨1層承壓水含水層。接收井坑底位于⑦2層粉砂層中，圍護墻底位于⑩層蘭灰～褐灰色黏土層中。

2 滑降式快速預支撐體系簡介

滑降式快速預支撐體系是針對超深基坑鋼筋混凝土支撐施工期間為有效控制超深基坑圍護結構變形而提前安裝的臨時性型鋼框架支撐。滑降式快速預支撐體系主要由卷揚機固定架、卷揚機、鋼圍檁、斜撐、液壓油缸、液壓泵站等部件組成，卷揚機固定架已于前期預埋在結構內部，下部支撐平臺總重量約200 t（含配件），外包尺寸為23 600 mm×26 100 mm，四周鋼圍檁分為8 個構件，8 根斜撐為獨立構件，構件間采用焊接連接，液壓泵站固定于東側鋼圍檁上，隨支撐平臺升降。滑降式快速預支撐體系平面圖詳如圖3 所示。

圖3 滑降式快速預支撐體系平面圖圖（單位：mm）

滑降式快速預支撐體系充當底模剖面圖如圖4所示。

圖4 滑降式快速預支撐體系充當底模剖面圖（單位：mm）

3 滑降式快速預支撐體系施工工藝

3.1 構件制作

該工程鋼構件均在鋼結構加工廠內進行生產加工制作，加工制作過程中，應嚴格控制鋼構件的切割下料、裝配、焊接、校正等工序質量，確保鋼構件每道工序的質量符合設計要求和規范規定，并經檢測合格后運至現場進行拼裝。

3.2 總體安裝

在基坑內的相應位置將支撐平臺邊線測放在已澆筑的混凝土墊層上，并鋪設鋼板作為拼裝場地。先將鋼圍檁構件吊入，并在基坑內按照先圍檁后斜撐的順序組裝型鋼框架支撐模塊；首先，進行型鋼框架支撐模塊的頂面及側面焊縫焊接，其次，將型鋼框架支撐模塊抬高后進行底面焊縫焊接，第三，采用沙箱臨時支撐固定。待型鋼框架支撐模塊連接成整體后使用卷揚機整體提升拆除型鋼框架支撐，同時安裝人員進行液壓油缸、油管、液壓泵站等安裝，液壓油缸與鋼圍檁采用高強螺栓連接。

選用150 t 履帶吊（45 m 主臂）和50 t 汽車吊完成本次安裝任務，其中，選用15 t 卸扣和直徑26 mm的鋼絲繩。由150 t 履帶吊進行鋼圍檁的吊裝，50 t汽車吊進行斜撐、卷揚機、液壓油缸、液壓泵站等較輕零部件吊裝。吊裝前，施工現場應劃分吊裝施工區域并懸掛施工標識；吊裝施工期間，禁止無關人員及車輛進入吊裝施工區域內，確保吊裝作業安全順利完成。

3.3 使用流程

滑降式快速預支撐體系安裝完成后進行型鋼框架支撐體系的試運轉，確定卷揚機、液壓泵站、液壓油缸運行情況良好。

使用流程如下：開挖至設計標高、基面整平壓實→下放快速預支撐體系→施加液壓油缸頂力→綁扎圍檁支撐鋼筋、模板安裝→卸載液壓油缸頂力、快速預支撐體系與圍護結構間縫隙回填黃沙→澆筑圍檁支撐混凝土→養護至圍檁支撐可以承擔自重→開挖預支撐體系下部土方使其與圍檁支撐脫離→施加液壓油缸頂力至下一層土方開挖至設計標高→卸載預應力下放快速預支撐體系，開始下一循環。

開挖至設計標高后，應及時對地下連續墻進行鑿毛，避免影響快速預支撐體系的下放；應將基面整平壓實，清空基坑內作業人員，并對各設備進行詳細檢查后開始下放快速預支撐體系。型鋼框架支撐正式下放前，將背側墊塊清理出鋼框范圍；下放過程中，應確保卷揚機鋼絲繩收緊、受力并輪流調試四臺卷揚機，割除加固吊筋，收回兩側的千斤頂，在收回過程中，應注意卷揚機讀數的變化；型鋼框架支撐下放時，由操作人員控制下放速度及高度，當下降至距離設計標高1.5 m 左右，檢查液壓油缸系統的完好，確保其滿足工況要求，下放至設計標高后，按設計值施加頂力。

在型鋼框架支撐模塊與圍護結構間隙回填沙袋及黃沙至鋼筋混凝土支撐底面，使用水泥砂漿抹面，液壓千斤頂除頂出面外，如圖5 所示，四周設置保護，鋼框架支撐模塊與混凝土支撐接觸面涂刷脫模劑方便脫模，然后進行后續混凝土支撐的施工。混凝土澆筑前，卸載千斤頂壓力，待混凝土支撐強度可以承受自身重力，恢復滑降系統與鋼框架支撐模塊連接，開挖下一層土方至設計深度；將型鋼框架支撐模塊滑降至開挖面，按設計值施加頂力，開始下一循環。

圖5 體系充當底模、間隙用砂袋填實

4 圍護結構變形控制效果分析

預支撐體系將臨時型鋼框架支撐與千斤頂相結合，可以對地下連續墻快速施加預應力，減少混凝土支撐及圍檁施工期間圍護結構地變形。

該工程分區4 基坑圍護結構深層水平位移監測點共有9 個。其中CX1～CX7、CX9 測斜點數據為人工采集，CX8 測斜點數據為自動化采集。

基坑開挖期間，圍護結構水平位移最大值為76.79 mm，最大變形率為1.79‰，相較傳統的混凝土支撐基坑而言，該體系有效地控制了圍護結構變形。較使用鋼支撐基坑而言，可以增大支撐的豎向間距，減少支撐道數。

以第三道鋼筋混凝土支撐施工為例進行分析，基坑最大變形為5.23 mm，其主要發生在土方開挖期間，各監測點開挖面累計變形數據如圖6、圖7、所示，各階段各測點日均變形比較如圖8 所示。

圖7 第三道支撐開挖面日增變形量圖

根據圖6 至圖8 數據顯示，千斤頂施加頂力后，開挖面變形減緩，累計變形值趨于平穩，混凝土支撐施工期間日均變形量均小于該層土方開挖階段的日均變形量（見表1），降低了45.35%。預支撐體系的使用有效地控制了圍護結構暴露階段的基坑變形，基坑安全得到了保障。

圖6 第三道支撐開挖面累計變形圖

圖8 各階段日均變形比較圖

表1 當開挖深度為13.3 m 時第三道支撐開挖面累計變形（13 m 處數據） 單位：mm

5 優勢與改進分析

該體系的應用極大地縮短了施工工期，根據數據統計分析，每層混凝土支撐施工平均用時不到9 d。整個預支撐體系從當前層下降至下一層開挖面并形成支撐效應僅需4 h 左右，極大限度地減少了無支撐暴露時間。較傳統的鋼支撐更快，并能夠及時對圍護結構形成支護，縮短混凝土支撐的養護時間，縮短了開挖下一層土方的施工時間，節省工期。

由于混凝土支撐施工前預支撐已經及時形成，常規的混凝土支撐下方土體加固可以取消，型鋼框架圈梁可兼做混凝土支撐底模，省去了混凝土墊層，節約了成本，簡化了工序并提高了施工功效。

預支撐體系的應用有效控制了混凝土支撐施工期間基坑圍護結構的變形，減小了對周邊環境的影響，保障了超深基坑施工安全。

該體系在安裝及使用過程中還可改進，在第二層土方開挖完成后進行基坑內鋼框梁安裝，人工焊接，操作空間小，焊接效率低，配套的油缸管路及液壓系統為后置安裝，若改進為安裝好的成品鋼框梁整體下放可極大地節省安裝時間。

預支撐系統在使用過程中，作業人員對卷揚機和液壓系統分別進行遙控指揮，兩套體系的讀數顯示如同步至同一終端，則可提高操作的安全性，節省觀察人員，提升施工過程中的安全性。

6 結語及展望

超深基坑開挖施工風險高、難度大、周期長。該工程結合鋼支撐伺服體系和滑模體系，采用滑降式快速預支撐體系，有效地減小了圍護結構變形。通過在開挖面及時對千斤頂施加頂力，減小了暴露期，節約施工成本，提高施工工效，保障了基坑施工安全。

上海軌道交通市域線機場聯絡線4 標分區4 基坑開挖已經結束，該項目應用預支撐體系，下放速度快，整體性好；施工流暢，極大降低工程風險；節省人工，提高整體的施工工效。但實際施工過程中尚存在以下亟待解決的問題。

該方法雖有效減小了圍護結構變形，但是整個體系安裝時間仍然較長，鋼框梁的結構及連接方式還可進一步優化。鋼框梁與地下連續墻之間的空隙填充方式、液壓千斤頂的防裹混凝土保護、施工中卷揚機系統及液壓油缸系統的協同配合等問題還可進一步提升。