基坑工程中快速換撐剪力墻結構設計與施工

鄭 憧

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200433)

0 引言

城市化進程的不斷推進,用地也愈加緊張,基坑工程在建筑領域應用也越來越廣泛。在一些房建領域,對于工期的要求比較緊張,但往往地下室結構需待基坑支護水平支撐拆除后方能向上施工,對施工進度有一定制約,為了滿足主要結構的工期節點目標,需要采用一種用于深基坑的支撐轉換的剪力墻結構,使其基坑大部分區域可以先進行地下室及上部結構施工。

本文主要依托某工程,針對本工程地下室回筑階段支撐轉換施工展開了討論,提出了一種用于深基坑的支撐轉換的剪力墻結構及其施工方法,解決大面積基坑工程中地下室結構施工進度慢的難題。這是本文所需要探討的方向,其或許對其他地下工程項目起到一定參考與啟發的作用。

1 工程概況

1.1 建筑概況

背景工程位于上海市普陀區,主要建設內容為:新建8棟小高層建筑、1層地下車庫,本工程基坑總面積約31 000 m2,基坑總延長約900 m,開挖深度5.55 m,局部落深區深度約為1.2 m～2.9 m。

1.2 環境概況

場地總體環境如圖1所示。

1)基坑東側:場地東側為旬陽路,道路下方有市政管線穿越,距離基坑邊線最近為5.6 m,另外給水管和煤氣管基本在2倍開挖深度影響范圍內,為本工程環境保護對象,基坑施工過程中應對其加強監測。

2)基地南側:場地西南側為石泉路130弄小區和石泉小區居民樓房,為4層—6層磚混結構的老式工房,距離基坑邊線最近距離約為6.5 m,在基坑2倍開挖深度影響范圍內,是本工程重點環境保護對象。

3)基地西側:場地西側為旬陽新村,為6層磚混結構的老式公房,居民樓房距離基坑邊線最近距離約為6.5 m;場地西側下方為運營中的地鐵7號線嵐皋路—鎮坪路區間隧道,最近距離基坑邊約6.5 m;均為在基坑兩倍開挖深度影響范圍內。

4)基地北側:場地北側嵐皋路300弄小區居民樓房,為6層磚混結構的老式公房,居民樓房距離基坑邊線最近距離約為9 m,是本工程重點環境保護對象。

1.3 深基坑支護設計

本工程基坑總面積約31 000 m2,基坑總延長約900 m,為確?；邮┕て陂g對臨近地鐵區間隧道及周邊居民樓房的安全,本工程基坑劃分為A區和B區兩個分區,基坑開挖深度均為5.55 m。

1-1剖面,鄰近地鐵7號線隧道區域:B區基坑外圍全部采用φ750@950 mm鉆孔灌注樁結合φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕作為圍護體,圍護樁插入基底以下8.5 m,止水帷幕插入基底以下6 m。

2-2剖面和3-3剖面,鄰近居民樓房區域:A區基坑西側及北側緊鄰居民樓房區域采用φ750@950 mm鉆孔灌注樁結合φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕作為圍護體,圍護樁插入基底以下8.5 m(局部距離居民樓房較近區域插入基底以下10 m);坑內豎向設置一道鋼筋混凝土水平支撐;A區基坑東側及南側采用φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁內插H700×300型鋼作為圍護體,型鋼插入基底以下8 m。

4-4剖面,基坑普遍區域:A區基坑東側及南側采用φ850@600 mm三軸水泥土攪拌樁內插H700×300型鋼作為圍護體,型鋼插入基底以下7.5 m。

1.4 基坑支撐體系設計

本工程基坑由于鄰近地鐵7號線嵐皋路—鎮坪路區間隧道和居民樓房,考慮到基坑整體位移變形控制以及對周邊環境的影響,基坑采用坑內豎向設置一道鋼筋混凝土水平支撐體系[1]。

2 基坑支撐拆換設計方案

2.1 基坑支撐拆換設計思路

本工程A區基坑面積約為22 400 m2,原基坑圍護設計工況要求:待A區底板及換撐結構達到設計強度后,拆除第一道混凝土支撐,向上施工地下室結構。為了確保北側居民樓的安全穩定,加快基坑施工進度,提出如下設計修改建議:

1)基坑北側臨近三棟居民樓房,基坑邊線距離居民基礎約為9 m,考慮到基坑大面積開挖對周邊環境的影響,建議先預留北側坑邊20 m范圍內土體,基坑大底板形成并達到強度后,再對北側留土區域土體進行分小塊開挖,形成一塊澆筑一塊底板結構。

2)四棟主樓,需要拆除第一道支撐后,方可施工±0.000 m及以上主體結構,由于拆除施工速度慢,影響建設進度,建議對基坑拆換撐工況進行局部調整,加強換撐結構,對影響各棟主樓范圍內的第一道支撐可進行拆除。

2.2 基坑底板及換撐結構施工范圍

在需要提前拆撐的南北向對撐位置施工換撐剪力墻,圖2為需要施工完成的基坑底板及換撐結構施工范圍,上述區域底板貼圍護結構側需設置上翻牛腿換撐結構,底板后澆帶內設置換撐型鋼結構。

基坑南側按1—2—3各區分塊土方開挖,務必加快土方開挖、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序的銜接,各分區自土方開挖完成至分區墊層澆筑(隨挖隨澆混凝土墊層)應限時12 h內;基礎底板需在基底暴露后的24 h內施工完成。開挖時基坑周邊10 m(從圍護內邊線起向外計算)范圍內堆載不得大于5 kN/m2。

2.3 基坑支撐拆除范圍

基坑提前拆撐平面范圍見圖3。

待基坑南側基礎底板、上翻牛腿、后澆帶換撐以及換撐剪力墻全部形成并達到設計強度后方可拆除基坑南側區域指定的第一道支撐。

2.4 基坑北側土方分塊開挖

基坑北側區域土方開挖具體開挖施工工況應嚴格按分塊開挖平面示意圖(如圖4所示)及開挖步序示意圖進行,開挖、支撐及墊層施工時應遵循“分層、分區、分塊、退挖,對稱、限時開挖及支撐施工”的總原則,利用時空效應原理,減少基坑無支撐的暴露時間,嚴格控制基坑變形。

按①—②—③—④—⑤—⑥各區分塊土方開挖,務必加快土方開挖、鋼筋綁扎、混凝土澆筑等工序的銜接;開挖至基底時,分區墊層澆筑需限時12 h內;基礎底板需在基底暴露后的24 h內施工完成。開挖時基坑周邊10 m(從圍護內邊線起向外計算)范圍內堆載不得大于5 kN/m2。

2.5 基坑支撐拆換設計工況

工況一:基坑北側留土寬度大于25 m,基坑南側區域進行土方開挖,留土邊坡不大于1∶1.5,設置100 mm厚C20掛網(φ6@200 mm×200 mm)噴混凝土護坡層(見圖5)。

工況二:基坑南側區域開挖至基底后及時澆筑墊層,并施工基礎底板及上翻牛腿換撐結構;后澆帶內設置換撐型鋼;在需要提前拆撐的南北向對撐位置施工換撐剪力墻(見圖6)。

工況三:基坑南側基礎底板、上翻牛腿、后澆帶換撐以及換撐剪力墻全部形成并達到設計強度后方可拆除基坑南側區域指定的第一道支撐,分塊、分段開挖基坑北側留土至基底標高(見圖7)。

工況四:基坑北側開挖至基底后及時澆筑墊層,施工剩余的基礎底板及上翻牛腿換撐結構(見圖8)。

工況五:基坑北側剩余底板及換撐結構達到設計強度,拆除剩余第一道支撐,完成本項目剩余地下結構的施工,并采用中粗砂對地下室外墻與圍護樁間的空隙進行密實回填(見圖9)。

2.6 基坑支撐拆換節點

換撐剪力墻墻厚500 mm,截面為梯形,上底寬5 m,下底寬6 m,墻高4 m。原支撐鋼格構柱外包鋼筋混凝土,尺寸擴大為1 000 mm×1 000 mm,與換撐剪力墻一起澆筑施工(見圖10);原支撐結構表面鑿毛,外包鋼筋混凝土,尺寸擴大為1 300 mm×1 300 mm,與換撐剪力墻一起澆筑。圖中混凝土結構強度等級均為C30,鋼筋保護層厚度均為30 mm,均采用HRB400級鋼筋(見圖11)。

3 基坑支撐拆換撐施工情況

現場基坑實際回筑施工過程中,在需要提前拆除部位整體澆筑剪力墻結構底部與地下室結構底板,并在該地下室結構底板處設置一下翻剪力槽。支撐豎向鋼立柱外包混凝土與剪力墻結構整體澆筑進行加強。對需要進行轉換的支撐結構與剪力墻結構頂部連接區域,鑿毛支撐結構外包混凝土,并設置環形剪力槽,通過新增箍筋和插筋的方式與剪力墻結構頂部進行連接,澆筑混凝土形成整體,待剪力墻結構形成并達到設計強度后,對影響地下室及上部結構施工影響的水平支撐結構進行拆除轉換,以便于主體結構施工。此措施實際節約了約25 d施工工期,實現了業主預定開售節點目標?，F場換撐剪力墻施工圖見圖12。

4 實測數據分析

選取基坑北側圍護樁測斜(CX1,CX4)監測數據進行對比(見圖13—圖15)。

本工程換撐剪力墻施工完成并拆除第一道支撐后,基坑北側累計最大位移約為12 mm,圍護結構側向變形位移滿足上海市DG/T J08-61—2018基坑工程技術標準中環境保護等級二級3‰H(開挖深度)=17 mm的位移控制要求,與基坑圍護設計計算結果相符,證明了此基坑換撐剪力墻設計方案及現場采取的一系列施工措施是有效的。

5 結語

本換撐措施是在周邊環境條件復雜的情況下進行的施工,是一項復雜而帶風險的綜合性地下工程。通過采取有效措施,大幅縮短了施工工期,取得了較好的施工效果。

1)本工程換撐剪力墻施工完成并拆除第一道支撐后,基坑北側累計最大位移約為12 mm,圍護結構側向變形位移滿足上海市DG/T J08-61—2018基坑工程技術標準中環境保護等級二級3‰H(開挖深度)=17 mm的位移控制要求,與基坑圍護設計計算結果相符,基坑北側居民樓房基礎最大位移13.5 mm,均滿足規范要求。證明了設計方案及現場討論采取的一系列措施是有效的。

2)施工時應嚴格地面荷載,禁止坑邊堆土。

3)注意分層分塊開挖,挖土分區長度應不大于30 m,開挖到底后,盡快施工底板,減少基坑暴露時間,墊層可采取加厚配筋等措施;在施工過程中,嚴禁超挖。

4)對鄰近環境保護對象處加強監測;應編制專項監測方案,在拆除對撐以及剪力墻中應設置應力監測。

5)應了解周邊建筑物以及管線等的沉降、變形情況,在準備提前拆撐前應根據建筑物的變形以及沉降情況,綜合判定是否要實施提前拆撐方案,如住宅沉降變形不穩定,應慎重考慮采用此措施。