超大深基坑七圓環內支撐拆除施工技術實踐*

胡賀祥,繆應璟,宋志強,劉克文,徐中華,阮永芬

(1.中國建筑一局(集團)有限公司,北京 100161; 2.云南建投第一勘察設計有限公司,云南 昆明 650051;3.華東建筑設計研究院有限公司上海地下空間與工程設計研究院,上海 200002;4.昆明理工大學建筑工程學院,云南 昆明 650051)

1 工程概況

昆明市綜合交通國際樞紐建設項目位于昆明市官渡區,是昆明市創建國家“公交都市”的重要支撐和TOD模式的試點項目。項目基坑工程為超大規模深基坑,造價4.5億元,是云南省目前規模最大、最具挑戰性的建筑基坑工程。基坑總面積5.6萬m2,周長1 109m,普遍坑深18m,土方量110萬m3,采用地下連續墻+3道七圓環內支撐的支護形式,七圓環布置與塔樓位置基本一致(見圖1),可實現6棟塔樓先行施工,是世界上環數最多的整體耦合受力基坑內支撐工程。

圖1 昆明交通樞紐項目基坑

基坑安全等級為一級,變形控制嚴格,設計工作年限為2年。地下連續墻普遍區域墻厚1 000mm,槽段之間普遍采用H型鋼接頭,西側緊鄰既有建筑區域墻厚1 200mm,在該區域地下連續墻冠梁處增設1道水平角撐和1道豎向斜拋撐。豎向支撐系統采用鉆孔灌注樁內插角鋼格構柱的形式,立柱采用型鋼格構柱。首道水平支撐兼作施工棧橋和材料堆場使用,設置250mm厚封板;第2,3道支撐局部設置加強板帶;第1道支撐至自然地坪設置4道棧橋,第1道支撐至第2道支撐頂設置1道棧橋,第2道支撐至基底采用預留土方坡道,基坑典型剖面如圖2所示。

圖2 基坑典型剖面

2 重難點分析與應對措施

2.1 內支撐規模超大,支撐拆除量巨大

基坑工程造價4.5億元,內支撐規模超大,內支撐混凝土用量3.3萬m3,鋼筋用量7 600t,與8度區8萬m2住宅小區的鋼筋混凝土用量相當。

由于單層支撐拆除工程量較大,為了縮短因支撐拆除影響的地下室結構施工工期,將項目整體分為A,B,C,D 4個區,每個區再細分為6～7個施工段,配置多個班組同時進行拆除作業。

2.2 耦合受力轉換復雜,安全風險控制難度大

七圓環組合環撐之間耦合受力,傳力路徑復雜,拆除時耦合受力轉換復雜。不完整的環撐體系承載力大幅降低,無法對圍護結構形成有效支撐,且拆除時間過長,會加大基坑的變形。同時,首道支撐距地下連續墻頂4.5m,拆除首道支撐后,地下連續墻懸臂6.3m,周邊環境變形安全風險大。

由于基坑變形安全風險大,項目通過計算復核,采取“先次后主”的拆除原則,精細排布拆除順序。對計算受力集中或強度不足部位(斜拋撐)采取增加臨時支撐的措施進行加強。

2.3 周邊環境復雜,變形控制要求高

項目緊鄰既有高層建筑、地鐵、高架、市政道路、地下管線及河流,對變形敏感,保護要求高。場地南側為在建地鐵6號線東郊路,東南角距區間隧道僅12m;東側為在建地鐵4號線菊花村站及其附屬設施、已建清水河改造工程;北側為現狀金汁河明渠;西側為云南省交通中心醫院和多層老舊小區,距基坑僅約13m,如圖3所示。

圖3 基坑周邊環境平面(單位:m)

由于周邊環境復雜,基坑變形控制要求高,項目調整拆除區域,對于敏感部位,在周圍結構完成后,再拆除該處內支撐。對變形敏感部位采取臨時加固措施,增加鄰近基坑邊的后澆帶內換撐,并在基坑西側原鋼斜撐設置換撐,確保支撐拆除時周邊環境穩定。

2.4 多層泥炭質土,拆除過程安全風險大

昆明是為數不多的市區就下伏泥炭土的城市。昆明滇池地區泥炭土具有天然重度小、含水率高、孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低等特點,是土木工程中性質極差的特殊軟土。泥炭土的主要揭露點多位于昆明市北部區域,昆明綜合交通國際樞紐建設項目即位于此區域,基坑開挖深度范圍內存在多層泥炭土,對基坑安全和變形影響大。

針對變形控制難度大的問題,項目采用對周邊環境影響小的靜力繩鋸切割作為主要拆除方式。通過三維受力分析,確定先次后主的拆除順序:次梁→環撐→角撐→對撐。掃除枝葉,保留骨架,對撐周邊主體結構完成后拆除對撐。加強拆除過程中的基坑監測頻率和預警機制。

3 整體施工部署

3.1 支撐拆除方法選擇

本工程內支撐拆除屬于關鍵線路的分項工程,由于支撐體系復雜,內支撐拆除工作量大,如不能合理安排,極易影響主體結構施工的進度。混凝土內支撐拆除一般采用繩鋸切割、機械破除和爆破拆除的方式。各項工藝特點如表1所示。

表1 工藝可實施性分析

鋼筋混凝土支撐拆除最終采用無損靜力繩鋸切割、封板采用金剛石碟式切割設備切割、節點位置采用鑿巖機配合人工風鎬破碎。繩鋸切割拆除成本略高,但方便清理場地,方便流水施工,占主線路工期較少,無噪聲擾民情況,綜合考慮項目運營成本,繩鋸切割效益較好,具體工藝造價對比如表2所示。

表2 工藝造價對比明細

鋼筋混凝土支撐拆除均采取繩鋸切割吊運,支撐拆除大面上采用繩鋸切割+叉車駁運+汽車式起重機外運。為縮短工期,局部位置可增大切割單元尺寸。待所有支撐梁的下部搭設馬凳完成后,方可進行切割拆撐施工,拆撐總體順序與主體結構施工順序一致。

3.2 支撐拆除分區及順序

3.2.1水平分區

根據現場實際施工工況,對原基坑設計計算文件進行分析,同時根據主體施工分區,將內支撐分為4個區(見圖4),每區分為6～7個施工段(見圖5),由于首道支撐需考慮場地轉換等問題,與第2,3道內支撐拆除分區不同。

圖4 內支撐拆除分區

圖5 內支撐拆除分段

4個大區同時施工,保證有4個以上的分段施工,每個大區按照分段序號順序先后施工,每個分段按先角部后中間,先環梁后支撐梁,最后腰梁的原則順序進行。

3.2.2切割分段

支撐按照地下室樓蓋的承載力進行分段切割。切割后的混凝土塊不超過樓板允許承載力,以確保混凝土塊體在吊離前的安全。

根據現場汽車式起重機及塔式起重機的設置確定支撐梁的切割質量(5～8t較安全經濟)。再根據支撐截面尺寸及計劃切割質量確定切割長度,對支撐切割段進行順序標記。

3.2.3拆撐整體順序

由于基坑較大且內支撐耦合受力,為減小基坑變形,按最后拆除主對撐的方式,先拆除圓環周圍的環撐與腰梁,保留主對撐;同時采用跳拆的方式,完成一個施工段的拆除施工,暫時保留相鄰區域支撐,立即進行相應主體結構施工,完成換撐。4個區域同時進行,拆除過程中嚴格監測基坑變形,根據基坑監測數據進行下一步拆除區域安排,最大程度減小拆除施工對基坑的影響,拆除步驟如圖6,7所示。

圖6 第2,3道支撐拆撐順序

圖7 首道支撐拆撐順序

首道支撐拆除涉及場地轉換,考慮場內堆場與道路情況,需采用“退拆”的順序進行,環撐與腰梁拆除順序與第2,3道支撐一致,保留對撐作為場內道路,對撐拆除時先拆除遠離下坑坡道一端,然后向靠近坡道一端退拆,同時及時完成主體結構,形成換撐,最后拆除下坑坡道。

3.2.4拆撐局部順序

為減小變形,支撐局部位置拆除遵循“分清主次、對稱拆除;先拆次要桿件、再拆主要桿件”的原則,按照先拆環撐,后拆對撐、角撐,最后拆腰梁的順序進行,拆除與腰梁連接的桿件時,采用隔一拆一的方式使支撐整體均勻卸載,不致受力轉換過程中因局部受力過大而產生較大變形,威脅基坑安全。局部拆撐順序如圖8所示。

圖8 局部拆撐順序

4 拆除施工輔助施工技術

4.1 位移敏感區鋼斜撐換撐技術

基坑西側存在高層醫院,基坑邊荷載較大,同時該處位于基坑陽角位置,圍護體剛度較小。由于首道支撐距地下連續墻頂4.5m,基坑階段在該處地下連續墻與首道支撐之間設置了鋼拋撐減小基坑變形,經計算分析,拆除時進行臨時鋼斜撐換撐可大幅減少對高層醫院建筑的影響。

鋼拋撐采用隔一拆一的方式,先拆一部分,變形穩定后再拆下一批次。換撐共17根,采用BIM模型確定鋼拋撐位置,避開支撐與豎向主體結構,完成換撐施工后,進行鋼拋撐的拆除施工,如圖9所示。經計算采用鋼換撐后,對基坑變形控制明顯。

4.2 切割塊水平轉運的樓蓋協同承載技術

內支撐拆除階段,切割下來的支撐段,由叉車經樓蓋短駁至吊裝位置。為保護樓蓋結構,樓板下方滿堂鋼管腳手架模板支撐不拆除(第2道支撐拆除時,保留地下3層全部模板支撐體系;第3道支撐拆除時,保留地下2層全部和地下3層部分模板支撐體系),且叉車行駛路線上鋪設3m×3m的5mm厚鋼板,以增加結構樓板承載力。

如單純考慮模板體系支撐,桿件較密成本較高,因此考慮支撐體系與結構樓板協同受力。建立協同受力模型,如圖10所示。經計算,適當減小立桿間距后,受力模型滿足承載要求。樓板不能承擔叉車所有荷載,需設置支撐體系,通過支撐體系與結構協同受力,協同受力滿足要求。

圖10 樓板與支撐協同受力模型

4.3 BIM輔助繩鋸切割點布置技術

由于支撐量較大,人工對支撐進行切割點排布工作量大,因此工程采用BIM技術輔助支撐拆除。

利用Revit軟件對基坑支護體系進行建模,如圖11所示,模型共分10 094段。使用軟件導出構件明細表,根據切割長度對支撐梁進行分段標號,計算切割刀數,再根據施工區域及施工計劃,計算所需設備數量及型號。

圖11 混凝土支撐模型

5 實施效果

綜合使用內支撐拆除施工關鍵技術后,項目有效拆除工期3個月完成了全部內支撐拆除工作,經過全過程監測,拆撐前后墻頂位移差值小于8mm,如圖12所示,整個基坑及周圍環境變形可控。

圖12 支撐拆除前后水平變形

通過以上技術的應用,自土方開挖至內支撐拆除完成的整個基坑施工過程,緊鄰基坑12m的地鐵區間軌道道床最大豎向位移為4.5mm,最大水平位移為4.6mm(見圖13),滿足6mm的變形要求,保障了地鐵的正常運營。多圓環內支撐成套施工技術與安全控制技術的應用,解決了泥炭土地層毫米級變形控制條件下,超大深基坑七圓環內支撐整體耦合受力轉換的難題。

圖13 軌道道床變形監測曲線

6 結語

1)為保證基坑內支撐的快速安全拆除,以“兩縱兩橫”為主要傳力骨架,提出“先次后主”的內支撐拆除原則,采用“原路撤退、對稱拆除”的拆除順序。

2)對比了繩鋸切割、機械破除和爆破拆除3種工藝的優缺點,綜合工期、成本、環保、結構擾動等因素,選擇繩鋸切割拆除工藝。

3)創新拆除步序,拆除和地下結構施工各分為對應的4個區域流水進行;第2,3道撐采用分區分段拆除方式,詳細排布拆除步序;首道支撐涉及到大量封板和場地轉換,采用“掃除枝葉,保留骨干”的拆除方式。

4)采用位移敏感區鋼斜撐換撐技術、切割塊水平轉運的樓蓋協同承載技術、BIM輔助繩鋸切割點布置技術3種輔助施工技術。

5)通過以上技術實現了軟弱泥炭土超大規模深基坑對緊鄰地鐵影響的毫米級變形控制,為超大型項目的混凝土內支撐拆除提供了良好范例。