排桩+内支撑体系中的拆换撑受力分析及变形研究

叶文启

1.同济大学土木工程学院 上海 200092；2.中天建设集团有限公司 上海 201102

1 工程概况

中骏广场项目位于上海市虹桥商务区申长路以东、迁虹路以南、申虹路以西、宁虹路以北，基坑为正方形，建筑面积220 396 m2，整体呈“回”字形，外围为1层地下室，约19 430 m2，内部为2层地下室，约27 600 m2。建筑采用围合式布局，沿街布置了7栋高层办公楼及多栋多层办公楼。办公楼底层布置沿街商业。2层地下室主要作为停车库及地下储藏间。本工程地上部分主要由6幢4F、10幢5F、2幢8F及5幢9F号楼组成，地下部分则主要由1层地下室与2层地下室组成（图1）。地下室基础形式为承台-筏板-桩基础，工程桩为预制方桩或管桩。

图1 项目地下室、上部结构以及周边道路分布示意

基坑支护采用钻孔灌注桩，外围设置三轴水泥土搅拌桩作止水帷幕，两者之间用压密注浆填充。基坑整体形状为正方形，1层地下室结构分布于基坑外围周边，地下2层部分位于基坑中部，两者交界部分同样也采用钻孔灌注桩和三轴搅拌桩的支护和止水体系。本工程地下1层开挖深度为6.1 m，局部深坑6.9～7.6 m不等；地下2层开挖深度为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层结构的水平支撑体系为钢筋混凝土角撑和钢管斜抛撑组合，地下2层结构水平向由1道钢筋混凝土角撑和对撑作为主要受力体系。

2 基坑工程难点和施工顺序控制

2.1 施工难点

1）基坑开挖面积大，且坑内挖深不同。地下1层挖深6.1 m，地下2层为10 m，坑内多处存在局部深坑，标高各异，施工流程与支撑的传力关系复杂。

2）基坑内各建筑完成时间节点不同。按照进度要求，东北角位置处的B22#和B23#办公楼要最先完工，东南角位置处的B7#办公楼计划在东北角的2栋4层建筑（B22#和B23#）封顶时完成底板浇筑，此3栋房屋是整体工程的时间控制节点。由于结构时间节点不同，对应建筑的拆换撑和受力体系的调整较为困难。

2.2 基坑施工顺序的控制

对于外围为地下1层，中间为2层的“回”字形结构，在总体方案设计时采用逐层开挖、先浅后深的方法。对应整体的施工顺序依次为：盆式挖土，坑边留土，施工2层地下室区域的钢筋混凝土支撑→待2层地下室区域的钢筋混凝土支撑达到80%强度后，架设地下1层区域钢支撑，并施加预应力→地下1层区域开挖至坑底，并及时施工底板、传力带以及混凝土换撑→待地下1层区域底板、传力带及混凝土换撑达到设计强度后，拆除钢支撑→地下1层区域继续施工，地下2层区域开挖至坑底，并及时施工底板及传力带→待地下2层区域底板及传力带达到设计强度后，继续向上施工地下2层结构及传力带→待地下2层结构及传力带达到设计强度后，拆除此区域钢筋混凝土支撑和地下1层区域的混凝土换撑→地下1层和地下2层区域继续向上施工，凿除分隔桩，连接结构梁板[1,2]。

为保证既定办公楼的竣工时间节点，以基坑东侧土方开挖和内支撑架设为主进行工期掌控，采用自北向南、自东向西的开挖和支撑步骤进行，具体顺序如图2所示。

图2 模拟东侧地块的开挖和支撑顺序

1）完成地下1层和地下2层的围护桩基，形成地下1层冠梁和南北向钢筋混凝土角撑；

2）盆式挖土，坑边留土，施工地下1层范围内钢管斜抛撑（此时地下1层范围内压坡脚土体保留）；

3）施工地下2层范围内围护桩冠梁和混凝土角撑及对撑，待强度达到80%后开挖压坡脚土体，浇筑B22#和B23#楼层垫层及底板；

4）施工2栋单体建筑的上部结构，拆除与其位置相对应的地下1层混凝土角撑和部分斜抛撑支护。

3 计算模型的建立以及内支撑体系的受力分析和调整

不同开挖深度基坑挖土以及内支撑布设后的三维计算模型如图3所示。

图3 基坑开挖及内支撑布设完毕后的整体三维计算模型

由图3可以看出，用作样板展示房和售楼处的B22#与B23#楼位置对地下2层区域内支撑受力的影响有一定的差别。地基土层参数按地质报告确定，各层土体厚度由各剖面图取平均值。

3.1 B23#楼施工方案及受力变形分析

B23#楼主体位于地下1层的东北部角撑处，地基及基础全部位于地下2层的东北角钢筋混凝土角撑的受力控制范围之内，因此其施工顺序可以与整体顺序不同[3,4]：

1）施工地下1层东北侧冠梁和混凝土角撑；

2）盆式开挖并施工地下2层冠梁和角撑；

3）待地下2层角撑强度形成后，设置对应部位的钢管斜抛撑并清空地下1层对应部位压坡脚土体；

4）浇筑结构底板，待强度形成后拆除斜抛撑；

5）施工地下室结构并拆除角撑。

与此栋楼相关的支护结构均为角撑，地下1层范围内的角撑待该楼底板强度形成后便可替换，上部结构以及下部土层受力系统相对独立，按此顺序施工后，其变形计算值与实测值对比如图4所示。

由图4可以看出，以角撑为主要受力体系的B23#楼，只要保证底板强度形成并与地下2层范围内混凝土支撑形成连接传力，便可控制主楼的变形，在地下2层东西向支撑未形成时仍可以保证变形及安全要求。

图4 基坑侧向变形

3.2 B22#楼施工方案及受力变形分析

B22#楼位于地下1层东北侧的钢管斜抛撑位置，具体空间位置如图5所示。

图5 B22#楼空间位置示意

由图5可以看出，本栋建筑位于地下1层基坑范围内，底板上部均为斜抛撑支护。与其邻近的地下2层钢筋混凝土支撑受力体系为角撑和对撑，两者分担的支护长度分别约为24 m和14 m。

若只考虑地下2层的角撑施工，图5中2#测点的水平变形实测值与计算值如图6（a）所示。若不考虑混凝土对撑，直接将主楼与土体荷载施加于地下2层围护桩体系之上，1#测点的水平向变形与考虑混凝土对撑的计算结果如图6（b）所示。

由图6（a）可以看出，对于地下2层角撑控制范围内的土体，其变形情况与B23#楼对应的上层角撑拆除后且底板强度形成阶段的趋势一致，实测值和计算值的幅值以及变形趋势均保持一致，但对于地下2层对撑控制的区域，若无对撑受力，则钢管撑拆除且结构底板强度形成后，其变形已达到或超出基坑的变形报警值，在图6（b）图中，当设置地下2层混凝土支撑后，对应测点的水平变形计算值减小50%以上，处于可控范围内。

图6 基坑侧向变形

4 结语

本文基于上海中骏广场基坑项目设计，结合工程自身的特点，采用数值模拟计算，并以现场实测数据为基础，研究了基坑分步开挖及拆换撑对周边环境的变形影响，结论如下[5-7]：

1）在局部与整体施工进度不一致的情况下，为保证局部单体建筑的按时完工，可根据单体建筑位置，优先施工能独自受力的局部构件，如混凝土角撑和对应的钢管撑，并以此为基础提前完成特定单体建筑的基础及上部结构。

2）以数值计算为基础，结合现场实测资料，能够定性分析不同施工步骤对周边环境和对应区域的变形和受力，可以此为基础优化局部和整体的设计方案。

3）对单体工期要求较高且牵扯整体支护受力的建筑，宜优先施工其对应区域的局部和部分整体支撑系统，在一定程度上提高了单体工期。