半逆作法地下连续墙组合支护中立柱的设计

何 亮

(1.太原理工大学，山西 太原 030024; 2.太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002)

半逆作法地下连续墙组合支护中立柱的设计

何 亮1，2

(1.太原理工大学，山西 太原 030024; 2.太原市建筑设计研究院，山西 太原 030002)

对半逆作法地下连续墙组合支护中立柱的设计进行了阐述，指出其应综合建筑功能需求、施工工艺水平、支撑承重和差异变形、主体结构设计等因素进行设计，并应满足作为永久构件的结构与抗震设计。

半逆作法，地下连续墙，立柱，结构设计

0 引言

半逆作法地下连续墙组合支护是指由满足支挡及截水要求并作为地下建(构)筑物外围护墙的地下连续墙与兼作支撑的部分主体结构组成，先行实施竖向结构(地下连续墙及立柱)，按照从基坑顶部向基坑底部的实施顺序，依次将水平支撑结构与竖向支撑结构连接，形成完整安全有效的支撑系统的深基坑工程。

对于半逆作法地下连续墙组合支护的基坑工程其立柱的选型与建筑功能需求、施工工艺水平、支撑承受荷载和差异变形、主体结构永久使用设计等因素密切相关。

目前山西利用该方法实施的基坑工程有：太原亲贤北街梅园中心停车库(钢筋混凝土立柱)，山西煤炭中心医院综合楼(钢管混凝土立柱)，山西万豪广场(型钢格构立柱)，太原红星美凯龙家居生活广场(抱插型钢+钢管混凝土立柱)等。

1 半逆作法地下连续墙组合支护中立柱的选型

作为半逆作法地下连续墙组合支护的基坑工程，其立柱的形式多为以下几种：

1)钢筋混凝土立柱。

立柱为与立柱桩等径的钢筋混凝土圆柱。其基底以下为钢筋混凝土灌注桩，基底以上为内支撑立柱。其设计应兼顾(一柱一桩)桩基承载力、支撑立柱承载力、立柱与水平梁节点的承载力以及将来作为主体结构柱的抗震设计。这种形式的立柱与水平支撑(或基础)的连接一般采用预埋柱帽钢筋、水平钢套环等方式。逆作施工时剔凿量及难度均较大，梁柱连接处的界面处理技术质量要求较高。但对于初次接触逆作施工的总包单位来讲该方法较容易掌握。

2)型钢格构立柱。

一般采用型钢(角钢)+缀板的钢格构组合方式，截面边长介于420～480，角钢一般采用4L160或4L180，材质多为Q235B或Q345B。其插入立柱桩(钢筋混凝土灌注桩)的深度一般为开挖面以下大于立柱边长的4倍(一般取2 m～3 m)。该类型便于与水平结构构件的连接，也易于后期外扎钢筋笼回灌混凝土修成主体结构柱。节点连接方式成熟。

3)钢管混凝土立柱。

采用圆形或矩形钢管混凝土立柱，多数用于逆作区域存在主楼(高层或超高层)结构柱或施工荷载较大、支撑道数较多的基坑工程。此种截面类型的立柱与水平梁板的连接一般采用钢结构环状牛腿或钢筋混凝土环梁。连接方式成熟，工艺技术要求相对较高。

4)型钢组合立柱。

作为与立柱桩同时打入时一般采用满足支护阶段受力的钢管混凝土截面或十字型钢截面，由于在主体受力阶段需满足上部结构钢—混凝土组合结构中芯柱的设计截面，需采取另外抱插、贴焊等二次组合的立柱截面类型，常见为钢管混凝土与十字T型截面的组合、外套主体结构大截面钢管与先期钢管混凝土立柱的组合等。

2 逆作法地下连续墙组合支护中立柱的分析与计算

立柱包括立柱(开挖面以上)和立柱桩(开挖面以下)。半逆作法地下连续墙组合支护的立柱与主体结构柱相结合的设计时，应综合以下几方面：

1)应符合主体建筑使用功能的需求，立柱的截面及外包钢筋笼形成主体柱的截面不应影响建筑平面布置；当因受力导致截面较大时，应增加临时立柱分摊受荷。

2)立柱所受荷载应包括：支挡结构传来的荷载、地下结构施工时的结构自重及施工荷载、地下地上同时施工的应考虑所允许的地上结构的自重及施工荷载、施工栈桥上的运输荷载和堆载。

3)立柱(桩)的布置应与主体结构工程桩的布置相协调，二者的平面位置应尽可能共用，并应满足主体结构对其承载力的要求。一般采用一柱一桩的布置方式。当单根立柱(桩)不能满足基坑工程施工阶段的受力与变形要求时，应在该立柱(桩)附近增设临时立柱(桩)。

4)根据基坑工程施工阶段受力以及主体结构正常使用极限状态的设计要求，立柱可采用前述几种形式。立柱桩一般采用灌注桩。

5)立柱应按偏心受压构件进行受力和变形计算与验算，立柱桩应进行单桩竖向承载力与沉降变形的计算和验算。兼做主体结构的立柱(桩)的设计还应满足现行结构设计标准。

6)立柱与水平支撑结构的连接，应设计有抗剪钢筋、栓钉或钢牛腿等便于施工的有效抗剪构造。

立柱由于前后经历基坑支护承载力极限状态和主体结构正常使用极限状态，设计时应将上述两种状态的受力分析进行统一归并和包络设计。

兼作主体结构的立柱，应考虑垂直度允许额垂直度偏差对竖向荷载偏心的影响，并按双向偏心受压构件设计。当水平内支撑体系同时为结构水平梁板时，可假定其平面内刚度无限大，立柱无水平位移。

基坑工程实施过程中，竖向支撑(立柱与地下连续墙)与水平内支撑共同组成的空间结构体系，承受各工况土水的作用及施工荷载。立柱水平位移由两部分组成：一部分由土水作用下支挡体系的变形；另一部分是刚体位移，即在基坑工程实施过程中，基坑侧壁上荷载随施工工况发生的。刚体位移导致基坑侧壁内力重分布。因此在考虑刚体位移时一般采用有限元建模，通过计算机计算，但计算出来的结果往往容易出现异常，实施前应根据经验进行复核。建议结合结构设计软件对比计算分析。在不考虑刚体位移时，可采用简化计算。目前用于基坑整体设计的软件较多，须结合当地经验确定合理计算参数，着重分析和判断软件结果输出的合理性，万不可机械套用软件结果设计。

对于支撑道数较少或受力较小的立柱一般可采用型钢格构立柱，其截面受压承载力可参照现行GB 50017钢结构设计规范按照两端简支的双向偏心受压构件计算，计算中偏心值按照计算长度范围内1/200偏心量取用。其常用规格和承载力可参阅晋14G03建筑基坑支护构造详图相应表格进行选用。

对于多道支撑且施工荷载复杂的立柱建议采用钢管混凝土立柱或型钢组合立柱。其截面受压承载力可参照现行GB 50010混凝土结构设计规范进行估算和计算。

无论采用何种形式的立柱，其与水平构件连接节点须进行详细的节点设计，尤其对于施工栈桥和堆载较大的结构板与型钢格构立柱连接处须另设抗剪托板。

立柱桩的桩端持力层的选择较计算控制更注重的是概念设计。桩端持力层不仅制约桩端阻力而且影响侧阻力的发挥。事实上，选择压缩性较低的桩端持力层并采取后注浆工艺，立柱桩增强效果相当明显。对于立柱桩，除满足前述两种状态的受力，更重要的是始终保持原有的设计计算假定与实际受力模型的统一。而要保持这种统一必须满足立柱(桩)与地下连续墙的变形协调，也就是二者不可产生较大的差异沉降，其值限制在1/400柱距以内，并不超过20 mm。

3 半逆作法地下连续墙组合支护中立柱的施工及连接设计

立柱桩一般采用钢筋混凝土灌注桩。立柱吊放与安装应通过有效机械装置保证平面定位和垂直度(带有定位系统的长距固定送桩钢支架，可有效避免桩体在安放和重力浇灌混凝土时立柱的跑位，并应按要求延长固定时间)。对型钢格构立柱、矩形钢管混凝土立柱尚应同时控制转向偏差；成桩吊放立柱过程中应采取合理的保护措施，确保整体加工制作的抗剪件不被损伤，并确保吊放过程中，立柱的垂直度满足设计要求；立柱与主体结构柱共用时，平面定位的允许偏差为±10 mm之间，垂直度应控制在1/300。

立柱桩返浆高度以上的桩孔应采用碎石密实回填，并留设注浆管进行注浆填充；在基坑开挖时视主体框架柱实施的顺序剔除负孔灌填部分。支护工况下在满足立柱竖向承载力的前提下，为提高格构截面的稳定性，负孔灌填部分可先不剔除。

基坑开挖过程中，立柱受力状态下如需进行焊接操作，相应位置应预先设置衬板进行隔离。

对于开挖高度过大(一般净高大于5 m)，为保证钢格构立柱的稳定性，应施加赘余约束，在不影响土方清运的方向上布置柱间支撑，柱间支撑一般也采用型钢。柱间支撑的拆除应在该层立柱完成向主体结构柱转变的过程中具有80%强度后。

水平支撑(主体结构构件)与立柱连接的设计应按照竖向构件为立柱和主体结构柱两种状态进行相应的受力分析和结构构造，有抗震设计要求的，尚应满足现行GB 50011建筑抗震设计规范的规定。梁柱节点处的相应的锚固长度起算位置也应依据上述两种状态，在设计文件中予以明确。

一般工程采用的是角钢格构立柱，例如太原中医医院、山西亚泰圣景科贸广场、国网山西电力太原供电地下车库等，这样的立柱便于后期外包钢筋笼的穿越及混凝土的浇筑，水平框架梁钢筋也比较容易穿过，对于个别钢筋穿越是确实无法避免的缀板，经验算或采取其他加固措施后可以板上开洞或切掉部分缀板。

对于立柱采用钢筋混凝土、钢管混凝土、型钢组合立柱的梁柱连接一般采用预置柱帽留筋、预埋钢套环、钢筋混凝土环梁、钢环牛腿等方式。

当立柱平面施工偏差超标，或受条件制约移位施工，对支护结构体系的偏心应按照实际平面定位进行空间三维分析计算与验算。对于因偶然意外因素引起的基坑抢险状态也应以此进行动态设计。

半逆作法地下连续墙组合支护是一个集岩土工程和结构工程于一身的系统工程，其设计与施工要求对这两个领域均要有较深的认识和经验。

[1] 何 亮，侯国彬，丰红彦.太原亲贤北街梅园中心停车库基坑支护设计(基础工程实例3)[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[3] JGJ 94—2008，建筑桩基技术规范[S].

[4] DG/TJ 08—61—2010,基坑工程技术规范[S].

[5] DBJ 04/T306—2014,建筑基坑支护技术规范[S].

[6] DBJ 04/T315—2015,灌注桩后注浆技术规程[S].

[7] JGJ 165—2010,地下建筑工程逆作法技术规程[S].

Designofcolumnpileofcompositionalretainingandprotectionforexcavationsofdiaphragmwallwithpartialtop-downconstructionmethod

HeLiang1,2

(1.TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanInstituteofArchitectureDesignandResearch,Taiyuan030002,China)

As the column pile of compositional retaining and protection for excavations of diaphragm wall with partial top-down construction method, which should be designed according to the requirements of building function, construction technology level, support bearing and differential deformation, main structure design, etc.. The structure and seismic design of permanent components should be satisfied.

partial top-down construction method, diaphragm wall, column, design of composite structures

2017-10-08

何 亮(1971- )，男，在读工程硕士，高级工程师

1009-6825(2017)35-0050-02

TU476.3

A