基于“永临一体化”的调蓄池深基坑内支撑设计优化

张自光，孟 源，陶佳佳

（1.建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601；2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；3.中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041；4.江苏雷威建设工程有限公司，江苏 南京 210003）

常规的深基坑支护结构多为临时性，主体结构施工完成后即退出工作，并被拆除或者遗弃在地下，造成极大浪费。基于“永临一体化”的深基坑内支撑结构是将基坑内支护结构同时作为地下主体工程永久结构，内支撑无需拆除，避免了材料以及由此引起的人力、物力、社会资源的浪费，同时避免了内支撑拆除过程中引起的围护结构二次受力和二次变形造成的影响，实现了深基坑支护结构的永久化，具有高效节能、绿色环保、建设周期短等诸多优势，是近年来我国迅速发展和积极推广的一种新型深基坑支护技术[1-2]。梁梦梦等[3]以昆明螺蛳湾超大深基坑工程项目为背景，介绍了深基坑内支撑与结构一体化相结合的设计施工技术；李连祥等[4]结合济南某基坑工程实践，对支护桩与地下主体结构相结合的永久支护结构受力变形特征进行了全过程分析；张毅[5]结合某调蓄池基坑工程实例，综合比较分析了基坑临时支护结构与主体工程永久结构分离设计和结合设计的两种方案；叶海龙[6]就一种内支撑临时水平结构用作永久结构梁板工程申请了“一种内支撑临时水平结构用作永久结构梁板的方法”发明专利；袁野、仝联飞[7]总结了深基坑支护结构与设计主体结构相结合的设计类型和分析方法；田丽丽等[8]深入介绍了主体结构用作深基坑支撑的设计思路、施工工序、计算分析、开挖效果等；胡焕校等[9]总结分析了支护结构与主体结构相结合的深基坑复合支护技术的适用性及特点；路林海等[10]指出深基坑支护桩与主体结构结合的技术可以有效控制基坑变形；李大华等[11]详细阐述了“桩墙合一”及地下结构梁板替代内支撑在工程中的应用。

上述研究成果为本文提供了重要的思路，然而目前关于深基坑“永临一体化”的研究主要集中于深基坑锚拉式支护结构，针对地下全封闭式雨水调蓄池工程特征的深基坑“永临一体化”内支撑结构形式，尚未检索到相关报道。本文紧密结合合肥清三冲雨水调蓄池深基坑工程实践，对比分析调蓄池地下主体结构和深基坑内支撑结构特征，在此基础上提出了一种深基坑“永临一体化”内支撑设计优化方案，并详细阐述了优化方案的实施步骤，可为该类深基坑工程支护结构设计及相关规范标准制定提供参考依据和范例支持。

1 工程项目特征

1.1 工程概况

清三冲雨水调蓄池项目位于安徽省合肥市蜀山区，地貌类型属江淮波状平原，微地貌为南淝河一级阶地，用地性质属临河公园绿地，周边无重要建（构）筑物。基坑场地西、北、东三面临河，南侧为城市小路，其中北侧距南淝河河堤45～80 m，东侧距河堤12～25 m，西侧距河堤15～21 m，南侧距顺河南路距离1.5～7.0 m。项目场地地形较为平整，为便于论述，本文将地面相对高程记为0.0 m，文中其余高程均为与地面的相对高程。

清三冲雨水调蓄池深基坑项目由调蓄池主体矩形基坑、放空泵房基坑和管理用房基坑三部分组成，平面形态整体呈异型状，其中主体结构基坑开挖深度为18.4～19.7 m，放空泵房基坑开挖深度为19.7～21.2 m；管理用房基坑平面开挖深度为8.6 m。深基坑平面构成及相关尺寸如图1 所示。

图1 基坑平面图

1.2 主体结构地下工程

清三冲雨水调蓄池主体采用地下三层封闭式钢筋混凝土框架结构。调蓄池顶板屋面采用双向板肋梁楼盖，梁顶面设计相对高程为-5.8 m，楼盖上方土体回填完毕后种植树、草，恢复公园地面。调蓄池底板采用承压型囊式扩体锚杆作为永久抗浮构件，池底高程设计相对高程-18.4～-21.2 m。调蓄池设计有效容积40 000 m³。调蓄池地下二层和三层主体结构混凝土强度等级为C35，框架梁顶面设计相对高程依次为-9.3 m、-13.3 m，框架梁断面尺寸为600 mm×600 mm，结构柱断面尺寸800 mm×800 mm，平面分布如图2 所示。

图2 调蓄池地下框架梁柱结构平面分布图

1.3 深基坑开挖支护结构特征

清三冲调蓄池深基坑开挖严格按照“分段、分层、分块、对称、平衡、限时”的时空效应理论要求进行。基坑自北向南纵向分3 段，自上而下分层开挖，每层开挖厚度不大于5 m，临时边坡坡度不大于1：1，开挖完成一块、清理平整一块、垫层施工一块。根据深基坑稳定性及变形控制要求计算结果，结合场地条件，深基坑首先进行半放坡开挖，放坡高度7.0 m，设两级开挖平台，每级平台开挖高度为3.5 m。基坑放坡开挖作业实施前，首先在放坡坡顶靠近坡面位置施作一道四周封闭水泥土深层搅拌桩落地式止水帷幕，作为基坑放坡开挖期间的地下水防控止水措施。基坑放坡开挖作业完成后，在坡底靠近基坑侧壁自内而外依次施作钻孔灌注桩、高压旋喷桩、水泥土深层搅拌桩，并进行流水作业，以加快工程实施进度，如图3、图4 所示。

图3 基坑支护体系断面图

图4 基坑围护桩平面分布图

深基坑内支撑采用“二道水平支撑，中间设置竖向支撑”的组合方式，如图5 所示。基坑水平支撑采用强度等级为C30 钢筋混凝土结构，横断面尺寸800 mm×800 mm，上下两道水平支撑顶面相对高程分别为-7.3 m 和-12.3 m。基坑竖向支撑采用钢立柱插入立柱桩基的“一柱一桩”结构形式，插入深度为3.0 m。钢立柱由强度等级为Q235B的4L200×18 等边角钢和缀板焊接而成，内部灌注C30 混凝土，截面尺寸500 mm×500 mm，下部立柱桩为钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，如图6 所示。

图5 基坑内支撑平面分布图

图6 深基坑内支撑

2 深基坑内支撑设计优化

2.1 方案优化

调蓄池主体工程整体采用地下三层框架结构体系，其中地下二层和三层框架梁顶面设计相对高程依次为-9.3 m 和-13.3 m。调蓄池深基坑原设计第一道和第二道水平支撑顶面相对高程分别为-7.3 m 和-12.3 m，且地表以下7.0 m 深度范围内放坡开挖。因此，将基坑放坡开挖高度由7.0 m调整为9.0 m，基坑第一道水平撑的顶面高程即可与主体结构框架梁顶面高程取值一致；基坑第二道水平撑顶面高程下调1.0 m（即-13.3 m）与主体结构地下三层框架梁高程取得一致，基坑两道水平支撑间距由原设计5.0 m 调整为4.0 m。基坑水平和竖向支撑结构形式、断面尺寸、数量及平面分布位置均与原设计保持不变，以维持基坑开挖方式、材料运输和土石方出土路线不变。

2.2 实施流程

基于“永临一体化”的深基坑水平内支撑与围护桩的连接方式与原设计维持不变，仍通过冠梁和腰梁方式实现连接。在水平支撑与调蓄池主体结构边墙的连接部位预埋钢筋连接器，待边墙施工时凿出钢筋连接器，完成水平支撑与边墙的连接，如图7 所示。水平支撑与竖向内支撑的连接节点通过在角钢格构柱的梁侧加腋法完成。梁侧加腋法通过在梁侧加腋的方式扩大梁柱节点位置梁的宽度，使得梁的主筋得以从角钢格构柱侧面绕行贯通，如图8 所示。格构柱在基坑开挖完成后通过外包混凝土的方式形成主体工程结构永久框架柱。

图7 水平支撑与边跨结构柱连接节点

图8 水平撑与格构柱连接节点

基于“永临一体化”清三冲调蓄池深基坑内支撑设计优化方案按如下步骤实施：

第一步：放坡开挖。在雨水调蓄池深基坑周边放坡坡顶靠近坡面位置，按设计深度施作一道四周封闭的深层搅拌桩止水帷幕；地面下9 m 采用半放坡分层开挖，每层开挖厚度4.5 m，坡比1：1，共设两级开挖平台，如图9 所示。

图9 放坡开挖

第二步：施作围护结构及坑内立柱。在调蓄池深基坑半放坡坡底靠近开挖面处按设计深度施作钻孔灌注桩围护结构，按设计位置、深度等施作高压旋喷桩、水泥土深层搅拌桩、坑内立柱桩。坑内立柱为钢立柱插入立柱桩基的“一柱一桩”结构，上部的所述钢立柱由4 块等边角钢和缀板焊接而成的格构柱构成，下部的所述立柱桩基为钢筋混凝土钻孔灌注桩基础，如图10 所示。

图10 施作围护结构及坑内立柱

第三步：开挖，施作第一道水平支撑。开挖基坑坑内土体至第一道钢筋混凝土水平支撑底部设计标高（-10.1 m 高程）以下20～30 cm；浇筑混凝土垫层，绑扎钢筋，浇筑完成钢筋混凝土支撑，完成兼做调蓄池地下二层主体结构框架梁的第一道钢筋混凝土水平支撑施作，如图11 所示。

图11 开挖并施作兼做一道水平支撑的地下二层主体结构框架梁

第四步：开挖，施作第二道水平支撑。开挖基坑坑内地层至第二道钢筋混凝土水平支撑底部设计标高（-10.1 m 高程）以下20～30 cm；浇筑混凝土垫层，绑扎钢筋，浇筑完成钢筋混凝土支撑，完成兼做调蓄池地下三层主体结构框架梁的第二道钢筋混凝土水平支撑施作，如图12 所示。

图12 开挖并施作兼做二道水平支撑的地下三层主体结构框架梁

第五步：开挖，施作结构底板。开挖基坑坑内地层至基坑基底设计高程，绑扎钢筋、支模版、浇筑混凝土，形成基坑底板，完成基坑开挖作业，如图13 所示。

图13 开挖并施作结构底板

第六步：自下而上依次施作地下主体结构柱、梁、墙、板，完成地下主体结构工程施工，如图14 所示。

图14 自下而上依次施作调蓄池地下主体结构柱、梁、墙、板

第七步：结构顶板回填，恢复地面。调蓄池主体结构施工完毕并达到设计要求后，在结构顶板上表面回填新鲜土体，使地面恢复至放坡开挖前状态，进行植被或公共设施建设，完成调蓄池结构施工，如图15 所示。

图15 结构顶板回填，恢复地面

3 深基坑“永临一体化”内支撑结构实施效果分析

监控量测是保证深基坑工程施工安全、验证基坑支护结构设计合理性的有效手段，监测数据可定量反映工程实施效果。清三冲雨水调蓄池深基坑工程周边共布设围护桩桩体水平位移监测点10个，围护桩桩顶竖向及水平位移监测点均为17 个，立柱竖向位移监测点6 个，地表沉降监测点17 组合计51 个。清三冲雨水调蓄池深基坑工程各监测项目监测数据统计分析结果如表1 所示。

表1 深基坑支护结构及地表沉降监测统计分析

由表1 可见，清三冲基坑围护桩桩体水平位移最大值21.5 mm，最小值14.7 mm，平均值17.9 mm；桩顶竖向位移最大值4.7 mm，最小值0.1 mm，平均值1.5 mm；桩顶水平位移最大值20.4 mm，最小值7.0 mm，平均值14.3 mm；立柱竖向位移最大值8.0 mm，最小值2.4 mm，平均值4.8 mm，如图16 所示；基坑开挖引起的周边地表沉降最大值19.2 mm，最小值4.0 mm，平均值12.8 mm，典型时程曲线如图17 所示。说明基于“永临一体化”的调蓄池深基坑内支撑结构整体稳定性好，对周边环境影响较小，工程建设整体效果良好。

图16 深基坑围护桩桩顶水平位移

图17 基坑周边典型地表沉降时程曲线

4 结论

调蓄池深基坑“永临一体化”内支撑结构不改变深基坑水平和竖向内支撑结构形式、断面尺寸、数量及其平面分布位置，不改变基坑开挖方式、材料运输和土石方出土路线，仅通过对内支撑竖向高程等技术的轻微调整，使其满足地下主体结构受力变形及空间位置分布要求，将深基坑水平内支撑和竖向内支撑同时承担地下主体结构框架梁柱结构的功能，进而实现深基坑临时支护结构与调蓄池地下主体永久结构的一体化。本文详细阐述了调蓄池深基坑“永临一体化”内支撑结构实施步骤。工程实施效果表明，基于“永临一体化”的调蓄池深基坑内支撑结构整体稳定性好，对周边环境影响较小，工程建设整体效果良好，为类似基坑工程支护结构设计提供了参考依据和范例支持。