复杂环境下超大面积深基坑工程异步拆换撑设计*

金晓飞,李 靖,翁其平,刘若彪,赵艳波

(1.中国建筑一局(集团)有限公司,北京 100161; 2.华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院,上海 200002; 3.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心,上海 200002)

0 引言

近年来,随着我国城市地下空间开发利用的快速发展,城市建设中超深超大规模的基坑工程也越来越多。中心城区进行深大基坑工程施工,一方面要通过合理的基坑支护形式来确保基坑自身安全;另一方面,基坑施工过程中更要采用合理的变形控制措施以减小基坑开挖施工对周边环境的影响。近年来,随着城市建设的不断完善,基坑工程周边往往存在着地铁、保护建筑、地下管线等重要保护对象,基坑设计施工的难度也随之愈来愈大。与此同时,建设单位为加快资金回笼,往往对工期提出较高要求。如何在确保基坑及周边环境安全的前期下,通过合理的技术手段缩短工期也是基坑设计单位需要重点考虑的问题。

昆明综合交通国际枢纽项目位于昆明市官渡区核心区域,南侧紧贴地铁6号线东郊路站,东侧邻近地铁4号线菊花村站,西侧邻近云南省交通医院和多栋多层老旧居民楼,周边环境保护要求极高。基坑总面积近6万m2,普遍区域挖深超过18 m,属于深大基坑工程。同时该项目业主对塔楼工期提出了极高的要求。本文结合昆明综合交通国际枢纽项目基坑工程,归纳总结中心城区深大基坑的变形控制方法和缩短工期措施,在此基础上创新性采用异步拆换撑的技术手段进一步满足了建设单位严格的工期目标。

1 工程概况

1.1 项目概况

本项目主体建筑包含4栋高层住宅塔楼、2栋超高层塔楼,裙楼为7层/8层商业体。普遍设3层地下室,局部与6号线东郊路站相接侧地下室为2层,整体采用桩筏基础形式。基坑总面积约为56 958 m2,周边延长米约1 084 m。基坑分为A,B两个区,其中A区基坑面积为56 110 m2,开挖深度17.7～20.5 m;B区基坑面积为848 m2,开挖深度13.4 m。基坑各区域分布如图1所示。基坑总体实施顺序为先施工A区基坑,待A区基坑施工完成后再开挖实施B区小基坑。B区基坑设计施工难度较小,因此本文主要介绍A区基坑支护技术。

图1 基坑分区示意Fig.1 Foundation excavation zoning

1.2 周边环境概况

本工程场地周边环境条件十分复杂,基坑南侧紧贴地铁6号线东郊路站及其附属出入口,基坑距离地铁盾构区间隧道最近距离仅13 m;基坑距离南侧东郊路高架最近约44.6 m;东侧邻近新建4号线菊花村站,基坑距离地铁车站及其附属出入口最近距离分别为53.7 m和10.4 m,此外基坑东侧还存在一条新建的清水河明渠,该明渠距离基坑开挖边线约30 m。基坑北侧为现状金汁河,基坑与金汁河最近距离约35.2 m。基坑西南侧为云南省交通医院和多栋多层老旧居民楼,云南省交通医院为22层高层建筑并设有1层地下室,居民楼为5～8层混合结构建筑,与基坑最近距离约13.7 m。

1.3 工程地质条件

本工程地处昆明断陷盆地北东部的冲湖积平原与冲湖积台地的过渡地段,属湖相沉积盆地地貌。土层参数如表1所示,表层为第四系人工堆积层,浅部为第四系全新统冲洪积层,下部为第四系上更新统冲湖积层,岩性为黏性土、粉土、圆砾等。其中,⑤层及以上地层处于基坑开挖范围之内,⑦层以上地层处于基坑围护结构嵌固范围之内。

表1 土层参数Table 1 Parameters of soil

地下水以孔隙潜水为主,赋存于圆砾、粉砂层中;其中④1圆砾层、⑤2圆砾层、⑥4砾砂层为含(透)水层,④1圆砾层分布范围较广,层厚较大,大部分位于基坑开挖深度范围内。⑤2层、⑥4层埋深较大,且连续性较差,结构密实,有黏性土、粉砂充填,对基坑工程影响较小;此外场内的粉土层(④层、⑤层、⑥1层、⑦1层)为富水性及渗透性较弱的相对含(透)水层,其中④层、⑤层粉土局部渐变为粉砂,富水性、渗透性稍强,而其他各黏性土层均属相对隔水层。本项目孔隙潜水具有微承压性,承压水含水层以圆砾层为主,承压水头受场地内圆砾层的分布控制,承压水头介于现状地表以下4～5 m。

2 基坑支护结构实施方案

2.1 总体支护方案

本工程基坑属于超大面积深基坑工程,且周边环境条件十分复杂,因此需采取可靠的基坑支护形式以确保基坑及周边保护建(构)筑物的安全。基坑原设计单位总体采用顺作法实施方案,围护结构采用大刚度地下连续墙,并设置3道钢筋混凝土水平支撑系统。

2.2 基坑围护结构

基坑普遍区域支护结构剖面如图2所示,普遍区域围护结构采用1.0 m厚地下连续墙,西侧靠近交通医院及多栋多层居民楼侧为加强对医院及住宅的保护,采用1.2 m厚地下连续墙。本工程地下连续墙西侧和南侧采用两墙合一设计,即地下连续墙兼作永久地下室外墙的一部分,东侧和北侧采用临时地下连续墙,地下连续墙混凝土强度等级为C30。本工程地层起伏较大,因此地下连续墙插入深度22～36 m。本工程周边环境保护要求高,因此地下连续墙槽段接头采用H型钢接头构造,以提高地下连续墙的止水可靠性,防止坑内降水造成坑外水位降低,避免造成周边保护建(构)筑物产生沉降变形。同时采用H型钢接头构造也可以减小采用常规锁口管或接头箱的起拔难度。

图2 普遍区域基坑支护结构及地层剖面Fig.2 General area foundation excavation support structure and stratum profile

2.3 支撑体系

为加强对周边环境的保护,本基坑竖向设置3道水平支撑,并采用了现浇钢筋混凝土支撑结构。钢筋混凝土支撑具有整体性好、支撑刚度大的特点,有利于基坑变形控制。同时相比于钢支撑系统,混凝土支撑具有不会因节点松动引起围护结构变形的优点。此外混凝土支撑施工工艺已十分成熟,质量易于保证。基坑水平支撑体系的布置形式采用了“组合圆环结合对撑角撑”体系,支撑布置如图3所示。本工程支撑体系在确保支护结构安全的基础上,最大限度避让了办公塔楼以及住宅塔楼的主要竖向构件(除了1号住宅未完全避开)。当基坑开挖至基底并完成基础底板的情况下,原设计除1号住宅外,其余办公塔楼以及住宅塔楼均可以快速向上施工,大幅缩短了项目总工期。同时办公楼及住宅尽早施工出地面也有利于业主尽早销售回笼资金,满足了业主的开发建设要求。

图3 首道支撑平面布置Fig.3 Plan of the first support floor

本工程将首道支撑系统中的部分杆件进行加强,并增加临时立柱,从而首道支撑可兼作施工栈桥使用,方便施工。图3中阴影范围表示施工栈桥,在此基础上,本基坑还在南侧大圆环中部设置了1条单独的下坑坡道,可以有效提高基坑土方挖运及材料运输效率,有利于进一步缩短工期。

3 异步拆换撑设计

3.1 异步拆换撑设计思路

本工程的原设计支撑体系有效避让了除1号住宅外所有塔楼的竖向构件,满足了其余塔楼的施工工期要求。后业主考虑将1号住宅区域支撑局部拆除,以方便1号住宅可以快速向上施工主体结构。为进一步加快1号住宅的施工效率,创新性提出异步拆换撑的设计思路。异步拆换撑总体施工顺序如下:①待基础底板完成后首先拆除1号住宅区域第3道支撑,施工该区域B2板;②待1号住宅区域B2板施工完成并达到设计强度后提前拆除该位置第2道混凝土支撑,继续向上施工B1板;③待1号住宅区域B1板施工完成并达到设计强度后提前拆除该位置首道混凝土支撑,继续向上施工B0板及地上结构。提前拆除第2道支撑和首道支撑范围如图4所示。

图4 1号住宅区域提前拆除第2道及首道支撑范围Fig.4 The scope for the early demolition of the second and the first support in the No.1 residential area

采用异步拆换撑的设计方案主要存在以下两方面问题:①第2道混凝土支撑需要在B2板整体施工完成前提前拆除1号住宅范围内支撑杆件,首道混凝土支撑需要在B1板整体施工完成前提前拆除1号住宅范围内支撑杆件,这势必引起原有支撑在平面上不完整,要妥善解决支撑体系受力问题;②提前施工的1号住宅区域B2板及B1板需要利用有限跨结构来平衡坑外水土压力。

3.2 先行拆撑复核验算

异步拆换撑方案中,先期拆除支撑范围仅限于1号住宅所对应位置的圆环支撑及连杆(见图4a),临近位置对撑及八字撑需整体保留。在此基础上,首先应采用杆系有限元的方法对拆除部分支撑后的剩余支撑体系进行复核验算。第2道支撑所受围压按底板完成后第3道支撑全部拆除工况考虑,其受力相比于首道支撑明显更为不利,因此本文以第2道支撑变形受力计算为例进行介绍。第2道支撑部分拆除后变形和内力受影响区域主要集中于临近的对撑及圆环撑区域。结合该工况的计算分析结果,需要对部分支撑杆件进行加强处理,并在临近的对撑及圆环撑区域设置临时封板进行加强处理,以保证支撑体系受力的可靠性。

3.3 有限跨楼板换撑受力复核验算

1号住宅区域支撑拆除后可施工楼板范围如图5所示。经复核验算,为满足该有限跨结构的受力变形要求,该结构需采取如下加强措施:①后浇带范围在常规设置型钢换撑的基础上,需进一步设置封板构造,以改善楼板的受力状态;②北侧地下连续墙为临时围护墙,为保证传力顺畅,需将北侧地下室外墙外侧换撑板带先行全部封闭,待地下结构完成后再局部凿除,回填肥槽;③局部汽车坡道、电梯等楼板局部缺失区域需设置封板或换撑杆件,同时对于局部拉应力集中的区域增加板内配筋;④在先期施工结构楼板的基础上,东北角和东南角增设临时支撑杆件(腰梁及边梁截面1.3 m×0.7 m、角撑截面0.8 m×0.7 m,如图5中圆圈所示范围),临时支撑需覆盖至第2道支撑邻近对撑位置。

图5 先行施工楼板范围及临时支撑示意Fig.5 The scope and temporary support of the pre-constructed floor slab

在此基础上,利用通用有限元计算软件ANSYS对加强处理后的结构楼板进行模拟分析,经验算该有限跨结构的变形计算结果如图6所示,结构楼板应力计算结果如图7所示,均满足规范要求。

图6 有限跨结构变形计算结果Fig.6 Calculation results of finite span structure deformation

图7 有限跨结构楼板应力计算结果Fig.7 Calculation results of floor stress in finite span structures

4 结语

本文以昆明综合交通国际枢纽项目为背景,基于项目原支撑体系提出异步拆换撑的设计思路,并对相关参数进行验算及分析,得出以下结论。

1)通过采用异步拆换撑的设计方案,能够实现支撑局部拆除,即1号住宅塔楼区域的第2道支撑和首道支撑先于其他区域进行拆撑,并进行1号住宅主体结构施工,满足业主指定区域主体结构快速向上施工的要求,大幅度缩短施工工期。

2)针对异步拆换撑设计方案面临的支撑体系受力、有限跨结构来平衡坑外水土压力两大主要问题,本项目开展部分支撑拆除后剩余支撑体系的受力变形验算、先期施工的有限跨结构承载及变形验算,结果表明异步拆换撑满足受力要求,拆换撑方案可行。该分析过程为有同样需求的项目提供了参考及借鉴。