基坑工程中快速换撑剪力墙结构设计与施工

郑 憧

(上海市基础工程集团有限公司,上海 200433)

0 引言

城市化进程的不断推进,用地也愈加紧张,基坑工程在建筑领域应用也越来越广泛。在一些房建领域,对于工期的要求比较紧张,但往往地下室结构需待基坑支护水平支撑拆除后方能向上施工,对施工进度有一定制约,为了满足主要结构的工期节点目标,需要采用一种用于深基坑的支撑转换的剪力墙结构,使其基坑大部分区域可以先进行地下室及上部结构施工。

本文主要依托某工程,针对本工程地下室回筑阶段支撑转换施工展开了讨论,提出了一种用于深基坑的支撑转换的剪力墙结构及其施工方法,解决大面积基坑工程中地下室结构施工进度慢的难题。这是本文所需要探讨的方向,其或许对其他地下工程项目起到一定参考与启发的作用。

1 工程概况

1.1 建筑概况

背景工程位于上海市普陀区,主要建设内容为:新建8栋小高层建筑、1层地下车库,本工程基坑总面积约31 000 m2,基坑总延长约900 m,开挖深度5.55 m,局部落深区深度约为1.2 m～2.9 m。

1.2 环境概况

场地总体环境如图1所示。

1)基坑东侧:场地东侧为旬阳路,道路下方有市政管线穿越,距离基坑边线最近为5.6 m,另外给水管和煤气管基本在2倍开挖深度影响范围内,为本工程环境保护对象,基坑施工过程中应对其加强监测。

2)基地南侧:场地西南侧为石泉路130弄小区和石泉小区居民楼房,为4层—6层砖混结构的老式工房,距离基坑边线最近距离约为6.5 m,在基坑2倍开挖深度影响范围内,是本工程重点环境保护对象。

3)基地西侧:场地西侧为旬阳新村,为6层砖混结构的老式公房,居民楼房距离基坑边线最近距离约为6.5 m;场地西侧下方为运营中的地铁7号线岚皋路—镇坪路区间隧道,最近距离基坑边约6.5 m;均为在基坑两倍开挖深度影响范围内。

4)基地北侧:场地北侧岚皋路300弄小区居民楼房,为6层砖混结构的老式公房,居民楼房距离基坑边线最近距离约为9 m,是本工程重点环境保护对象。

1.3 深基坑支护设计

本工程基坑总面积约31 000 m2,基坑总延长约900 m,为确保基坑施工期间对临近地铁区间隧道及周边居民楼房的安全,本工程基坑划分为A区和B区两个分区,基坑开挖深度均为5.55 m。

1-1剖面,邻近地铁7号线隧道区域:B区基坑外围全部采用φ750@950 mm钻孔灌注桩结合φ850@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为围护体,围护桩插入基底以下8.5 m,止水帷幕插入基底以下6 m。

2-2剖面和3-3剖面,邻近居民楼房区域:A区基坑西侧及北侧紧邻居民楼房区域采用φ750@950 mm钻孔灌注桩结合φ850@600 mm三轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为围护体,围护桩插入基底以下8.5 m(局部距离居民楼房较近区域插入基底以下10 m);坑内竖向设置一道钢筋混凝土水平支撑;A区基坑东侧及南侧采用φ850@600 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700×300型钢作为围护体,型钢插入基底以下8 m。

4-4剖面,基坑普遍区域:A区基坑东侧及南侧采用φ850@600 mm三轴水泥土搅拌桩内插H700×300型钢作为围护体,型钢插入基底以下7.5 m。

1.4 基坑支撑体系设计

本工程基坑由于邻近地铁7号线岚皋路—镇坪路区间隧道和居民楼房,考虑到基坑整体位移变形控制以及对周边环境的影响,基坑采用坑内竖向设置一道钢筋混凝土水平支撑体系[1]。

2 基坑支撑拆换设计方案

2.1 基坑支撑拆换设计思路

本工程A区基坑面积约为22 400 m2,原基坑围护设计工况要求:待A区底板及换撑结构达到设计强度后,拆除第一道混凝土支撑,向上施工地下室结构。为了确保北侧居民楼的安全稳定,加快基坑施工进度,提出如下设计修改建议:

1)基坑北侧临近三栋居民楼房,基坑边线距离居民基础约为9 m,考虑到基坑大面积开挖对周边环境的影响,建议先预留北侧坑边20 m范围内土体,基坑大底板形成并达到强度后,再对北侧留土区域土体进行分小块开挖,形成一块浇筑一块底板结构。

2)四栋主楼,需要拆除第一道支撑后,方可施工±0.000 m及以上主体结构,由于拆除施工速度慢,影响建设进度,建议对基坑拆换撑工况进行局部调整,加强换撑结构,对影响各栋主楼范围内的第一道支撑可进行拆除。

2.2 基坑底板及换撑结构施工范围

在需要提前拆撑的南北向对撑位置施工换撑剪力墙,图2为需要施工完成的基坑底板及换撑结构施工范围,上述区域底板贴围护结构侧需设置上翻牛腿换撑结构,底板后浇带内设置换撑型钢结构。

基坑南侧按1—2—3各区分块土方开挖,务必加快土方开挖、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序的衔接,各分区自土方开挖完成至分区垫层浇筑(随挖随浇混凝土垫层)应限时12 h内;基础底板需在基底暴露后的24 h内施工完成。开挖时基坑周边10 m(从围护内边线起向外计算)范围内堆载不得大于5 kN/m2。

2.3 基坑支撑拆除范围

基坑提前拆撑平面范围见图3。

待基坑南侧基础底板、上翻牛腿、后浇带换撑以及换撑剪力墙全部形成并达到设计强度后方可拆除基坑南侧区域指定的第一道支撑。

2.4 基坑北侧土方分块开挖

基坑北侧区域土方开挖具体开挖施工工况应严格按分块开挖平面示意图(如图4所示)及开挖步序示意图进行,开挖、支撑及垫层施工时应遵循“分层、分区、分块、退挖,对称、限时开挖及支撑施工”的总原则,利用时空效应原理,减少基坑无支撑的暴露时间,严格控制基坑变形。

按①—②—③—④—⑤—⑥各区分块土方开挖,务必加快土方开挖、钢筋绑扎、混凝土浇筑等工序的衔接;开挖至基底时,分区垫层浇筑需限时12 h内;基础底板需在基底暴露后的24 h内施工完成。开挖时基坑周边10 m(从围护内边线起向外计算)范围内堆载不得大于5 kN/m2。

2.5 基坑支撑拆换设计工况

工况一:基坑北侧留土宽度大于25 m,基坑南侧区域进行土方开挖,留土边坡不大于1∶1.5,设置100 mm厚C20挂网(φ6@200 mm×200 mm)喷混凝土护坡层(见图5)。

工况二:基坑南侧区域开挖至基底后及时浇筑垫层,并施工基础底板及上翻牛腿换撑结构;后浇带内设置换撑型钢;在需要提前拆撑的南北向对撑位置施工换撑剪力墙(见图6)。

工况三:基坑南侧基础底板、上翻牛腿、后浇带换撑以及换撑剪力墙全部形成并达到设计强度后方可拆除基坑南侧区域指定的第一道支撑,分块、分段开挖基坑北侧留土至基底标高(见图7)。

工况四:基坑北侧开挖至基底后及时浇筑垫层,施工剩余的基础底板及上翻牛腿换撑结构(见图8)。

工况五:基坑北侧剩余底板及换撑结构达到设计强度,拆除剩余第一道支撑,完成本项目剩余地下结构的施工,并采用中粗砂对地下室外墙与围护桩间的空隙进行密实回填(见图9)。

2.6 基坑支撑拆换节点

换撑剪力墙墙厚500 mm,截面为梯形,上底宽5 m,下底宽6 m,墙高4 m。原支撑钢格构柱外包钢筋混凝土,尺寸扩大为1 000 mm×1 000 mm,与换撑剪力墙一起浇筑施工(见图10);原支撑结构表面凿毛,外包钢筋混凝土,尺寸扩大为1 300 mm×1 300 mm,与换撑剪力墙一起浇筑。图中混凝土结构强度等级均为C30,钢筋保护层厚度均为30 mm,均采用HRB400级钢筋(见图11)。

3 基坑支撑拆换撑施工情况

现场基坑实际回筑施工过程中,在需要提前拆除部位整体浇筑剪力墙结构底部与地下室结构底板,并在该地下室结构底板处设置一下翻剪力槽。支撑竖向钢立柱外包混凝土与剪力墙结构整体浇筑进行加强。对需要进行转换的支撑结构与剪力墙结构顶部连接区域,凿毛支撑结构外包混凝土,并设置环形剪力槽,通过新增箍筋和插筋的方式与剪力墙结构顶部进行连接,浇筑混凝土形成整体,待剪力墙结构形成并达到设计强度后,对影响地下室及上部结构施工影响的水平支撑结构进行拆除转换,以便于主体结构施工。此措施实际节约了约25 d施工工期,实现了业主预定开售节点目标。现场换撑剪力墙施工图见图12。

4 实测数据分析

选取基坑北侧围护桩测斜(CX1,CX4)监测数据进行对比(见图13—图15)。

本工程换撑剪力墙施工完成并拆除第一道支撑后,基坑北侧累计最大位移约为12 mm,围护结构侧向变形位移满足上海市DG/T J08-61—2018基坑工程技术标准中环境保护等级二级3‰H(开挖深度)=17 mm的位移控制要求,与基坑围护设计计算结果相符,证明了此基坑换撑剪力墙设计方案及现场采取的一系列施工措施是有效的。

5 结语

本换撑措施是在周边环境条件复杂的情况下进行的施工,是一项复杂而带风险的综合性地下工程。通过采取有效措施,大幅缩短了施工工期,取得了较好的施工效果。

1)本工程换撑剪力墙施工完成并拆除第一道支撑后,基坑北侧累计最大位移约为12 mm,围护结构侧向变形位移满足上海市DG/T J08-61—2018基坑工程技术标准中环境保护等级二级3‰H(开挖深度)=17 mm的位移控制要求,与基坑围护设计计算结果相符,基坑北侧居民楼房基础最大位移13.5 mm,均满足规范要求。证明了设计方案及现场讨论采取的一系列措施是有效的。

2)施工时应严格地面荷载,禁止坑边堆土。

3)注意分层分块开挖,挖土分区长度应不大于30 m,开挖到底后,尽快施工底板,减少基坑暴露时间,垫层可采取加厚配筋等措施;在施工过程中,严禁超挖。

4)对邻近环境保护对象处加强监测;应编制专项监测方案,在拆除对撑以及剪力墙中应设置应力监测。

5)应了解周边建筑物以及管线等的沉降、变形情况,在准备提前拆撑前应根据建筑物的变形以及沉降情况,综合判定是否要实施提前拆撑方案,如住宅沉降变形不稳定,应慎重考虑采用此措施。