地下結構梁板替代內支撐在深基坑中的應用

高志磊，李大華

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

隨著現代基坑工程開挖深度逐漸加深，施工面積愈來愈大，傳統深基坑支護工程的缺點也愈來愈明顯：第一，傳統基坑工程的內支撐結構在基坑工程結束后要逐層拆除，然后逐層施工地下主體結構，會導致資源浪費、造價高昂、工期延長；第二，在拆除內支撐進行換撐的時候，由于支護結構的改變，對周圍土體的支撐能力也會改變，可能會造成周圍環境的破壞。采用地下主體結構與支護結構相結合的新型基坑支護設計方案可以避免傳統基坑支護的缺點[1]。新方案能夠節約大量資源、工程費用以及極大縮短工期，并且由于利用地下永久主體結構作為支撐系統，它的整體剛度相比臨時內支撐結構也要更大，基坑的安全性也就更高[2]。近年來學界已經對這種新型設計方法進行了一系列的研究，例如王衛東等人系統地提出了支護結構與主體結構相結合的三種類型[3]，總結了相關的技術措施和典型節點構造。陸余年等人探討與地下主體結構相結合的超大深基坑支護結構變形規律及內力特征。但這些研究都只是初步提出了此種設計方法和施工方法的大體概念與總體思路，在具體的設計方法和節點構造方面都不夠完善，缺乏對支護結構與主體結構相結合支護結構特點的系統性研究，理論研究與設計方法落后于工程實踐，這在很大程度上影響了支護結構與主體結構相結合設計方法的進一步推廣與應用。本文系統梳理了新型支護設計在深基坑下的關鍵節點構造、施工流程及對周圍土體環境的影響。

這種新型基坑支護設計主要分為三種類型，我們選擇水平結構相結合的方案，即地下梁板結構結合臨時圍護結構的方案，有以下原因：第一，圍護結構采用臨時圍護結構，在滿足變形控制的前提下，可以比較靈活地調整圍護結構的厚度，從而優化設計。若采用墻體相結合的方法，圍護結構需滿足正常使用階段的受載要求，在較深的開挖深度下，無法根據理論計算結果去選擇合適的圍護體截面厚度；第二，在基坑總延米較長的情況下，采用臨時圍護結構可以調整圍護結構的輪廓形狀，而與墻體相結合要考慮地下室形狀無法進行優化調整。結合工程實際背景，基坑工程的最優設計就是采用地下主體結構的梁板結構直接作為基坑水平內支撐系統。

1 工程背景

1.1 工程概況

本工程基坑為異形基坑，開挖深度為18 m，基坑安全等級為一級和二級。地下主體結構采用框架結構體系，水平梁板結構完整并處在同一平面上。地下主體結構有3 層，底板厚度為1 m?；游挥诘缆方徊婵谖恢?，沿道路東西向布置?；訄龅刂車h境比較復雜，對基坑文明施工要求較高。

1.2 地質場地

地基土在深度范圍內可分為：1 層填土（層厚4.1 m）、2 層砂質粉土（層厚6.4 m）、3 層粉質粘土（層厚5.8 m）、4 層粘土（層厚4.2 m）、5 層粉質粘土夾粉土（層厚6.8 m）。工程場地內不存在地表水，地下水有孔隙承壓水和孔隙潛水，潛水深度隨季節變化，水位變化幅度大約在1.2 m～1.5 m 之間。根據承壓水抽水試驗可知，承壓水的水頭標高為-8 m。場地土層物理力學性質參數如表1 所示。

表1 土層物理力學性質參數

2 地下結構梁板替代內支撐的設計

2.1 總體設計

根據基坑的開挖深度與開挖面積、地下主體結構的平面布置、周圍地質情況等因素，本工程決定采用地下結構梁板替代內支撐的設計，即利用地下主體結構的水平梁板系統作為水平內支撐系統來承受水平荷載，采用逆作法施工?？紤]到施工的方便性與靈活性、造價合理等條件，圍護結構采用的鉆孔灌注樁作為臨時性圍護結構，樁徑1.2 m，1.5 m 間隔布置。鉆孔灌注樁之間通過冠梁和腰梁連接，圍護結構外側采用三軸攪拌樁作為止水帷幕。豎向支撐系統由格構柱組成，格構柱由鋼立柱插入立柱樁。為了更好實現水平內支撐與地下主體結構的一體化，進行平面布置時，立柱樁要盡量布置在主體結構工程柱的位置[4]，將主體結構樁作為立柱樁。

鋼立柱分為角鋼立柱和鋼管立柱，這里采用角鋼立柱。水平內支撐結構采用地下主體結構的各層梁板結構?；又ёo平面圖見圖1，基坑支護結構剖面圖見圖2。

圖1 基坑支護平面圖

圖2 基坑支護剖面圖

2.2 地下梁板結構的設計

將地下主體結構的各層梁板結構直接作為基坑施工時的水平內支撐結構，需要對梁板結構進行設計。為了施工方便，基坑工程采用樓板結構后作施工的梁格體系，具體施工方案是在逆作階段時僅施工框架梁結構，地下結構底板施工結束后再逐層施工樓板結構。優點是方便開挖運輸土方，不需要在樓板上施工運輸通道口，不會破壞梁板結構的整體性[5]，并且逆作階段格構柱所承受的豎向荷載也會減少。不過這將帶來新老混凝土連接問題，逆作開挖施工中采用的是先施工結構框架梁體系，逆作施工結束后才開始施工樓板結構，時間間隔較大，產生梁板二次澆筑導致新老混凝土結合問題，需要設置水平施工縫，但這會導致梁板的整體性問題及止水問題。解決辦法是需要對舊混凝土界面進行嚴格清理，清理松動石子，鑿成凸凹面，然后在混凝土中摻入膨脹劑，最后在界面上均勻抹上混凝土砂，連接新舊混凝土。為了增強防水性能可以在連接面上加上一層防水卷材。

2.3 水平內支撐與格構柱連接節點的設計

角鋼立柱采用4L200×18 角鋼通過綴板焊接組成，角鋼鋼材強度等級為Q235B。在平面布置中，格構柱布置在結構工程柱位置，需要對結構梁和格構柱之間的連接進行設計。采用角鋼立柱會帶來梁柱鋼筋的連接問題，角鋼側肢和連接角鋼的綴板會阻礙梁鋼筋穿過。我們可以采用傳力鋼板法解決這個問題，通過在角鋼立柱上焊接連接鋼板，將無法穿過角鋼立柱的鋼筋與傳力鋼板焊接，實現梁柱的連接。這樣設計的優點是避免讓鋼筋穿過角鋼而在角鋼格構柱上鉆孔造成鋼立柱截面損傷，缺點是傳力鋼板法需要進行大量的焊接作業，而焊接造成的高溫會使鋼結構承載能力降低[6]。梁柱連接節點主要承受剪力，要按計算要求設置適量的抗剪栓釘。水平內支撐與格構柱連接節點見圖3。

圖3 梁柱連接節點

2.4 水平結構與圍護體的連接設計

水平結構與圍護體的連接主要是解決圍護體上水土側向壓力傳遞的問題[7]。水平結構與圍護結構的連接形式取決于圍護結構的選擇，本深基坑工程圍護結構為鉆孔灌注排樁。在圍護結構頂部設置冠梁，下部設置腰梁，提高圍護結構的穩定性，另外也作為圍護體與地下主體結構連接體系的一部分。面對水土側向壓力時，為了防止水平支撐結構受力不均勻，需要在水平結構周邊設置一圈邊梁，一方面可以提高水平結構的整體剛度，另一方面可以獲得一個均勻的受力支撐面。在地下主體結構完工后需要進行標高4 m 的覆土，增強連接結構的抗剪能力，采用抗剪能力更強的混凝土-型鋼組合支撐作為水平傳力構件。連接結構的具體施工方法是將圍護結構上的冠梁、腰梁的標高分別與地下主體結構上各層梁板結構相對齊，然后將水平結構邊梁與圍護結構上的冠梁、腰梁通過混凝土-型鋼組合支撐相連接，注意混凝土-型鋼組合支撐的中心要與內部水平支撐梁的中心相對齊，形成水平傳力體系。水平結構與圍護體連接節點見圖4。

圖4 水平結構與圍護體連接節點

2.5 出土口設計

逆作施工需要設置出土進料口，以供開挖時開挖土方的運出和混凝土鋼筋等材料的運進，這就需要出土口的尺寸滿足各項材料通過的要求。當出土口設置過大時，為了防止出土口在水平力的作用下發生破壞，則需要在出土口的四角設置額外的型鋼斜支撐，保證出土口的整體剛度。出土口設置加強斜梁示意圖見圖5。

圖5 出土口設置加強斜梁示意圖

3 施工流程

逆作施工的施工流程是水平內支撐和地下主體結構相結合設計的關鍵核心所在，對基坑工程的安全性與可行性具有決定性意義。合理的施工流程設計對縮短工期和控制基坑變形具有重大意義。本深基坑工程的具體施工流程見下表2。

表2 施工流程表

4 實地監測數據分析

為了解水平內支撐與地下主體結構相結合設計的深基坑工程的變形和結構受力情況，基坑工程進行大量監測，主要包括圍護樁水平位移監測、地表沉降監測、水平內支撐軸力監測、立柱豎向位移監測[8]。

4.1 圍護樁水平位移監測分析

深基坑工程周圍共布置了40 處圍護結構的測斜監測點，由于監測點較多，無法一一分析，現選取一個監測點進行數據分析，繪出圍護體水平位移與基坑開挖深度關系曲線圖[9]，見圖6。如圖所示，開挖早期，圍護體位移極小。隨著開挖深度的增加，圍護體的側向水平位移也逐漸增加。開挖到坑底標高時，圍護體達到累計最大側向水平位移[10]，位移小于監測報警值30 mm，且日均變化速率小于報警值3 mm/d，可見在逆作開挖階段，圍護體是安全穩定的[11]。在一個開挖深度內，圍護樁側移隨著圍護樁深度增加先增大后減小然后趨于穩定。隨著開挖深度增加，位移累計最大值的位置也在下降。圍護體側向位移與基坑深度高度相關。

圖6 圍護體水平位移變化曲線

4.2 地表沉降監測分析

深基坑工程周圍共布置了144 個地表沉降檢測點，選取一個標準段監測點，測點距基坑邊緣按2 m、6 m、10 m、14 m、16 m 距離不等布置[12]，繪出地表沉降值與距基坑距離的關系曲線圖，見圖7。在早期開挖至2 m 時地表沉降幾乎沒有，僅在距基坑10 m-20 m 處存在輕微沉降。隨著開挖深度的逐漸增加，地表沉降也愈來愈大，在不同開挖深度下，基坑沉降都經歷了先增加后減小的過程，并且都在距基坑邊沿約6 m 位置處達到沉降峰值，然后逐漸減小并趨于穩定。開挖到基坑底部時，在距基坑邊沿大約6 m 位置處出現累計沉降最大值16 mm，遠小于監測報警值35 mm，且日均位移速率也未超過3 mm/d 的報警值。由此可知，基坑周圍地表沉降完全處于安全范圍內。

圖7 地表沉降曲線圖

4.3 水平內支撐軸力監測分析

深基坑工程共布置了20 組水平內支撐軸力監測點，選取第一層水平內支撐結構的一個標準段截面的一個監測點進行數據分析，繪出整個逆作階段的水平內支撐軸力的變化曲線，見圖8。

圖8 水平支撐軸力變化曲線

由圖可知，在第一層梁板結構支撐施工完后水平結構軸力不斷增加，直到第二層水平梁板結構施工完成后軸力開始下降。第二層梁板結構分擔了水土側向荷載，并且隨著第三層水平結構完成和開挖到坑底，第一層水平內支撐軸力逐漸趨于穩定。在第二次土體開挖結束后第二層水平結構施工之前，一層水平結構的軸力達到最大值936 KN，遠小于監測報警值，即設計值的70%。也說明采用地下主體結構的梁板體系作為水平內支撐對抑制圍護結構的位移和變形的效果是十分明顯的，這是因為主體永久結構的剛度比臨時支護結構更大。

4.4 立柱豎向位移監測分析

深基坑工程共布置了18 個立柱豎向位移監測點，選取一個標準段截面的監測點進行數據分析，繪出立柱豎向位移與時間的關系圖，見圖9。由圖可知，在基坑開挖的大部分時間里立柱隆起的豎向位移是不斷增加的。逆作開挖結束后，立柱累計豎向位移達到最大值4.1 mm，遠小于基坑監測報警值35 mm，且日均變化速率也小于3 mm/d。這說明逆作開挖階段，立柱的狀態始終是穩定安全的，并且很好承擔了水平梁板結構和施工器械帶來的豎向荷載。

圖9 立柱豎向位移變化曲線

5 總結

5.1 成果總結

地下結構梁板替代水平內支撐的新型基坑支護設計在此深基坑工程中的成功應用獲得了很好的經濟效益[12]。在工期進度方面，從5 月初基坑放坡開挖至12 月初底層基礎防水與底板施工完成用時7 個月，相比傳統施工方法的施工進度計劃節約工期約2 個月。在經濟性方面，采用地下梁板結構代替內支撐的逆作法施工相比于傳統臨時支撐，在支撐費用、拆除費用、人工費用等方面共節省820萬元。此外，采用臨時圍護結構相比于墻體相結合的方案節省約300 萬元。綜上所述，這種新型基坑支護設計具有相當明顯的經濟效益與工期優勢。

5.2 工程總結

本文以某深基坑工程為案例，論述了地下結構梁板替代水平內支撐的設計與關鍵施工方法，并對深基坑各種監測數據進行了分析，總結了新型深基坑支護體系的變形特點與規律，得出了下面的結論與觀點：

（1）對基坑工程的各項監測數據分析可知，圍護結構位移、地表沉降、支撐軸力及立柱位移均遠小于報警值，處在相當安全可控的范圍之內，可以說深基坑工程在逆作施工階段中是穩定安全的，基坑周圍環境也是安全可控的。水平內支撐與地下主體結構相結合的設計基本上達到了預期工程效果。

（2）新型基坑支護設計方法極大縮短了工期，產生了良好的經濟效益。由于采用逆作法施工也達到了文明施工的要求。

（3）一些施工技術問題需要進一步研究。例如，逆作施工結束后地下結構外墻與框架梁體系的連接與施工；格構柱外包混凝土形成永久結構柱的混凝土澆筑等問題。

（4）對支護結構與主體結構相結合設計仍缺乏系統性的受力機理和變形特點分析方法。不過，這種新式施工方法仍具有推廣意義，希望可以為未來類似設計的基坑支護工程提供一些參考。