復雜深基坑超高外墻單面支模施工技術

趙宇超

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

剪力墻、柱等混凝土結構豎向傳力構件，在施工過程中一般采用對拉螺桿的模板支撐體系，通過混凝土水平側壓力自平衡來完成澆筑工作。但對于一些特殊情況，如場地支撐空間狹小，也會采取僅在外側使用支撐架體等外部結構形式來支撐豎向構件混凝土澆筑時模板的水平側壓力，該施工工藝一般稱為單面支模。

單面支模大致可分為2類：一類為依然使用對拉螺桿，僅在豎向構件的一側布置較為傳統的模板體系，另一側根據實際情況使用其他體系代替模板，如地下室工程施工外墻時，在地下連續墻或排樁等圍護體系上后植對拉螺桿，并以地下連續墻等圍護體系作為外模的施工方法[1-2]，這類單面支模施工工藝實際原理與常規對拉螺桿施工工藝相似；另一類則完全摒棄對拉螺桿，僅依靠外部結構支撐豎向構件混凝土澆筑時的水平側向力[3-4]，可以算是更為狹義的單面支模。

本文針對后一類單面支模進行研究與探討，后文中單面支模均指代后一類單面支模。顯然，后一類單面支模成形的混凝土墻、柱由于不存在對拉螺栓孔，墻面自身具有出色的密封性能，尤其適用于對密封性能具有較高要求的部位，如有高防水要求的地下室外墻等。但由于混凝土水平側壓力隨著澆筑高度的增加而急劇加大，單面支模對于支模體系具有較高的強度與剛度要求，難以使用常規的模架進行設置，因此，往往會導致較高的建造成本。另外，單面支模模架體系一般尺寸較大，對于施工環境也有較高要求，很難在復雜工況下應用，且一般僅限應用于施工6 m以下高度的墻，所以單面支模工藝的應用仍然相對有限。

本文以上海大歌劇院歌劇廳下部深基坑外墻的施工為背景，研究并實踐一種超高深基坑外墻單面支模施工技術，對其原理、設計和實施過程等方面進行了詳細介紹與總結。目前，上海大歌劇院歌劇廳深基坑外墻已經施工完成。

1 工程概況

上海大歌劇院包含大、中2個歌劇廳，如圖1所示。歌劇廳舞臺下方為放置機械設備的舞臺深坑。舞臺深坑底板頂面標高為－25.30 m，相較常規區域－9.30 m大底板面標高的深度為16 m，且在局部深基坑施工過程中，基坑中水平支撐和立柱布置十分復雜。

為了保證深基坑結構的質量，提高地下室外墻防水密封性，對2個歌劇廳的舞臺深坑高達16 m外墻采取了鋼模架單面支模技術進行施工。首先對16 m單面支模鋼模架的具體工作原理進行了探討，并對其進行施工階段數值分析；然后通過建立復雜深基坑施工階段精細化數字模型，設計并制定切實可行的施工順序及施工工藝，進而通過可視化方式直接指導現場工作人員，以保證復雜工藝細節可視化及現場施工的便利性；最后對該16 m超高外墻單面支模施工工藝進行了總結與討論。

2 原理與施工過程分析

2.1 單面支模模架體系

舞臺深坑外墻施工前置工序完成后，深坑剖面如圖2所示，深坑外部為混凝土排樁，在深坑底板澆筑完成后，深坑中部仍需保留第2道混凝土支撐，單面支模的施工目標即為深基坑周邊的混凝土外墻。其中，左側外墻高度為10.2 m，右側外墻最高達16 m。對于最高為16 m的外墻，本施工工藝采取分6個施工階段（步驟1—步驟6）澆筑混凝土的施工方案，每個階段澆筑混凝土外墻高度分別為2.5、2.5、2.4、2.8、2.9、2.9 m，各階段中均需將外墻模板支撐于單面支模模架體系上。

圖2 深坑剖面示意

單面支模模架體系的典型構件如圖3所示，構件所用材料為：立柱，18#工字鋼；板墻拉桿，16#工字鋼；排樁上拉桿、大底板拉桿，14b#槽鋼。鋼立柱間距原則上為700 mm，支架內側距離模板原則上為1 000 mm。第1—第5階段的排樁上拉桿一端拉結于工字鋼立柱上，另一端拉結于種植在外墻外部混凝土排樁上的鋼筋上，第6階段排樁上拉桿直接拉結在頂部基坑大底板的埋件上；第2—第6階段的板墻下拉桿一端焊接于工字鋼立柱上，另一端焊接于上一個施工階段預先埋設在外板墻上的埋件上。

圖3 單面支模體系示意

在混凝土模板和立柱間采用如圖4所示的頂托體系。模板頂托一端支撐于外墻模板體系上，另一端支撐于18#工字鋼立柱上。即混凝土外墻澆筑時對模板的水平側壓力首先通過頂托體系傳遞至鋼架上，再通過鋼架上、下拉桿將荷載傳遞至施工完成的基坑混凝土底板外墻和排樁，從而逐段將深坑外墻從下向上完成施工。

圖4 可調節頂托支撐體系示意

2.2 施工過程與原理

單面支模鋼架體需根據施工階段分別安裝或拆除構件，具體施工過程如下。

步驟1：如圖5（a）所示，首先需要吊裝第1施工階段的立柱，并安裝大底板拉桿和第1階段排樁上拉桿。施工第1階段外墻鋼筋籠時，在鋼筋籠中預留第2施工階段板墻下拉桿埋件。此后，分別施工模板排架體系和可調節頂托體系，完成后即可澆筑混凝土，第1階段外墻混凝土澆筑高度為2.5 m。

步驟2：如圖5（b）所示，當混凝土強度不小于1.2 MPa時，即可拆除第1階段外墻模板、頂托與排樁上拉桿，隨后安裝第2施工階段排樁上拉桿與板墻下拉桿，并預留第3施工階段板墻下拉桿埋件。待模板排架體系和可調節頂托體系搭設完成，且第1施工階段的混凝土外墻強度達到75%后，澆筑第2施工階段的外墻混凝土，第2階段外墻混凝土澆筑高度為2.5 m。

步驟3—步驟6：后續每個施工階段的流程均與此前相似，逐層上“爬”即可。當混凝土強度不小于1.2 MPa時，即可拆除前一個階段的外墻模板、頂托體系與排樁上拉桿，隨后安裝本階段排樁上拉桿與板墻下拉桿，并預留下一個階段的板墻下拉桿埋件。但針對各個階段的實際工況，需要對單面支模施工工藝進行一定修正。對于本工程第3階段，需要同時澆筑深坑外墻與混凝土換撐；在第4階段施工前，需要將第2道深坑混凝土支撐拆除；對于圖5中左側10.2 m高外墻，其混凝土澆筑僅需4個階段即可完成，而對于16 m高外墻，還需進行第5、第6階段澆筑。

圖5 施工過程示意

2.3 施工過程分析

使用計算軟件SAP2000非線性施工模塊，對本工程各個施工階段單面支模模架進行施工過程分析。

2.3.1 荷載

根據GB 50666—2011《混凝土結構工程施工規范》[5]和GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[6]，由于中歌劇廳深坑外墻施工時基本處于冬季，外界溫度相對較低，因此混凝土對模板側壓力標準值應按照式（1）計算，即相當于流體壓力。式中：F——水平側壓力；

γc——混凝土重度；

H——混凝土澆筑高度。

除去最終施工階段，每個施工階段間的施工縫采用圖6的形式進行設置，從而提供施工縫處抗滲性能。

圖6 施工縫處理方法

因此，實際每一施工階段頂部與底部側?；炷羵葔毫τ嬎愀叨染柙黾?.3 m，第1—第6施工階段的實際荷載如表1所示。

表1 各施工階段混凝土側壓力標準值

在計算模型中，混凝土側向荷載施加于導荷載線上，導荷載線將荷載傳遞給頂托，最終傳遞到立柱上。根據支座形式，單面模架上拉桿與排樁的連接節點應按照鉸支座計算，其他所有支座均應按照固定支座進行計算。

2.3.2 計算結果

架體變形采用荷載標準值進行計算，架體典型變形如圖7所示，各階段最大變形分別為：步驟1，3.4 mm；步驟2，4.9 mm；步驟3，4.7 mm；步驟4，6.2 mm；步驟5，6.0 mm；步驟6，5.3 mm。

圖7 架體典型變形

架體承載力采用設計值進行計算，考慮桿件的強度與穩定性，各階段中模架最大應力比截面出現在立柱上，為0.838。該應力比出現于第4、第5施工階段立柱與板墻下拉桿連接節點處。因此，變形和強度均可以滿足安全需求。

3 精細化三維數字模型

上海大歌劇院舞臺深基坑施工工況非常復雜，其主要體現在以下3點：

1）墻、柱和梁等結構構件分布不規則，存在大量的混凝土內、外墻交錯布置情況。

2）部分舞臺深基坑位于施工用混凝土棧橋下方，難以進行吊裝操作。

3）舞臺深坑施工過程中除第2道混凝土支撐外，還存在大量的第1道與第3道暫不拆除的混凝土支撐。

綜上所述，單面支模由于模架搭設需要一定空間，對施工環境一般有較高要求，因此本工程深基坑的復雜施工環境對于單面支模施工方法較為不利，不僅工人難以理解單面支模施工工序，過多不同標高的平面圖紙對技術與管理人員的深化和現場指揮也造成了挑戰。因此，通過建立深基坑各施工階段的精細化三維數字模型，可以幫助現場施工管理人員與工人提高對整個施工過程的理解，提前分析現場可能會出現的問題，準備解決方案及應急預案，進而保證施工順利進行。

預計施工完成后所有內、外墻的三維模型如圖8所示，由于舞臺深坑功能性要求，其內外墻、門洞、梁等各類構件錯綜復雜；基坑施工過程中，混凝土棧橋及支撐構件的模型如圖9所示。

圖8 深坑內、外墻數字模型

圖9 混凝土棧橋及支撐

由此可見，只有根據精細化的三維模型，才能更高效、合理地設計單面支模體系的部署，從而進一步總結施工要點。

以圖10所示的工況為例，在深坑外墻開始施工時，深坑中仍保留有全部的第2道混凝土支撐，該支撐會導致支撐處部分鋼立柱無法直接全長施工，必須部分全長施工、部分割斷。待后續混凝土支撐拆除后，再在現場向上接至全長，以施工后續階段的深坑外墻。該類問題在平面圖紙上無論是表述還是深化解決方案均十分煩瑣，容易出錯，但在三維精細化模型的幫助下可以得到十分清晰的反映，從而進一步保證了工人與管理人員對施工方法的理解，大大提高了現場的施工效率。

圖10 混凝土支撐及短立柱

4 實際施工現場

圖11（a）為中歌劇廳舞臺深坑混凝土外墻第2階段單面支模體系實際施工照片，圖11（b）為現場澆筑完成結構面?？梢钥闯?，完成面無螺桿孔道，防水效果十分出色。目前，深坑外墻混凝土澆筑已經全部完成。

圖11 施工現場

5 結語

本文介紹了一個16 m超高深基坑外墻單面支模施工工藝。從技術、造價和施工管理這3個方面出發，對該施工工藝總結如下：

1）技術。本施工技術具備可行性。本工程舞臺深基坑外墻的實際施工均按照本施工工藝原則進行，其強度與變形均滿足安全要求。

2）造價。相對于傳統對拉螺桿施工，該施工方法施工成本和時間成本均相對較高，總體而言適用于對質量要求較高的工程項目。

3）施工管理。本施工方法作為一種新工藝，在施工過程中需重點關注細節質量，如陰角處工字鋼定位，頂托是否頂緊至工字鋼立柱上等。這類細節是保證整體施工質量的重點。

除施工方法原理以外，本文還對深坑單面支模進行了施工過程分析，并通過3D數字模型制定具體施工部署，提高施工過程可視性，進一步保證工人與管理人員對施工方法和工序的充分理解。通過理論分析與實際應用，該單面支模施工工藝技術上有保證，具有推廣價值；而在管理層面需要重點關注關鍵點的施工質量，且該施工方案成本相對較高，因此本施工工藝一般適用于對質量要求較高的工程。