深基坑支護結構與主體結構相結合的方式與特點

王建華,左新明

(1.中國地質科學院勘探技術研究所,河北廊坊065000;2.河北省地礦局國土資源勘查中心,河北石家莊 050081)

基坑支護結構通常由圍護墻、止水帷幕、水平內支撐系統(tǒng)(或拉錨系統(tǒng))以及豎向支承系統(tǒng)組成。常規(guī)臨時支護方法的擋土結構需設置在主體結構外側,水平支撐需避開主體結構樓板,豎向支承立柱需避開結構柱、梁和剪力墻位置。施工中由上而下分層開挖,并設置水平支撐(或拉錨系統(tǒng)),開挖至坑底后,由下而上施工主體結構基礎底板、豎向墻、柱構件及水平樓板構件,并按一定的順序拆除水平支撐系統(tǒng),進而完成地下結構施工。

目前我國城市基坑工程的支護方法很多,常用的圍護結構有地下連續(xù)墻、鉆孔灌注排樁、鋼板樁、SMW工法、水泥土攪拌樁擋墻、土釘及復合土釘?shù)取?/p>

每種基坑支護方式都有各自的適用條件和一定的局限性。基坑支護方案的選擇直接關系到工程造價、施工進度及基坑周邊環(huán)境的安全。現(xiàn)代大城市的高層建筑基坑一般較大且較深,基坑鄰近多有建筑物、道路和地下管線,施工場地擁擠,在環(huán)境安全上又有很高要求。對于較淺的基坑可以采用土釘支護尤其是復合土釘支護或者水泥土攪拌樁自立式支護結構;較深的基坑可以采用灌注排樁擋墻或地下連續(xù)墻作為圍護結構,輔以多道內支撐或者多道錨桿的圍護形式。

1 常規(guī)臨時支護方法存在的問題

對于埋置較深的地下結構,采用常規(guī)的臨時支護方法存在如下的問題:

(1)深基坑工程支護結構的埋置深度很大,基坑的內支撐用量大。一方面需用大量的混凝土和鋼材,圍護結構工程費用巨大;另一方面也增加了地下結構施工的難度。

(2)臨時支護結構的剛度相對較小,支護結構和土體的變形較大,易引起基坑周圍地表沉降,危害附近的建(構)筑物、地下管線和道路的正常使用,較難滿足環(huán)境保護要求非常嚴格的情況。

(3)傳統(tǒng)方法的內支撐需要拆除,浪費了大量的人力、物力和社會資源。現(xiàn)代高層和超高層建筑往往需設置2～3層地下室;地鐵車站通常也至少需要開挖2～3層地下室;大型地下變電站開挖深甚至超過30m,因此圍護結構的工程費用巨大,有的甚至達到上億元。在這種情況下基坑的支護全部采用臨時結構將產(chǎn)生非常大的浪費。

(4)臨時支撐拆除過程中圍護結構的二次受力和二次變形也將不同程度地對環(huán)境造成進一步的影響。

針對常規(guī)臨時支護方法存在的上述不足之處,考慮將基坑支護結構與主體結構相結合,即在施工期間利用地下結構的外墻或地下結構的梁、板、柱兼作基坑的支護結構,不設置或僅設置部分臨時圍護體系,則不但減少浪費,還能更有效地控制基坑的變形,其技術和社會經(jīng)濟效益將會非常顯著。

2 支護結構與主體結構相結合的類型

在支護結構與主體結構相結合的基坑工程中,支護結構與主體結構結合包括3種方式,即:地下室外墻與圍護墻體相結合、結構水平梁板構件與水平支撐體系相結合、結構豎向構件與支護結構的豎向支承系統(tǒng)相結合。

2.1 墻體相結合

通常采用地下連續(xù)墻作為主體地下室外墻與圍護墻的結合。墻體結合的設計與計算需要考慮地下連續(xù)墻在施工期、竣工期和使用期不同荷載作用狀況和結構狀態(tài),應同時滿足各種情況下承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計要求。兩墻合一的接頭設計包括施工接頭(槽段接頭)設計和結構接頭(與主體結構的連接)設計,接頭設計需滿足主體結構受力及變形要求,特別是要保證新老混凝土接縫處的剪力傳遞,并設置可靠的抗?jié)B和止水措施。兩墻合一通常采用現(xiàn)澆地下連續(xù)墻,施工質量上存在一些不穩(wěn)定因素,影響到墻體的抗?jié)B和受力性能。從發(fā)展角度來看,預制地下連續(xù)墻以其穩(wěn)定的施工質量將部分替代現(xiàn)澆地下連續(xù)墻。

2.2 水平構件相結合

主體結構的水平構件作為內支撐,支撐剛度大,圍護墻變形相對較小,適合逆作施工。地下室結構樓板作為內支撐系統(tǒng),可采用梁板體系、無梁樓蓋體系或結構樓板后施工的框架梁體系。由于需要考慮內部向下挖土施工,前兩種均需要在結構樓板上設置一定數(shù)量的出土口,而后一種挖土更便捷,但由于樓板需二次施工,板梁接縫處需設置可靠的止水措施。地下結構水平構件作為內支撐應分別按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進行設計計算,并應同時滿足施工期和使用期的設計要求。當結構梁板兼作施工用臨時平臺或棧橋時,其構件設計應考慮施工動力荷載的作用。對樓板預留孔應驗算孔口處的應力和變形,必要時應設置孔口邊梁。地下結構水平構件(梁板等構件)與地下連續(xù)墻的連接,應滿足主體結構受力及變形要求,按整體連接剛性構造設計,均應設置止水構造。

2.3 豎向構件相結合

當主體結構水平構件結合支撐系統(tǒng)時,豎向立柱和立柱樁可采用臨時立柱和與主體結構工程樁相結合的立柱樁(一柱多樁)或與主體結構柱及工程樁相結合的立柱和立柱樁(一柱一樁)。當采用臨時立柱時,可在地下室結構施工完成后,拆除臨時立柱,完成主體結構柱的托換。當結合主體結構柱時,可采用角鋼格構柱、H型鋼柱、鋼管柱或鋼管混凝土柱。角鋼格構柱、H型鋼柱通常在基礎底板結構施工后需再澆筑外包混凝土,通常需在板上預留澆筑孔,在正常使用階段立柱可作為勁性構件與混凝土共同作用。

若按照支護結構與主體結構相結合的程度進行區(qū)分,則可將支護結構與主體結構相結合的基坑工程歸為三大類,即:

(1)周邊地下連續(xù)墻“兩墻合一”結合坑內臨時支撐系統(tǒng)。只采用地下連續(xù)墻作為圍護墻和結構外墻(兩墻合一),坑內設置臨時支撐和臨時立柱,基坑開挖至基底,完成主體地下結構底板后,再對地下主體結構由下向上順作施工。

(2)周邊臨時圍護體結合坑內水平梁板體系替代支撐。基坑周邊采和臨時圍護,地下結構梁板作為水平支撐,臨時圍護體與內部結構梁板之間設置傳力構件,在結構柱位置以格構柱替代,逆作法施工,在基礎底板施工后,再向上施工未完成的結構外墻以及內部結構墻、柱等豎向構件。

(3)支護結構與主體結構全面相結合。采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為圍護體,地下結構梁板作為水平支撐,在結構柱位置以格構替代,逆作施工,在基礎底板施工后,再向上施工內部結構墻、柱等豎向構件。

以上支護結構與主體工程相結合的三種類型,均已在大量工程中得到充分的應用和發(fā)展,并已積累了較為豐富的理論和實踐經(jīng)驗。其中第一種類型實際上為采用“兩墻合一”的順作設計施工方法,該類型與常規(guī)臨時支護設計方法中主要區(qū)別在于結構外墻與圍護墻合二為一,而不另外設置臨時圍護墻;第二、三種類型即為逆作法施工。

3 支護結構與主體結構相結合的優(yōu)點與適用范圍

3.1 支護結構與主體結構相結合的優(yōu)點

與常規(guī)的臨時支護方法相比,采用支護結構與主體結構相結合的設計施工方法施工高層和超高層建設的深基坑和地下結構具有諸多的優(yōu)點:

(1)由于可同時向地上和地下施工因而可以縮短工程的施工工期;

(2)水平梁板支撐剛度大,擋土安全性高,圍護結構和土體的變形小,對周圍的環(huán)境影響小;

(3)采用封閉逆作法施工,施工現(xiàn)場文明;

(4)已完成的地面層可充分利用,地面層先行完成,無需架設棧橋,可作為材料堆置場或施工作業(yè)場;

(5)避免了采用臨時支撐的浪費現(xiàn)象,工程的經(jīng)濟效益顯著,有利于實現(xiàn)基坑工程的可持續(xù)發(fā)展等。

3.2 支護結構與主體結構相結合適用范圍

(1)大面積的地下工程,一般邊長大于100m的大基坑更為合適;

(2)大深度的地下工程,一般大于或等于2層的地下室更為合適;

(3)復雜形狀的地下工程;

(4)周邊狀況苛刻,對環(huán)境要求很高的地下工程;

(5)作業(yè)空間較小和上部結構工期要求緊迫的地下工程。

4 支護結構與主體結構相結合在國內外的發(fā)展狀況

4.1 支護結構與主體結構相結合在國外的應用狀況

1933年日本首次提出了逆作法施工的概念,并于1935年應用于東部都千代田區(qū)第一生命保險相互會社本社大廈的建設,該工程成為第一個采用支護結構與主體結構相結合的方法施工的工程。1950年意大利開發(fā)了地下連續(xù)墻技術,隨后其應用范圍便逐漸擴大,1954年歐洲其他國家、1956年南非、1957年加拿大、1959年日本、1962年美國相繼采用了地下連續(xù)墻技術。地下連續(xù)墻技術的應用及工程施工機械化程度的提高有力地推動了支護結構與主體結構相結合在更大范圍內的應用,并在日本、美國、英國等國家取得了較大的發(fā)展。支護結構與主體結構相結合出岔子在高層建設地下室的建筑中采用以外,還較多地應用于地鐵車站的建設。自20世紀50年代末意大利米蘭地鐵首次采用逆作法以來,歐洲、美國、日本等許多國家的地鐵車站都用該方法建造。國外采用支護結構與主體結構相結合并采用逆作法施工的深基坑工程的部分案例見表1。

4.2 支護結構與主體結構相結合在國內的應用狀況

在國內,1955年哈爾濱地下人防工程中首次應用了逆作法的施工工藝,隨后在20世紀70～80年代對逆作法施工進行了研究和探索。1989年建設的上海特種基礎工程研究所辦公樓,地下2層,采用支護結構與主體結構全面相結合的支護方式,是上海也是全國第一個采用封閉式逆作法施工的工程。雖然該工程建設規(guī)模不大,但對支護結構與主體結構相結合的施工方法作了可貴的探討,使主體結構與支護結構相結合的設計和施工方法的推廣應用有了良好的開端。20世紀90年代上海地鐵一號線的常熟路站、陜西南路站和黃陂南路站3個地鐵車站成功實踐了支護結構與主體結構相結合的支護方式,進一步推動了其在上海地區(qū)更多基坑工程中的應用。與此同時,國內其他地區(qū)如北京、廣州、杭州、天津、深圳等地也都開始應用支護結構與主體結構相結合的支護方式。進入21世紀以來,隨著大城市的基坑向“大、深、緊、近”的方向發(fā)展和環(huán)境保護要求的提高,支護結構與主體結構相結合的支護方式在國內迅速發(fā)展,成為軟土地區(qū)和環(huán)境保護要求嚴格條件下基坑支護的重要方法。我國的臺灣地區(qū)和香港特別行政區(qū)也有很多基坑工程嘗試采用了支護結構與主體結構工程相結合的方法。表2列出了國內采用支護結構與主體結構相結合并采用逆作法施工的的部分案例。

表1 國外采用支護結構與主體結構相結合并用逆作法施工的部分工程實例

表2 國內采用支護結構與主體結構相結合并采用逆作法施工的部分工程實例

5 結語

支護結構與主體結構相結合的支護方式應用于2層以上的地下室甚至是8層的地下室,其深度也從幾米到幾十米,并且應用范圍也從高層建筑地下室拓展到了地鐵車站、市政、人防工程等領域。該支護方法在這些工程的成功應用取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益,得到了工程界越來越多的重視,并成為一項很有發(fā)展前途和推廣價值的深基坑支護技術,相信在以后的深基坑施工中會發(fā)揮出更大的作用。

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