換撐施工技術在武漢復地深基坑工程中的應用

賈 凱，徐國興 ，王翠英

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2 湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430300)

隨著基坑開挖規模的增大，深基坑工程中支護與換撐的設計和施工也越來越復雜；深基坑中的臨時支護結構支擋水土壓力和附加荷載，為施工提供了安全的作業環境，當地下主體結構施工到一定階段時，不得不拆除相應的內支撐，通過換撐將基坑支護樁上的作用力轉移到地下結構外墻上，實質上是應力有序轉移與重分布的過程。許多學者對深基坑拆、換撐進行了研究，朱小軍、成關鋒、高文華等[1-2]認為軟土深基坑工程拆撐變形不僅關系到基坑本身的穩定和安全，并對周邊環境產生較大的影響；范廣軍等[4]研究了圓管鋼支撐作為傳力帶在主體結構和維護結構之間的運用，從而保證基坑側壁及基坑周圍既有建筑物安全穩定；夏喬網[5]對深基坑工程內襯結構替代換撐支護進行了分析；陳安東[6]研制了一種新型的定型化換撐體系,該裝置適用于地下結構與圍護結構距離較近的換撐施工,且安裝簡便,可循環使用；簡述了支護結構與地下室底板、各部位拆、換撐工況等。筆者以武漢復地深基坑項目為依托，分析了本項目第二道內支撐拆除后，換撐部位距第一道支撐結構的距離達11.45 m，故在基礎底板的四周設置上翻換撐牛腿的施工技術，以減小支撐點間距控制支護樁變形；第一道支撐拆除后，支護樁懸臂擋土5.2 m，為換撐時最不利工況，采用天漢軟件計算了支護樁位移、彎矩、剪力，分析其安全性；此文的換撐施工技術對類似深基坑拆、換撐具有一定的借鑒作用。

1 換撐施工設計

當基坑開挖至基底時需澆筑基礎底板進行地下結構的施工，然后由下而上逐層拆除基坑中的內支撐，進行下一步的施工。在支護結構與地下結構外墻之間存在一個巷道，為保障在拆除最下面的一道內支撐之后支護結構能順利安全地將作用在其上的土壓力重新分配傳遞給基礎底板，需在地下結構外墻與維護體之間設置換撐結構。

深基坑內支撐的換撐方法主要有以下三種：

1)剛性結構的換撐，主要優點是施工簡便，經濟效益好，但與支護體的接觸點選擇不明確，不能大范圍使用。

2)素混凝土回填的換撐，主要特點是施工便利、經濟效益好。由于混凝土抗壓性能較好，抗拉性能較差，故通常運用于只承擔壓應力的部位。

3)鋼筋混凝土換撐，可以承受一定的荷載，有較好的抗彎性能，其結構受力特點明確，施工過程安全可靠，且能夠減小不均勻沉降。故用于地下結構與支護結構間的換撐。

換撐設計包括兩部分：①地下結構外墻與基坑支護結構間的換撐設計；②后澆帶、車道、設備吊裝口處和樓梯口等水平不連續部位的換撐設計。

1.1 支護結構與地下結構底板之間的換撐

當地下結構的基礎底板厚度大于1000 mm時，若在換撐部位設置同厚度的素混凝土，換撐結構會導致混凝土的用量增加，提高造價。因此換撐板帶厚度只需滿足傳力要求即可,其余部位可用磚模和回填砂來填充。若其中一道內支撐拆除之后，換撐部位距其它支撐結構的拆、換撐距離較大，使支護結構的計算跨徑過大，其變形難以滿足設計要求時。在基礎底板四周設置高出底板的上翻牛腿，以達到減小支護體系計算跨度和變形的目的；牛腿換撐結構見圖1。

圖1 支護結構與基礎底板鋼筋混凝土牛腿換撐

1.2 支護結構與地下各層結構之間的換撐

同時將換撐板帶和相應的地下結構施工完成后即可拆除上方的內支撐。換撐板帶和地下結構采用同標號的混凝土并適當配筋(圖2)。

圖2 支護結構與地下各層結構間的換撐板帶

因換撐板帶需承受施工人員的作業荷載以及換撐板帶的自重荷載，同時為了減小在正常使用階段支護結構與地下主體結構之間的不均勻沉降，故在支護樁與外墻之間設置低壓縮性的隔離層并在換撐板帶上設置吊筋以克服豎向承載力給換撐板帶來的不利影響，同時錨入結構外墻的鋼筋需交叉連接(圖3)。換撐板帶上應間隔6 m左右設置截面尺寸不小于800×1000 mm人工上下出入口，以便于工人出入孔道對地下結構外墻進行模板拆除、外墻防水和后期對巷道進行密實回填等施工作業(圖4)。

圖3 換撐板帶配筋詳圖

圖4 換撐板帶圖

1.3 支護結構與后澆帶、結構開口之間的換撐

當建筑物過長便于伸縮或控制高低建筑間差異沉降的需要，應設置后澆帶，在地下結構后澆帶部位可采用小截面的工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力。在結構的缺失部位如車道、設備吊裝口處和樓梯口等需設置臨時的水平支撐(如鋼筋混凝支撐或鋼管支撐)以傳遞中斷的水平力。待整個結構施工完成形成了整體剛度，且支護結構與地下結構外墻之間的間隙全部回填密實后，方可拆除。

2 拆、換撐工況轉換過程及卸荷原則

若地下室設置有三層，支護結構設計中常采用兩道內支撐；換撐施工工況向設計工況轉換的過程為：當結構底板完成后，整個支護體系完成第一次內力轉換，即在支護樁基坑底深度處增加了一道水平底板支撐，為第一次換撐；當地下二層樓板澆筑完成并達到強度后，通過現澆板帶將地下結構與支護樁連接，拆除第一道支撐，為第二次換撐。每次換撐將支撐切除，使原支撐承擔的內力轉換到永久結構上，完成施工工況向設計工況的轉化。由于每層結構板與原有支撐存在距離差，支撐點跨度過大，內力轉換時存在安全隱患，因此，每次切除內支撐時，必須采用對稱、分區、切割、靜爆的方式進行。具體卸荷原則如下：

1)先澆筑支撐梁下的梁板混凝土，待樓板混凝土達到設計強度90%，再拆除樓板標高以上的支撐結構；

2)支撐梁應從下至上逐層拆除，平面上需對稱交叉進行；

3)按照先拆除支撐梁及其系桿，后拆除支撐柱的順序進行。

3 深基坑內支撐拆除施工及結構本體的加強措施

基坑工程采用“先機械切割、后靜態爆破，切割釋放應力、靜爆分離混凝土”的方法，即“切割+靜爆”法進行鋼筋混凝土內支撐的拆除。支撐梁拆除時，應對結構本體采取加強措施(表1)。圖5為支撐梁拆除時機械切割及靜態爆破圖。

表1 支撐梁拆除時結構本體加強措施

圖5 支撐梁拆除時機械切割及靜態爆破照片

4 工程實例

4.1 工程概況及支護方案

武漢復地漢正街東片項目位于江漢區中山大道南側美奇國際廣場對面，地下室共三層，開挖面積約48926.0 m2，開挖周長約926.0 m；基坑普挖深度和塔樓區域開挖深度分別為場地標高下13.60 m和16.500～17.000 m。基坑周邊環境復雜，其東側為規劃大道，南側為長堤街和民房，西側為多福路，北側為中山大道。基坑支護方案為“單排樁+兩道臨時鋼筋混凝土支撐，雙排樁+一道臨時鋼筋混凝土支撐，局部區域采用雙排樁+被動區加固留土”，單排樁為Φ1200 mm@1600 mm鉆孔灌注樁排樁，樁后采用一排800 mmTRD連續墻作為止水帷幕，坑內采用中深井疏干降水。圖6為支護結構平面圖。

圖6 基坑周邊環境及支撐平面

取東側段的換撐分析；該段采用單排樁+兩道臨時鋼筋混凝土支撐，兩道支撐分別在標高-2.15 m及-7.65 m處，第一層支撐距離地下二層樓面3.05 m，第二層支撐距離地下三層樓面1.45 m。

4.2 換撐施工設計

本項目地下室主體結構按常規施工工藝施工；地下負三層結構的換撐如下：

工況1：支護結構與地下負三層結構的換撐，待基礎底板和地下負三層結構澆筑完成并達到設計強度，在結構板與支護樁之間通過現澆板帶進行內力轉換后，方可拆除第二道支撐(圖7)；

工況2：支護結構與地下負二層結構的換撐，需待地下負二層結構澆筑完成并達到設計強度，在結構板與支護樁之間通過現澆板帶進行內力轉換后，方可拆除第一道支撐(圖8)。

圖7 第二道支撐的拆除

圖8 第一道支撐的拆除

1) 支護結構與地下室底板、地下各層結構之間的換撐

武漢復地工程基礎底板厚度達到1100 mm，經換撐傳力的計算，將換撐厚度設計為700 mm，其余部位用磚模和回砂填充。第二道支撐拆除后，換撐部位距第一道支撐結構的距離達11.45 m，為使支護結構變形滿足設計要求，故在基礎底板的四周設置上翻換撐牛腿。地下各層結構與支護結構之間通過現澆板帶轉換，按常規施工即可。

2) 支護結構與后澆帶、結構開口之間的換撐

分別在地下三層結構完成并達到強度后，將該層樓板四周延伸至支護樁邊，并通過鋼筋與支護樁鋼筋焊接連接，結構梁板澆筑時將其與支護樁連接成為整體，第二道支撐拆除后，其內力傳遞到地下三層樓板等結構上。在后澆帶和結構開口等部位采用工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力，待整個結構施工完成形成了整體剛度，且支護結構與地下結構外墻之間的間隙全部回填密實后方可拆除。后澆帶、結構開口換撐部位節點大樣見圖9、圖10。

圖9 底板后澆帶換撐做法示意圖

圖10 樓板后澆帶換撐做法示意圖

4.3 換撐時最不利工況支護樁內力

第二道支撐距離負三層樓板面1.45 m，換撐相對安全。第一道支撐距離負二層樓板面3.05 m，第一道支撐拆除后，其支撐力轉換到地下負二層樓板以及結構上時，支護樁處于懸臂狀態，懸臂擋土5.2 m，此時支護樁內力較大，為最不利工況。

1)換撐后地下室樓板支撐力

第一道支撐(設計標高為-2.15 m)拆除后，為換撐過程中最不利工況，支護樁懸臂擋土5.2 m；表2為土層基本物理參數指標，圖11為支護樁受力分布圖。

a)地下負二層與負三層樓板中間距地面(地面標高0.00 m)-7.15 m，主動土壓力強度：

((20+75.8+22.95+18.7×1.85)×0.640-38.07)kPa=60.07 kPa

表2 土層基本物理參數指標

圖11 支護樁受力分布圖

標高0.00～-7.15 m土壓力由地下負二層承擔，總主動土壓力

地下負二層(設計標高-5.2 m)處，Ra=90.96 kN/m；

b)地下負三層與地下室底板中間距地面-11.35 m，主動土壓力強度：

((20+75.8+22.95+18.7×6.05)×

0.640-38.07)kPa=110.34 kPa

標高-7.15 m～-11.35 m土壓力由地下負三層承擔，總主動土壓力：

地下負三層(設計標高-9.1 m)處，Rb=137.15 kN/m；

c)地下室底板處受力。地下負三層與地下室底板中間點距支護樁底作用的主、被動土壓力強度由地下室底板承擔。地下室底板(設計標高-13.60 m)處主動土壓力強度：

((20+75.8+22.95+153.34+18.9×0.1)×

0.307-0)kPa=84.10 kPa

標高-11.35～-20.3 m總主動土壓力：

被動土壓力：

地下室底板(設計標高-13.60 m)處，Rc=Ea3-Ep=434.19 kN/m

2) 換撐時最不利工況支護樁內力

基坑東側段支護方式：單排樁+兩道鋼筋混凝土支撐，支護樁為鉆孔灌注樁排樁Φ1200 mm@1600 mm，樁長20.3 m，嵌入坑底深度6.8 m 。采用天漢軟件計算支護樁土壓力及位移見圖12,彎矩及剪力見圖13。

圖12 土壓力及樁身位移圖

圖13 彎矩及剪力包絡圖

圖12b表示各工況下排樁各深度處的水平位移。S1-S7為開挖基坑過程中的7種工況，其中S1為基坑開挖至-2.65 m處；S2為基坑開挖至-2.65 m,并于-2.15 m位置處施工第一道內支撐；S3為基坑開挖至-8.15 m處；S4為基坑開挖至-8.15 m,并于-7.65 m位置處施工第二道內支撐；S5:基坑開挖至基底設計標高-13.6 m處；S6為地下負三層樓板施工完畢后，拆除第二道內支撐于-9.1 m處進行換撐；S7為地下負二層樓板施工完畢后，拆除第一道內支撐于-5.2 m處進行換撐。當開挖至-7.65 m處排樁頂部產生的位移最大，值為19.7 mm；排樁位移隨著深度的增加不斷減小，至20.3 m處位移減小為零。

圖13為兩道內支撐拆除，及換撐完成后樁身在不同深度處的彎矩和剪力包絡圖。樁身最大正向彎矩為638 kN·m，前樁最大負向彎矩為-304 kN·m；前樁最大正向剪力：266 kN，最大負向剪力為-420 kN。被動區彈性抗力安全系數最小值為1.87，本基坑工程換撐設計符合規范要求。

4 結論

1)歸納總結了深基坑內支撐換撐的三種類型即剛性結構的換撐、素混凝土回填的換撐和鋼筋混凝土換撐特點和適合換撐部位。

2)若支撐點跨度過大，可以采用“先機械切割、后靜態爆破，切割釋放應力、靜爆分離混凝土”的施工方法；可在基礎底板四周設置高出底板的上翻牛腿，以減小支護體系變形。

3)換撐設計時可使內力通過結構現澆板帶進行轉換，地下各層結構與支護樁之間用鋼筋焊接連接，留有后澆帶和結構開口部位,采用工字鋼或槽鋼來傳遞缺失部位的水平力，以此化解內力轉換時存在的安全隱患。

4)以武漢復地深基坑項目為依托，重點闡述兩次換撐時基坑支護結構內力重分布的規律。第一道內支撐拆除后，支護樁懸臂擋土5.2 m，為換撐時最不利工況，采用天漢軟件計算支護樁位移、彎矩、剪力，得出被動區彈性抗力安全系數最小值為1.87，符合規范要求。