超大空間基坑中部既有建(構)筑物保護支護設計方案研究

牛 斌

(北京城建設計發展集團股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

隨著城市地下空間的開發利用和地下綜合體的建設，很多城市修建了地下公共空間，大量超大基坑工程不斷涌現。部分待建的地下空間范圍內存在建(構)筑物，且這些建(構)筑物無法拆除或改遷，如古樹、歷史遺跡、文物建筑等。因此，在地下空間建設過程中需要對其進行保護，嚴格控制其變形的同時盡量增大地下空間的使用面積。

國內學者對基坑鄰近建(構)筑物進行了大量的研究。如： 張治國等[1]從理論上分析了基坑開挖對鄰近隧道的縱向變形； 楊波等[2]對土石混合體地層中基坑開挖對鄰近既有隧道的影響進行了模型試驗研究； 梁志榮等[3]對緊鄰歷史保護建筑深基坑設計進行了研究和監測分析； 王懷東等[4]對新建地鐵車站基坑鄰近運營地鐵車站安全技術措施進行了研究； 范亞斌等[5]研究了基坑周邊古樹保護的圍護技術； 龔江飛等[6]研究了軟土地區深基坑開挖對周邊文物建筑沉降的影響； 谷崇建等[7]對緊鄰高壓線塔的深基坑支護技術進行了研究； 張曉榮等[8]對鄰近城市高層建筑的基坑圍護結構變形控制進行了研究。

然而，以上研究都是針對基坑周邊存在既有建(構)筑物的情況，未見超大基坑中部存在需要被保護的建(構)筑物的相關報道，其與一般的基坑工程有一定區別。本文依托石家莊市中央商務區北區地下公共空間工程，結合地下工程設計方案，對基坑內部既有水塔的保護進行圍護結構方案的比選與研究，并提出一種易于控制變形、施工方便、造價低的設計方案。

1 工程概況

石家莊市中央商務區北區地下公共空間工程項目規劃總用地 6.98 hm2，總建筑面積約13.9萬m2，其中，地上建筑面積約0.2萬m2，地下建筑面積約13.7萬m2； 結構東西向長135～235 m，南北向長570 m。地面為景觀公園，結構覆土3 m，地下1層層高為6.35 m，地下2層層高為4.1 m，主要功能包括服務周邊商務地塊的配套商業(超市、餐飲等)、汽車庫、能源中心、智慧控制中心、市政環廊、人防工程與地鐵車站。工程總平面圖如圖1所示。在超大基坑中部存在既有水塔，水塔于1939年竣工，為圓柱形結構，目前已經停止使用。水塔基礎型式為鋼筋混凝土筏板基礎，基礎厚度為0.9 m，埋深為3.6 m； 主體采用鋼筋混凝土結構，內徑為9.4 m，外徑為11 m，壁厚為0.8 m； 水塔高約36.5 m，為高聳構筑物。地下空間基坑開挖深度為14 m。

圖1 工程總平面圖

地層從上至下依次為雜填土、黃土狀粉質黏土、黃土狀粉土、細砂、中砂、粉質黏土、粉土、細砂、中砂、粉質黏土、中粗砂、含卵石中粗砂。基坑底部位于粉質黏土層?，F狀水位在自然地面下43.0 m，施工時不需要考慮降水。地質剖面圖及水塔現狀見圖2。土體物理力學參數如表1所示。

2 中心島法

2.1 方案設計

由于基坑面積較大，采用內支撐體系不僅造價高，而且支撐剛度也被大大削減，因此，對于大面積基坑，中心島法被廣泛采用[9]。中心島法圍護結構方案如圖3(a)所示(圖中僅示意一半，另一半對稱分布)。在水塔周邊打設圍護樁，樁徑為1.0 m，中心間距為1.4 m，采用直徑為609 mm、壁厚為16 mm的鋼支撐，兩邊對稱開挖。具體施工步序如下。

(a) 地質剖面圖 (b) 水塔現狀

表1 土體物理力學參數

1)施作水塔周邊圍護結構，分層放坡開挖土體至基坑底標高，依次施工墊層、防水層，并由下至上施工中心島范圍內的主體結構，如圖3(b)所示。

2)待主體結構達到設計強度后，對稱開挖水塔兩側剩余土體至基坑底標高，同時根據開挖情況及時架設鋼支撐，如圖3(c)所示。

3)施工底板墊層和防水，拆除第2道鋼支撐，施工中板和側墻結構，待結構達到設計強度后，架設第1道鋼支撐倒撐(斜撐)，拆除第1道鋼支撐并施工頂板，如圖3(d)所示。

(a) 平面圖 (b) 施工步序1)

(c) 施工步序2) (d) 施工步序3)

2.2 存在的問題及注意事項

2.2.1 預留反壓土臺的設計

1)邊坡穩定性應結合當地經驗、數值計算以及施工場地等因素確定，本方案設計時放坡土體上方不作為施工場地，如果作為施工場地，應考慮施工荷載。

2)頂部寬度確定[10]除滿足施工場地需求外，應使先施作結構部分盡可能靠近圍護樁，使支撐長度可控，避免鋼支撐增設臨時立柱。

2.2.2 主體回筑工況中的關鍵問題

1)預留土體應遵循“對稱、均衡、限時、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的原則。

2)主體回筑過程中拆除第1道鋼支撐時，支護結構懸臂工況應采用斜撐等，以減小變形和圍護樁受力。

2.2.3 中心島先施作結構設計要點

核心土體范圍與基坑深度、地層、支護方式、臺階上部荷載等因素有關。如果距離過大，支撐需要增設臨時立柱。本工程坡頂上部無施工荷載，并采用土釘墻放坡，新建結構與圍護樁體距離約20 m,鋼支撐無須設置臨時立柱，鋼支撐位置處結構局部尺寸加厚，并設置抗剪槽。

3 蓋挖逆作法

3.1 方案設計

水塔周邊2跨范圍內采用框架結構逆作、中間采用中心島明挖順作的結合方案[11]。其中，蓋挖逆作法是在淺基坑中修筑完結構頂板及豎向支撐后，自上而下逐層開挖土體并逐層修筑地下結構的方法[12]，圍護樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。主要施工步序如下。

1)開挖淺基坑至頂板底標高下方，施工水塔周邊圍護樁和中間立柱樁基，施作頂板結構，如圖4(a)所示。

2)依次向下開挖土方至中板底標高處，施工中板，并向下開挖土方至底板底標高處，施工墊層、防水層及底板結構，如圖4(b)所示。施工出土從另外一側運出，不需要單獨設置出土孔。

(a) 施工步序1) (b) 施工步序2)

3.2 存在的問題及注意事項

3.2.1 立柱垂直度要求

中間立柱可以采用永久結構柱，如鋼管混凝土柱或型鋼格構柱。型鋼格構柱在底板施工完成后，外包混凝土形成主體結構柱，也可以采用格構式或者實腹式型鋼柱作為臨時中間立柱。立柱除滿足受力要求外，其垂直度也應滿足規范要求[13]，對施工水平要求相對較高。根據地層情況，選擇合理的樁基，并采取樁底壓漿等措施控制施工期間中間立柱的沉降。

水塔變形主要靠各層結構板水平支撐，應進行受力和變形計算，必要時增加蓋挖部分的跨數，本次按2跨計算可滿足要求。

3.2.2 結構差異沉降

由于水塔周邊2跨范圍內采用蓋挖逆作法施工，中間采用明挖順作法施工，2種方法在相同荷載情況下的沉降不同，會導致結構在接口位置產生開裂，應分別計算沉降，并在接口處采取相應的構造措施。

4 鋼絞線張拉法

4.1 鋼絞線對拉法

4.1.1 方案設計

鋼絞線對拉法圍護結構平面圖和剖面圖如圖5所示。基坑圍護結構為正六邊形，圍護樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。施工周邊圍護樁和冠梁及擋土墻，周圈依次向下開挖土方，施工至第1道鋼絞線下方500 mm，在土體中鉆孔并張拉鋼絞線，圍護結構外側為噴射混凝土面層和鋼圍檁，重復以上施工步序至基坑底標高[14]。豎向共設置5層對拉鋼絞線： 第1層和第2層采用3φs15.2，第3—5層采用4φs15.2，鉆孔直徑為150 mm。每層設置9道鋼絞線對拉，每兩邊設置3道，水平間距為3.9 m。鋼絞線孔距誤差不大于100 mm，軸線偏斜率不大于鋼絞線長度的2%。張拉采用分級等荷張拉，一端固定，另一端張拉，張拉端與固定端交錯設置，每級張拉至壓力表無返回現象時進行鎖定，張拉控制應力滿足設計要求且不超過極限應力值的0.6倍，并進行孔內灌漿。監測樁體和水塔變形，并根據監測情況對錨索張拉進行控制。

4.1.2 注意事項

1)此方法適用于被保護的建(構)筑物無基礎或基礎較淺的情況。

2)圍護結構可以是正六邊形或正四邊形，正四邊形時陽角角度較小，邊跨張拉時不利于土體穩定。本次結合地下空間的功能和建筑方案，選用正六邊形。

3)本工程施工時無地下水，如果存在地下水，應在基坑施工時進行降水。砂土中鉆孔成孔困難時，采用套管跟進。對上部建筑變形要求嚴格時，可以在鉆孔內注漿。在地下空間結構施工完成后，可以根據需要對鋼絞線進行拔除。

(a) 平面圖 (b) 剖面圖

4)豎向各層鋼絞線根據變形和圍護樁受力確定合理的間距，每層鋼絞線上下可錯開100～300 mm，避免同一層鋼絞線張拉時沖突。

4.2 鋼絞線環箍法

4.2.1 方案設計

鋼絞線環箍法圍護結構平面圖和剖面圖如圖6所示。基坑圍護結構為圓形，圍護樁樁徑為0.8 m，中心間距為1.3 m。施工周邊圍護樁和冠梁，周圈依次向下施工，施工至第1道鋼絞線下方500 mm時，對鋼絞線進行張拉，重復以上步序施工至基坑底標高。豎向共設置6層對拉鋼絞線： 第1—3層采用4φs15.2，第4—6層采用5φs15.2。

(a) 平面圖 (b) 剖面圖

4.2.2 注意事項

1)此方法對于被保護的建(構)筑物是否存在地下室均可適用。

2)圍護結構應為規則的圓形結構，掛網噴射混凝土也應為圓形，對施工精度要求相對較高。

3)每層設置3個張拉端對鋼絞線進行張拉，張拉端由2個工字鋼和連接工字鋼的連接鋼板組成，中間有空隙可以穿越鋼絞線，外側設置錨頭承壓板，如圖7(a)和圖7(b)所示。

4)每個圍護樁上均應有槽鋼對鋼絞線進行限位，同時應防止混凝土局部承壓破壞，槽鋼采用膨脹螺栓固定在圍護樁上，且槽鋼不宜過長，如圖7(c)所示。

(a)剖面圖 (c)B節點大樣圖

4.3 計算分析時需要注意的問題

1)由于周圈采用圍護樁并采用鋼絞線張拉，此時可以將結構看作是一個整體建筑，即基底標高以下的部分為建筑基礎，基底標高以上的部分為高層建筑。

2)對于上部荷載(水塔)對稱位于結構中部時，采用《建筑地基基礎設計規范》[15]第5.2.1條計算地基承載力； 對于偏心荷載，采用第5.2.2條計算基底壓力，并進行承載力驗算。

3)圍護結構嵌固深度應根據《建筑基坑支護技術規范》[16]第4.1.4條驗算，擋土構件嵌固段上的基坑內側土反力標準值應小于擋土構件嵌固段上的被動土壓力標準值。

4)水塔周邊基坑挖到底標高時，應驗算地基的整體剪切、局部剪切和沖切是否滿足要求[17]。

5)鋼絞線對拉法計算與內支撐計算相同； 鋼絞線環箍法根據內力平衡條件即可計算得到鋼絞線拉力值，環向分力可取切線點位置。

6)圍護結構與地下空間結構之間的肥槽應回填密實。

5 方案比較

除以上介紹的中心島法、蓋挖逆作法、鋼絞線張拉法外，也可以采用托換方案，但存在以下問題： 1)水塔為高聳建筑，托換時傾斜不易控制。2)水塔雖有基礎，但中部存在井道，基礎一周集中線荷載作用于結構頂板，荷載較大，從而導致結構柱較密，且結構梁、板尺寸較大； 同時，水塔基礎埋深比地下空間頂板低，托換后水塔下部可利用空間有限。3)托換部位結構荷載較大，需要設置變形縫或者采取地基處理、結構厚度加強等措施，以減少不均勻沉降對地下空間結構的影響。4)托換費用較高，工期較長。5)由于整個地下空間存在較多的設備房間，水塔基礎下方不連通的部分可以設置在非公共空間范圍內?；谝陨显?，本工程未考慮托換方案。

根據《建筑地基基礎設計規范》[15]、《高聳結構設計標準》[18]、《給水排水工程水塔結構設計規程》[19]，水塔的傾斜控制值均為0.006，此處的傾斜是指兩端點的沉降差與距離的比值。由于對稱開挖，理論上水塔無傾斜。本工程計算的傾斜率為最大沉降值與結構基礎寬度之比，用以考慮不對稱性施工造成的傾斜。根據計算，水塔變形滿足要求。由于豎向設置多道鋼絞線，采用鋼絞線張拉法變形控制更好，也更容易實現對稱施工。本工程中心島法和蓋挖逆作法都是影響水塔周邊2跨范圍，因此，對比水塔周邊圍護結構和2跨范圍內主體結構的造價，各方案對比如表2所示。由表2可以看出，本工程從工期、造價、變形控制和施工方便性考慮，應優先選用鋼絞線對拉法。

表2 方案對比表

6 結論與討論

1)中心島法施工時應根據基坑深度、地層、支護方式等情況，合理確定反壓土臺的上部寬度及放坡坡率，回筑時應盡量減少支撐長度，支撐部位結構應加厚，對于拆撐時結構變形過大的情況可以增加臨時斜撐。

2)蓋挖逆作法施工時應注意立柱的垂直度以及明、蓋挖結合處結構的不均勻沉降，同時，應根據被保護建(構)筑物的變形情況合理確定蓋挖段范圍。

3)當無地下室或者地下室埋置深度較淺時，可以采用鋼絞線對拉法，圍護結構為正四邊形或正六邊形； 當地下室埋置深度較深時，可以采用鋼絞線環箍法，圍護結構為圓形。

4)鋼絞線張拉法周邊應對稱開挖和施工，豎向間距根據結構變形要求確定，結構施工完成后可以將鋼絞線拆除。鋼絞線張拉法對地下空間的施工無影響，造價低，通過豎向間距的調整，可以很好地控制建筑物的變形。

上述方法的核心均是通過圍護結構與支撐(鋼支撐或結構板)或錨索來保持水塔及水塔下方土體的變形與穩定，對地下空間的影響程度基本相同，可以根據工程實際靈活選用。本工程后期實施時已將水塔拆除，鋼絞線對拉鉆孔施工對建筑物的沉降影響、鋼絞線張拉工藝及預應力損失等還需要結合工程實踐進一步檢驗與研究。目前針對超大基坑中部既有建(構)筑物保護的研究較少，但是隨著城市地下空間的大力發展以及地下綜合體的建設，相關工程案例會越來越多。本文的研究思路可為類似工程提供借鑒，以工程實踐對研究成果進行驗證，并通過變形分析和傾斜監測等手段對方案進行優化。