水池類基坑換撐設計新思路與工程實踐

錢宏偉，李玉磊

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

給水廠站水池多采用地下或半地下鋼筋混凝土結構，其結構形式與特點：一是結構形式復雜，基本無中層板，但水池內部縱橫向隔墻、堰板等構件眾多，外壁板需預留套管、孔洞等；二是抗滲性及整體性要求高，水池施工完畢后必須進行滿水試驗，觀測水池滲水量，檢查水池抗滲性能。為觀測水池滲水量，及試驗合格后外壁防腐涂料施工質量，圍護體系與主體結構之間需預留操作空間，在水池滿水試驗及池壁防水、防腐涂料施工完成后方可進行基坑肥槽回填。

結合水池主體結構形式與特點，本文總結了軟土地區水池類基坑一般及特殊條件下的幾種換撐設計，并針對特殊條件下的水池深基坑，提出一種新的換撐設計思路，為同類設計和施工提供借鑒。

1 水池類基坑一般換撐設計

對于開挖深度較淺，采用一道水平支撐體系的水池類基坑，可僅在圍護樁與底板之間布置傳力帶，待傳力帶強度達設計的強度80%以上后，拆除第一道支撐，即圍護體與基礎底板間換撐[1]。該位置的傳力帶僅起到支擋圍護結構的抗壓作用，一般為方便施工，采用與底板同厚度、同標號的素混凝土，如圖1。

圖1 一般底板換撐示意圖

若在底板及底板傳力帶施工完成、拆除支撐工況條件下，圍護結構變形計算過大，不滿足周邊環境保護要求或圍護樁抗彎強度要求時，傳力帶也可做成上翻牛腿形式，以縮短拆除支撐工況下圍護結構計算的懸臂高度，控制圍護結構變形及確保周邊環境安全。上翻牛腿的配筋通過其所受荷載大小按彎剪構件計算，如圖2。

圖2 上翻牛腿換撐示意圖

對于開挖深度相對較深，采用二道水平支撐體系的水池類基坑，常規換撐設計施工順序為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強度達設計強度的80%以上后拆除第二道支撐；（3）繼續施工水池壁板、頂板及頂板傳力帶；（4）待主體結構及頂板傳力帶達設計強度80%以上后拆除第一道支撐；（5）繼續施工水池頂板以上部分主體結構。頂板傳力帶可間隔開孔，開孔長度一般不小于1 m，以便于人員、材料的內外進出，肥槽內也可采用中粗砂或局部素混凝土回填，以確保回填密實性（見圖3）。

圖3 常規底板、頂板換撐示意圖

2 水池類基坑特殊條件下換撐設計

對于某些半地下式水池，當頂板位于現狀地面以上，即第一道支撐以上，且基坑深度較深時，僅在圍護樁與底板之間布置傳力帶、拆除第一道支撐工況下，基坑不能夠滿足穩定及圍護樁變形控制要求，此時一般有兩種處理方法。

方式一：在底板傳力帶與第一道支撐之間設置中間換撐帶。

具體施工步驟為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強度達設計強度80%以上后拆除第二道支撐；（3）繼續施工水池壁板及中間傳力帶至某一標高；（4）待主體結構與中間傳力帶強度達設計強度的100%后拆除第一道支撐；（5）繼續施工水池余下部分主體結構。如下圖4 所示。

圖4 底板傳力帶與第一道支撐之間設置中間換撐帶示意圖

方式二：不設中間換撐帶。

具體施工步驟為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強度達設計強度的80%以上后拆除第二道支撐；（3）一次性施工完水池壁板、頂板等主體結構，支撐與壁板相交處設止水鋼板；（4）待主體結構施工完成并滿水試驗合格、防水防腐涂料施工完成后，基坑肥槽回填，割除第一道支撐。如下圖5 所示。

圖5 不設中間換撐帶示意圖

以上兩種方式中：第一種方式中，換撐帶間接將外水土荷載傳遞至主體結構外壁板，故外壁板需按懸臂工況復核計算外水土荷載作用下的配筋及裂縫，此時外壁板往往壁厚較厚或配筋率較高，造成材料浪費，達不到工程經濟性效果；第二種方式中，不設中間換撐帶，需在第一道支撐上設止水鋼板，往往水池內壁板較多且布置形式較不規則，導致主體結構止水節點增多，施工不便，且滲水風險增大，外壁板防水效果較難保證。

3 水池類基坑特殊條件下換撐設計新思路

針對以上情況，利用水池內部縱橫向隔墻或璧柱布局特點，提出新的換撐思路。即方式三：利用水池主體結構的扶壁（或璧柱）、內部縱橫向壁板作為換撐體系。

以某吸水井及二級泵房深基坑為例。吸水井為半地下式鋼筋混凝土水池結構，內部被縱橫向隔墻分隔成網格，最大網格約9×6 m；二級泵房地下為帶璧柱的擋土墻式鋼筋混凝土結構，璧柱沿墻長間隔約6 m 布置一個作為墻板的支座。吸水井及二泵房為合建結構，基坑開挖深度10.15～11.65 m，基坑平面尺寸99.84×38.15 m。

該基坑位于長江漫灘地區，土層自上而下依次為素填土、粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾粉土，其中淤泥質粉質黏土層厚約30 m。基坑采用30～32 m 長的φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁結合兩排φ800@500 的高壓旋噴樁止水的圍護結構形式，共設兩道水平支撐，第一道為鋼筋混凝土結構，第二道為鋼結構，圍護結構剖面見圖6。

圖6 主體結構與支撐、換撐體系相互關系平面圖

該基坑利用吸水井縱橫向壁板隔墻及二級泵房璧柱作為換撐體系，主體結構璧柱及內部縱橫向壁板與基坑支護體系、換撐體系的平面相互關系如圖7。縱向璧柱或吸水井隔墻一般間距約6 m，璧柱或隔墻傳力帶的厚度同對應璧柱或隔墻厚度，一般0.6 m或1 m。具體換撐設計為：（1）底板及底板傳力帶澆筑；（2）待底板及底板傳力帶強度達設計強度80%以上后拆除第二道支撐；（3）施工主體結構及壁板、璧柱傳力帶至第一道支撐下0.5 m，并壁板、璧柱傳力帶做成上翻牛腿形式支撐在冠梁上，形成圍檁加支點的支撐體系；（4）待主體結構及壁板、璧柱傳力帶強度達設計強度100%后拆除第一道支撐；（5）繼續施工余下主體結構，待主體結構施工完成、且滿水試驗合格、防水防腐涂料施工完成后，基坑肥槽采用中粗砂回填。

圖7 圍護結構剖面圖（單位：標高m，尺寸mm）

4 對比分析

針對特殊條件下的三種換撐設計，以上述吸水井及二級泵房深基坑為例，分別計算基坑圍護結構的受力與變形、主體結構外側壁板的受力。

根據三種換撐設計方式工況可知，在圍護結構選型、支撐布置形式一致情況下，第一、二道支撐最大反力一致，僅圍護樁及外壁板受力、變形不同。圍護結構內力及變形包絡圖如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 方式一圍護結構內力與變形包絡圖

圖9 方式二圍護結構內力與變形包絡圖

根據圖8～10 及對比表1，第一種換撐方式圍護結構內力及變形最大，這是因為第一道支撐拆除后，支護結構形成懸臂狀態。且該方式外水土壓力荷載水平集中作用在璧柱、壁板-1.0 m 標高，璧柱、壁配筋增大約50%。第二種換撐方式需增加止水鋼板節點，防水施工較為不便，水池滲漏水風險增大。

圖10 方式三圍護結構內力與變形包絡圖

該基坑已按第三種換撐方式施工完畢，根據監測數據，圍護結構最大水平位移23.05 mm，與理論計算基本一致。主體結構滿水試驗一次合格，在保證主體結構質量同時，節約工期43 d。

6 結 語

本文總結了一般及特殊條件下換撐設計方法，并提出利用水池主體結構的扶壁（或璧柱）、內部縱橫向壁板作為一種換撐體系，在工程實際應用中達到了預期效果，可為同類設計和施工提供借鑒。