滑降式快速預(yù)支撐體系在超深基坑中的應(yīng)用研究

張偉泉

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，城市日益擁擠，交通系統(tǒng)也面臨巨大的壓力，構(gòu)建綜合交通體系成為城市發(fā)展的重要內(nèi)容，在城市土地資源有限的條件下，向地下空間的發(fā)展力度越來越大。長三角地區(qū)、粵港澳大灣區(qū)等區(qū)域已建成和在建的地下軌道交通工程和超大直徑隧道工程的數(shù)量與日俱增，新建的項(xiàng)目勢必會向更深的方向發(fā)展。隨著基坑開挖深度不斷加深，周邊環(huán)境日趨繁雜，控制軟土地區(qū)超深基坑的變形、確保其穩(wěn)定，避免對周邊建（構(gòu)）筑物和地下管線等設(shè)施造成破壞，研究運(yùn)用合適的工藝，有效控制或減緩施工期間混凝土支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，對超深基坑施工期環(huán)境保護(hù)和工程安全具有重大意義[1-6]。

目前，國內(nèi)超深基坑工程施工中，普通鋼支撐因其軸力小、剛度小、易失穩(wěn)等缺點(diǎn)使其應(yīng)用較少，而在工程實(shí)踐中更多的采用鋼筋混凝土支撐，但鋼筋混凝土支撐自身施工周期長，無法做到隨挖隨撐。伺服鋼支撐能更好地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，可以有效降低超深基坑開挖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形對周邊環(huán)境的影響，可以有效控制超深基坑的變形。滑升模板是混凝土結(jié)構(gòu)中的一種活動成型胎膜，結(jié)構(gòu)簡單，施工速度快，大大提升了機(jī)械設(shè)備的使用效率。

該工程滑降式快速預(yù)支撐體系借鑒并結(jié)合上述兩種施工工藝，在鋼筋混凝土支撐施工前引入預(yù)支撐，減小混凝土支撐發(fā)揮作用前圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，保障施工過程中周邊環(huán)境的安全和穩(wěn)定。

1 工程概況

1.1 工程概況

上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線4 標(biāo)華涇站主體結(jié)構(gòu)內(nèi)凈尺寸為562.3 m×34.5 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，基坑總開挖面積約18 000 m2，基坑分為4 個獨(dú)立的區(qū)域進(jìn)行開挖施工，最大開挖深度達(dá)44.023 m。

如圖1 所示，4 區(qū)基坑為盾構(gòu)接收井，基坑內(nèi)部尺寸為27.6 m×25.1 m，最大開挖深度約42.898 m，坑底縱向設(shè)置2‰斜坡。基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m 厚、107.5 m 深地下連續(xù)墻，接頭形式為套銑接頭；地下連續(xù)墻兩側(cè)采用三軸水泥土攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，槽壁加固樁長為25 m、樁徑為850 mm、樁心距為600 mm；內(nèi)支撐均為9 道鋼筋混凝土支撐，其中第7、8 道為留撐。地下連續(xù)墻墻縫處采用N-jet 工法進(jìn)行全圓加固設(shè)置墻縫止水，樁徑為2 200 mm；墻縫止水樁頂標(biāo)高為-19.300 m，豎向與槽壁加固搭接1 m，樁長至地下連續(xù)墻墻底。墻縫止水有效直徑與銑接頭接縫搭接長度需大于600 mm。基坑內(nèi)樁基為鉆孔灌注樁，坑內(nèi)設(shè)置5 根抗拔樁和4 根立柱樁。

圖1 四區(qū)基坑平面圖（單位：mm）

1.2 地質(zhì)條件

該工程建設(shè)場地為正常沉積區(qū)，在勘探深度范圍內(nèi)地層可劃分為10 個大層，地質(zhì)關(guān)系剖面示意圖如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)關(guān)系剖面示意圖

上海地區(qū)淺部土層中的潛水位埋深一般為地表下0.3～1.5 m，年平均水位埋深為0.5～0.7 m。分區(qū)4在基坑影響范圍內(nèi)的承壓含水層主要有④2、⑤1-1層微承壓水含水層及⑦1、⑦2、⑧2、⑨1層承壓水含水層。接收井坑底位于⑦2層粉砂層中，圍護(hù)墻底位于⑩層蘭灰～褐灰色黏土層中。

2 滑降式快速預(yù)支撐體系簡介

滑降式快速預(yù)支撐體系是針對超深基坑鋼筋混凝土支撐施工期間為有效控制超深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形而提前安裝的臨時性型鋼框架支撐。滑降式快速預(yù)支撐體系主要由卷揚(yáng)機(jī)固定架、卷揚(yáng)機(jī)、鋼圍檁、斜撐、液壓油缸、液壓泵站等部件組成，卷揚(yáng)機(jī)固定架已于前期預(yù)埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，下部支撐平臺總重量約200 t（含配件），外包尺寸為23 600 mm×26 100 mm，四周鋼圍檁分為8 個構(gòu)件，8 根斜撐為獨(dú)立構(gòu)件，構(gòu)件間采用焊接連接，液壓泵站固定于東側(cè)鋼圍檁上，隨支撐平臺升降。滑降式快速預(yù)支撐體系平面圖詳如圖3 所示。

圖3 滑降式快速預(yù)支撐體系平面圖圖（單位：mm）

滑降式快速預(yù)支撐體系充當(dāng)?shù)啄Ｆ拭鎴D如圖4所示。

圖4 滑降式快速預(yù)支撐體系充當(dāng)?shù)啄Ｆ拭鎴D（單位：mm）

3 滑降式快速預(yù)支撐體系施工工藝

3.1 構(gòu)件制作

該工程鋼構(gòu)件均在鋼結(jié)構(gòu)加工廠內(nèi)進(jìn)行生產(chǎn)加工制作，加工制作過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼構(gòu)件的切割下料、裝配、焊接、校正等工序質(zhì)量，確保鋼構(gòu)件每道工序的質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求和規(guī)范規(guī)定，并經(jīng)檢測合格后運(yùn)至現(xiàn)場進(jìn)行拼裝。

3.2 總體安裝

在基坑內(nèi)的相應(yīng)位置將支撐平臺邊線測放在已澆筑的混凝土墊層上，并鋪設(shè)鋼板作為拼裝場地。先將鋼圍檁構(gòu)件吊入，并在基坑內(nèi)按照先圍檁后斜撐的順序組裝型鋼框架支撐模塊；首先，進(jìn)行型鋼框架支撐模塊的頂面及側(cè)面焊縫焊接，其次，將型鋼框架支撐模塊抬高后進(jìn)行底面焊縫焊接，第三，采用沙箱臨時支撐固定。待型鋼框架支撐模塊連接成整體后使用卷揚(yáng)機(jī)整體提升拆除型鋼框架支撐，同時安裝人員進(jìn)行液壓油缸、油管、液壓泵站等安裝，液壓油缸與鋼圍檁采用高強(qiáng)螺栓連接。

選用150 t 履帶吊（45 m 主臂）和50 t 汽車吊完成本次安裝任務(wù)，其中，選用15 t 卸扣和直徑26 mm的鋼絲繩。由150 t 履帶吊進(jìn)行鋼圍檁的吊裝，50 t汽車吊進(jìn)行斜撐、卷揚(yáng)機(jī)、液壓油缸、液壓泵站等較輕零部件吊裝。吊裝前，施工現(xiàn)場應(yīng)劃分吊裝施工區(qū)域并懸掛施工標(biāo)識；吊裝施工期間，禁止無關(guān)人員及車輛進(jìn)入吊裝施工區(qū)域內(nèi)，確保吊裝作業(yè)安全順利完成。

3.3 使用流程

滑降式快速預(yù)支撐體系安裝完成后進(jìn)行型鋼框架支撐體系的試運(yùn)轉(zhuǎn)，確定卷揚(yáng)機(jī)、液壓泵站、液壓油缸運(yùn)行情況良好。

使用流程如下：開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高、基面整平壓實(shí)→下放快速預(yù)支撐體系→施加液壓油缸頂力→綁扎圍檁支撐鋼筋、模板安裝→卸載液壓油缸頂力、快速預(yù)支撐體系與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間縫隙回填黃沙→澆筑圍檁支撐混凝土→養(yǎng)護(hù)至圍檁支撐可以承擔(dān)自重→開挖預(yù)支撐體系下部土方使其與圍檁支撐脫離→施加液壓油缸頂力至下一層土方開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高→卸載預(yù)應(yīng)力下放快速預(yù)支撐體系，開始下一循環(huán)。

開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)及時對地下連續(xù)墻進(jìn)行鑿毛，避免影響快速預(yù)支撐體系的下放；應(yīng)將基面整平壓實(shí)，清空基坑內(nèi)作業(yè)人員，并對各設(shè)備進(jìn)行詳細(xì)檢查后開始下放快速預(yù)支撐體系。型鋼框架支撐正式下放前，將背側(cè)墊塊清理出鋼框范圍；下放過程中，應(yīng)確保卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩收緊、受力并輪流調(diào)試四臺卷揚(yáng)機(jī)，割除加固吊筋，收回兩側(cè)的千斤頂，在收回過程中，應(yīng)注意卷揚(yáng)機(jī)讀數(shù)的變化；型鋼框架支撐下放時，由操作人員控制下放速度及高度，當(dāng)下降至距離設(shè)計(jì)標(biāo)高1.5 m 左右，檢查液壓油缸系統(tǒng)的完好，確保其滿足工況要求，下放至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，按設(shè)計(jì)值施加頂力。

在型鋼框架支撐模塊與圍護(hù)結(jié)構(gòu)間隙回填沙袋及黃沙至鋼筋混凝土支撐底面，使用水泥砂漿抹面，液壓千斤頂除頂出面外，如圖5 所示，四周設(shè)置保護(hù)，鋼框架支撐模塊與混凝土支撐接觸面涂刷脫模劑方便脫模，然后進(jìn)行后續(xù)混凝土支撐的施工。混凝土澆筑前，卸載千斤頂壓力，待混凝土支撐強(qiáng)度可以承受自身重力，恢復(fù)滑降系統(tǒng)與鋼框架支撐模塊連接，開挖下一層土方至設(shè)計(jì)深度；將型鋼框架支撐模塊滑降至開挖面，按設(shè)計(jì)值施加頂力，開始下一循環(huán)。

圖5 體系充當(dāng)?shù)啄！㈤g隙用砂袋填實(shí)

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制效果分析

預(yù)支撐體系將臨時型鋼框架支撐與千斤頂相結(jié)合，可以對地下連續(xù)墻快速施加預(yù)應(yīng)力，減少混凝土支撐及圍檁施工期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)地變形。

該工程分區(qū)4 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)共有9 個。其中CX1～CX7、CX9 測斜點(diǎn)數(shù)據(jù)為人工采集，CX8 測斜點(diǎn)數(shù)據(jù)為自動化采集。

基坑開挖期間，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為76.79 mm，最大變形率為1.79‰，相較傳統(tǒng)的混凝土支撐基坑而言，該體系有效地控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。較使用鋼支撐基坑而言，可以增大支撐的豎向間距，減少支撐道數(shù)。

以第三道鋼筋混凝土支撐施工為例進(jìn)行分析，基坑最大變形為5.23 mm，其主要發(fā)生在土方開挖期間，各監(jiān)測點(diǎn)開挖面累計(jì)變形數(shù)據(jù)如圖6、圖7、所示，各階段各測點(diǎn)日均變形比較如圖8 所示。

圖7 第三道支撐開挖面日增變形量圖

根據(jù)圖6 至圖8 數(shù)據(jù)顯示，千斤頂施加頂力后，開挖面變形減緩，累計(jì)變形值趨于平穩(wěn)，混凝土支撐施工期間日均變形量均小于該層土方開挖階段的日均變形量（見表1），降低了45.35%。預(yù)支撐體系的使用有效地控制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露階段的基坑變形，基坑安全得到了保障。

圖6 第三道支撐開挖面累計(jì)變形圖

圖8 各階段日均變形比較圖

表1 當(dāng)開挖深度為13.3 m 時第三道支撐開挖面累計(jì)變形（13 m 處數(shù)據(jù)） 單位：mm

5 優(yōu)勢與改進(jìn)分析

該體系的應(yīng)用極大地縮短了施工工期，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，每層混凝土支撐施工平均用時不到9 d。整個預(yù)支撐體系從當(dāng)前層下降至下一層開挖面并形成支撐效應(yīng)僅需4 h 左右，極大限度地減少了無支撐暴露時間。較傳統(tǒng)的鋼支撐更快，并能夠及時對圍護(hù)結(jié)構(gòu)形成支護(hù)，縮短混凝土支撐的養(yǎng)護(hù)時間，縮短了開挖下一層土方的施工時間，節(jié)省工期。

由于混凝土支撐施工前預(yù)支撐已經(jīng)及時形成，常規(guī)的混凝土支撐下方土體加固可以取消，型鋼框架圈梁可兼做混凝土支撐底模，省去了混凝土墊層，節(jié)約了成本，簡化了工序并提高了施工功效。

預(yù)支撐體系的應(yīng)用有效控制了混凝土支撐施工期間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，減小了對周邊環(huán)境的影響，保障了超深基坑施工安全。

該體系在安裝及使用過程中還可改進(jìn)，在第二層土方開挖完成后進(jìn)行基坑內(nèi)鋼框梁安裝，人工焊接，操作空間小，焊接效率低，配套的油缸管路及液壓系統(tǒng)為后置安裝，若改進(jìn)為安裝好的成品鋼框梁整體下放可極大地節(jié)省安裝時間。

預(yù)支撐系統(tǒng)在使用過程中，作業(yè)人員對卷揚(yáng)機(jī)和液壓系統(tǒng)分別進(jìn)行遙控指揮，兩套體系的讀數(shù)顯示如同步至同一終端，則可提高操作的安全性，節(jié)省觀察人員，提升施工過程中的安全性。

6 結(jié)語及展望

超深基坑開挖施工風(fēng)險高、難度大、周期長。該工程結(jié)合鋼支撐伺服體系和滑模體系，采用滑降式快速預(yù)支撐體系，有效地減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。通過在開挖面及時對千斤頂施加頂力，減小了暴露期，節(jié)約施工成本，提高施工工效，保障了基坑施工安全。

上海軌道交通市域線機(jī)場聯(lián)絡(luò)線4 標(biāo)分區(qū)4 基坑開挖已經(jīng)結(jié)束，該項(xiàng)目應(yīng)用預(yù)支撐體系，下放速度快，整體性好；施工流暢，極大降低工程風(fēng)險；節(jié)省人工，提高整體的施工工效。但實(shí)際施工過程中尚存在以下亟待解決的問題。

該方法雖有效減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，但是整個體系安裝時間仍然較長，鋼框梁的結(jié)構(gòu)及連接方式還可進(jìn)一步優(yōu)化。鋼框梁與地下連續(xù)墻之間的空隙填充方式、液壓千斤頂?shù)姆拦炷帘Ｗo(hù)、施工中卷揚(yáng)機(jī)系統(tǒng)及液壓油缸系統(tǒng)的協(xié)同配合等問題還可進(jìn)一步提升。