提升深基坑工程逆作施工開挖效率的應(yīng)用研究

莫纘良，張 健，韓 靖

（1.廣州一建建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 2.廣州市筑智建筑科技有限公司，廣東 廣州）

1 工程概況

廣州塔南廣場配建珠江兩岸人行景觀橋廣州塔南廣場項(xiàng)目屬于大型地下空間項(xiàng)目，位于廣州塔南側(cè)，東臨廣州塔路，南臨藝洲路，西臨藝苑路。總用地面積76 040 m2，地下共3 層，總建筑面積113 568.4 m2。基坑面積約4.4 萬m2，總開挖深度約13.40 m。土石方外運(yùn)總量約62 萬m3，其中暗挖部分土方量約42萬m3，土方開挖量大，原計(jì)劃采用逆作法施工，負(fù)二層、負(fù)三層逐層暗挖，采用鋼管柱作為各層的結(jié)構(gòu)柱，主要尺寸為Φ600 mm～Φ900 mm，逐層施工，開挖過程利用已施工的各層樓板作為結(jié)構(gòu)的水平支撐，土方開挖量大，且需支模完成當(dāng)層結(jié)構(gòu)方可繼續(xù)往下暗挖，難以滿足工期目標(biāo)。

現(xiàn)將原有開挖方案優(yōu)化為蓋挖半逆作施工，暗挖部分的負(fù)二及負(fù)三層結(jié)構(gòu)由原本的純逆作施工優(yōu)化為一次性暗挖至底板后從下往上進(jìn)行半逆作蓋挖施工，將出土空間最大化，在提高施工效率的同時，避免人防結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次澆筑，也無需在樓板以及梁結(jié)構(gòu)上預(yù)留混凝土澆筑孔，最大程度的保證了地下室人防結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量。

改變開挖方式后，開挖過程中鋼管柱裸露長度是原設(shè)計(jì)開挖方式的2 倍以上，長細(xì)比激增，穩(wěn)定性降低。在蓋挖逆作施工中鋼管柱是主要的垂直豎向受力構(gòu)件，對整體結(jié)構(gòu)的安全性起著至關(guān)重要的作用[1-6]。因此，需采取有效措施提高鋼管柱的整體性，降低施工過程對鋼管柱擾動。

2 鋼管柱長細(xì)比驗(yàn)算

鋼管柱尺寸有Φ600，Φ700，Φ800，Φ900，直徑越小，長細(xì)比越大，情況越不利，故本次計(jì)算僅針對最不利情況Φ600 的鋼管柱長細(xì)比做驗(yàn)算復(fù)核。

根據(jù)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[附條文說明]GB50936-2014 中的表4.1.7 可知，該情況下長細(xì)比限制不得超過80。改變開挖方式后，鋼管柱最大長細(xì)比為190.67，超出設(shè)計(jì)規(guī)范，有錯區(qū)破壞的風(fēng)險(xiǎn)。需在鋼管柱間加入水平支撐從而降低開挖過程中鋼管柱的長細(xì)比，提高鋼管柱的穩(wěn)定性。

3 水平支撐結(jié)構(gòu)選型

3.1 方法一：永久結(jié)構(gòu)梁內(nèi)支撐

采用永久結(jié)構(gòu)梁作為鋼管柱的內(nèi)支撐雖可滿足鋼管柱的穩(wěn)定性，但需先進(jìn)行磚渣回填，墊層鋪設(shè)，梁結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度滿足要求，拆模后才可進(jìn)行暗挖，不利于工期的縮減。

3.2 方法二：新型永臨結(jié)合型內(nèi)支撐

如圖1 所示，采用抱箍結(jié)合鋼支撐方式與周邊柱進(jìn)行連接，形成整體以保持穩(wěn)定。同時為避免支護(hù)結(jié)構(gòu)變形對鋼管柱施加側(cè)向力，鋼支撐與周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)不進(jìn)行連接。鋼支撐后期埋入混凝土梁中作為永久結(jié)構(gòu)的一部分使用，隨撐隨挖，無需拆卸。

圖1 新型永臨結(jié)合型內(nèi)支撐模型

4 關(guān)鍵施工工藝

4.1 工藝流程

地下二層基本為人防頂板，典型框架梁截面高為1 000 mm。因逆作要求需要設(shè)置柱間后期埋入樓面梁內(nèi)的鋼梁支撐以減小逆作期間柱的長細(xì)比，鋼梁支撐與鋼管柱采用抱箍板連接。該連接方式對鋼梁支撐為剛接，其埋入混凝土梁的典型大樣如圖2 所示。如圖3，型鋼設(shè)于偏梁底部標(biāo)高處，可代替部分主梁底筋。

圖2 鋼梁與鋼管混凝土柱連接大樣

圖3 梁斷面大樣

利用BIM模型技術(shù)，建立鋼支撐抱箍三維大樣圖，進(jìn)行三維技術(shù)交底，制作施工安裝動畫，模擬各個施工過程。如圖4 和圖5 所示，指導(dǎo)下料加工，現(xiàn)場安裝，有效提升施工精度。

圖4 施工工序動畫模擬（抱箍接頭）

圖5 施工工序動畫模擬（內(nèi)支撐）

4.2 鋼管柱支架各構(gòu)件驗(yàn)算

采用大型有限元軟件Midas 對鋼管柱支架薄弱區(qū)域進(jìn)行受力分析，有限元模型見圖6 所示。

圖6 有限元計(jì)算模型

（1） 鋼管立柱最大組合應(yīng)力出

現(xiàn)在左右兩側(cè)位置，數(shù)值為-59.8 MPa，結(jié)構(gòu)在彈性階段工作，強(qiáng)度滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）中設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。鋼管柱剛度做有限元計(jì)算，變形最大值0.49 mm ＜L/400，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017-2003）附錄A 的要求。

（2） 型鋼支撐強(qiáng)度及剛度驗(yàn)算

型鋼最大組合應(yīng)力為-93.8 MPa，未超過設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)在彈性階段工作，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；變形最大值1.76 mm＜L/400，剛度滿足要求。

5 結(jié)論

該水平型鋼支撐可提升鋼管柱的整體穩(wěn)定性，有效解決深基坑開挖過程中鋼管柱長細(xì)比及應(yīng)力比超限等問題。從而提高土方開挖時基坑支護(hù)及上部結(jié)構(gòu)的安全性。

加設(shè)該型鋼支撐，土方即可一次性開挖到底，隨撐隨挖，不影響設(shè)備出入，相較于傳統(tǒng)混凝土梁支撐而言，使用該型鋼支撐可避免逐層開挖，磚渣回填，支模及模板裝拆預(yù)留孔洞等傳統(tǒng)弊端，不僅能減少材料浪費(fèi)，節(jié)約工程造價(jià)，還能大幅度提升施工效率，節(jié)約工期。

該型鋼支撐設(shè)于主梁截面內(nèi)偏梁底部處，可代替部分主梁底筋，作為主梁結(jié)構(gòu)一并澆筑，成為永久性結(jié)構(gòu)無需拆卸。主梁配筋還可相應(yīng)調(diào)整減少，施工工序簡單，方便快捷，安全性高。

型鋼支撐采用抱箍結(jié)合鋼梁的方式與鋼管柱進(jìn)行連接，焊接量極少，避免在鋼管柱上出現(xiàn)連貫弱面，最大程度上確保了鋼管柱的品質(zhì)。