深基坑支护结构与主体结构相结合的方式与特点

王建华,左新明

(1.中国地质科学院勘探技术研究所,河北廊坊065000;2.河北省地矿局国土资源勘查中心,河北石家庄 050081)

基坑支护结构通常由围护墙、止水帷幕、水平内支撑系统(或拉锚系统)以及竖向支承系统组成。常规临时支护方法的挡土结构需设置在主体结构外侧,水平支撑需避开主体结构楼板,竖向支承立柱需避开结构柱、梁和剪力墙位置。施工中由上而下分层开挖,并设置水平支撑(或拉锚系统),开挖至坑底后,由下而上施工主体结构基础底板、竖向墙、柱构件及水平楼板构件,并按一定的顺序拆除水平支撑系统,进而完成地下结构施工。

目前我国城市基坑工程的支护方法很多,常用的围护结构有地下连续墙、钻孔灌注排桩、钢板桩、SMW工法、水泥土搅拌桩挡墙、土钉及复合土钉等。

每种基坑支护方式都有各自的适用条件和一定的局限性。基坑支护方案的选择直接关系到工程造价、施工进度及基坑周边环境的安全。现代大城市的高层建筑基坑一般较大且较深,基坑邻近多有建筑物、道路和地下管线,施工场地拥挤,在环境安全上又有很高要求。对于较浅的基坑可以采用土钉支护尤其是复合土钉支护或者水泥土搅拌桩自立式支护结构;较深的基坑可以采用灌注排桩挡墙或地下连续墙作为围护结构,辅以多道内支撑或者多道锚杆的围护形式。

1 常规临时支护方法存在的问题

对于埋置较深的地下结构,采用常规的临时支护方法存在如下的问题:

(1)深基坑工程支护结构的埋置深度很大,基坑的内支撑用量大。一方面需用大量的混凝土和钢材,围护结构工程费用巨大;另一方面也增加了地下结构施工的难度。

(2)临时支护结构的刚度相对较小,支护结构和土体的变形较大,易引起基坑周围地表沉降,危害附近的建(构)筑物、地下管线和道路的正常使用,较难满足环境保护要求非常严格的情况。

(3)传统方法的内支撑需要拆除,浪费了大量的人力、物力和社会资源。现代高层和超高层建筑往往需设置2～3层地下室;地铁车站通常也至少需要开挖2～3层地下室;大型地下变电站开挖深甚至超过30m,因此围护结构的工程费用巨大,有的甚至达到上亿元。在这种情况下基坑的支护全部采用临时结构将产生非常大的浪费。

(4)临时支撑拆除过程中围护结构的二次受力和二次变形也将不同程度地对环境造成进一步的影响。

针对常规临时支护方法存在的上述不足之处,考虑将基坑支护结构与主体结构相结合,即在施工期间利用地下结构的外墙或地下结构的梁、板、柱兼作基坑的支护结构,不设置或仅设置部分临时围护体系,则不但减少浪费,还能更有效地控制基坑的变形,其技术和社会经济效益将会非常显著。

2 支护结构与主体结构相结合的类型

在支护结构与主体结构相结合的基坑工程中,支护结构与主体结构结合包括3种方式,即:地下室外墙与围护墙体相结合、结构水平梁板构件与水平支撑体系相结合、结构竖向构件与支护结构的竖向支承系统相结合。

2.1 墙体相结合

通常采用地下连续墙作为主体地下室外墙与围护墙的结合。墙体结合的设计与计算需要考虑地下连续墙在施工期、竣工期和使用期不同荷载作用状况和结构状态,应同时满足各种情况下承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求。两墙合一的接头设计包括施工接头(槽段接头)设计和结构接头(与主体结构的连接)设计,接头设计需满足主体结构受力及变形要求,特别是要保证新老混凝土接缝处的剪力传递,并设置可靠的抗渗和止水措施。两墙合一通常采用现浇地下连续墙,施工质量上存在一些不稳定因素,影响到墙体的抗渗和受力性能。从发展角度来看,预制地下连续墙以其稳定的施工质量将部分替代现浇地下连续墙。

2.2 水平构件相结合

主体结构的水平构件作为内支撑,支撑刚度大,围护墙变形相对较小,适合逆作施工。地下室结构楼板作为内支撑系统,可采用梁板体系、无梁楼盖体系或结构楼板后施工的框架梁体系。由于需要考虑内部向下挖土施工,前两种均需要在结构楼板上设置一定数量的出土口,而后一种挖土更便捷,但由于楼板需二次施工,板梁接缝处需设置可靠的止水措施。地下结构水平构件作为内支撑应分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计计算,并应同时满足施工期和使用期的设计要求。当结构梁板兼作施工用临时平台或栈桥时,其构件设计应考虑施工动力荷载的作用。对楼板预留孔应验算孔口处的应力和变形,必要时应设置孔口边梁。地下结构水平构件(梁板等构件)与地下连续墙的连接,应满足主体结构受力及变形要求,按整体连接刚性构造设计,均应设置止水构造。

2.3 竖向构件相结合

当主体结构水平构件结合支撑系统时,竖向立柱和立柱桩可采用临时立柱和与主体结构工程桩相结合的立柱桩(一柱多桩)或与主体结构柱及工程桩相结合的立柱和立柱桩(一柱一桩)。当采用临时立柱时,可在地下室结构施工完成后,拆除临时立柱,完成主体结构柱的托换。当结合主体结构柱时,可采用角钢格构柱、H型钢柱、钢管柱或钢管混凝土柱。角钢格构柱、H型钢柱通常在基础底板结构施工后需再浇筑外包混凝土,通常需在板上预留浇筑孔,在正常使用阶段立柱可作为劲性构件与混凝土共同作用。

若按照支护结构与主体结构相结合的程度进行区分,则可将支护结构与主体结构相结合的基坑工程归为三大类,即:

(1)周边地下连续墙“两墙合一”结合坑内临时支撑系统。只采用地下连续墙作为围护墙和结构外墙(两墙合一),坑内设置临时支撑和临时立柱,基坑开挖至基底,完成主体地下结构底板后,再对地下主体结构由下向上顺作施工。

(2)周边临时围护体结合坑内水平梁板体系替代支撑。基坑周边采和临时围护,地下结构梁板作为水平支撑,临时围护体与内部结构梁板之间设置传力构件,在结构柱位置以格构柱替代,逆作法施工,在基础底板施工后,再向上施工未完成的结构外墙以及内部结构墙、柱等竖向构件。

(3)支护结构与主体结构全面相结合。采用“两墙合一”地下连续墙作为围护体,地下结构梁板作为水平支撑,在结构柱位置以格构替代,逆作施工,在基础底板施工后,再向上施工内部结构墙、柱等竖向构件。

以上支护结构与主体工程相结合的三种类型,均已在大量工程中得到充分的应用和发展,并已积累了较为丰富的理论和实践经验。其中第一种类型实际上为采用“两墙合一”的顺作设计施工方法,该类型与常规临时支护设计方法中主要区别在于结构外墙与围护墙合二为一,而不另外设置临时围护墙;第二、三种类型即为逆作法施工。

3 支护结构与主体结构相结合的优点与适用范围

3.1 支护结构与主体结构相结合的优点

与常规的临时支护方法相比,采用支护结构与主体结构相结合的设计施工方法施工高层和超高层建设的深基坑和地下结构具有诸多的优点:

(1)由于可同时向地上和地下施工因而可以缩短工程的施工工期;

(2)水平梁板支撑刚度大,挡土安全性高,围护结构和土体的变形小,对周围的环境影响小;

(3)采用封闭逆作法施工,施工现场文明;

(4)已完成的地面层可充分利用,地面层先行完成,无需架设栈桥,可作为材料堆置场或施工作业场;

(5)避免了采用临时支撑的浪费现象,工程的经济效益显著,有利于实现基坑工程的可持续发展等。

3.2 支护结构与主体结构相结合适用范围

(1)大面积的地下工程,一般边长大于100m的大基坑更为合适;

(2)大深度的地下工程,一般大于或等于2层的地下室更为合适;

(3)复杂形状的地下工程;

(4)周边状况苛刻,对环境要求很高的地下工程;

(5)作业空间较小和上部结构工期要求紧迫的地下工程。

4 支护结构与主体结构相结合在国内外的发展状况

4.1 支护结构与主体结构相结合在国外的应用状况

1933年日本首次提出了逆作法施工的概念,并于1935年应用于东部都千代田区第一生命保险相互会社本社大厦的建设,该工程成为第一个采用支护结构与主体结构相结合的方法施工的工程。1950年意大利开发了地下连续墙技术,随后其应用范围便逐渐扩大,1954年欧洲其他国家、1956年南非、1957年加拿大、1959年日本、1962年美国相继采用了地下连续墙技术。地下连续墙技术的应用及工程施工机械化程度的提高有力地推动了支护结构与主体结构相结合在更大范围内的应用,并在日本、美国、英国等国家取得了较大的发展。支护结构与主体结构相结合出岔子在高层建设地下室的建筑中采用以外,还较多地应用于地铁车站的建设。自20世纪50年代末意大利米兰地铁首次采用逆作法以来,欧洲、美国、日本等许多国家的地铁车站都用该方法建造。国外采用支护结构与主体结构相结合并采用逆作法施工的深基坑工程的部分案例见表1。

4.2 支护结构与主体结构相结合在国内的应用状况

在国内,1955年哈尔滨地下人防工程中首次应用了逆作法的施工工艺,随后在20世纪70～80年代对逆作法施工进行了研究和探索。1989年建设的上海特种基础工程研究所办公楼,地下2层,采用支护结构与主体结构全面相结合的支护方式,是上海也是全国第一个采用封闭式逆作法施工的工程。虽然该工程建设规模不大,但对支护结构与主体结构相结合的施工方法作了可贵的探讨,使主体结构与支护结构相结合的设计和施工方法的推广应用有了良好的开端。20世纪90年代上海地铁一号线的常熟路站、陕西南路站和黄陂南路站3个地铁车站成功实践了支护结构与主体结构相结合的支护方式,进一步推动了其在上海地区更多基坑工程中的应用。与此同时,国内其他地区如北京、广州、杭州、天津、深圳等地也都开始应用支护结构与主体结构相结合的支护方式。进入21世纪以来,随着大城市的基坑向“大、深、紧、近”的方向发展和环境保护要求的提高,支护结构与主体结构相结合的支护方式在国内迅速发展,成为软土地区和环境保护要求严格条件下基坑支护的重要方法。我国的台湾地区和香港特别行政区也有很多基坑工程尝试采用了支护结构与主体结构工程相结合的方法。表2列出了国内采用支护结构与主体结构相结合并采用逆作法施工的的部分案例。

表1 国外采用支护结构与主体结构相结合并用逆作法施工的部分工程实例

表2 国内采用支护结构与主体结构相结合并采用逆作法施工的部分工程实例

5 结语

支护结构与主体结构相结合的支护方式应用于2层以上的地下室甚至是8层的地下室,其深度也从几米到几十米,并且应用范围也从高层建筑地下室拓展到了地铁车站、市政、人防工程等领域。该支护方法在这些工程的成功应用取得了较好的经济效益和社会效益,得到了工程界越来越多的重视,并成为一项很有发展前途和推广价值的深基坑支护技术,相信在以后的深基坑施工中会发挥出更大的作用。

[1] 陈伯龄.深圳温莎广场深基坑支护施工技术[J].施工技术,2001(9).

[2] 陈志雄.逆作法在名汇商业大厦工程施工中的运用[J].工程建设与设计,2003(6).

[3] 关振长,谢雄耀,黄宏伟.逆作法施工中地下连续墙入土深度的探讨[J].岩土力学,2005(7).

[4] 洪三金.广州新中国大厦特大型地下室逆作法基坑围护结构设计与施工[J].广东土木与建筑,2001(10).

[5] 黄力平.深圳赛格广场地下室全逆作法设计与施工[J].岩土工程技术,2000(2).

[6] 蒋曙杰.逆作法施工在城市地下空间开发中的应用及发展前景述评[J].建筑施工,2004(4).

[7] 孔加银,蒋伟,孙钜中,等.杭州元华广场深基坑工程半逆作法施工[J].建筑技术,2002(2).

[8] 李永红.广州地铁市二宫车站盖挖逆作法施工技术[J].广州建筑,2001(4).

[9] 林江.广州百货大厦新翼地下连续墙工程施工技术[J].南方金属,2001(8).

[10]鲁勤健,寇秉厚,梁焰,等.凯悦大酒店软土地基中地下室逆作法施工动态监测[J].工程质量,2001(3).

[11]王建华,徐中华.支护结构与主体地下结构相结合的深基坑工程研究现状[J].南昌工程学院学报,2007(1).

[12]王卫东,徐中华.深基坑支护结构与主体结构相结合的设计与施工[J].岩土工程学报,2010,32(S1).

[13]王卫东,吴江斌,黄绍铭.上海地区建筑基坑的新进展与特点[J].地下空间与工程学报,2005(4).

[14]徐至钧,赵锡宏.逆作法设计与施工[M].北京:机械工业出版社,2002.

[15]徐中华.上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D].上海:上海交通大学,2007.