错层地下结构的基坑换撑分析与优化

常州第一建筑集团有限公司 常州 213002

1 工程概况

常州市第一人民医院综合病房大楼由25 层主楼、6 层裙房和局部纯地下室组成，建筑面积123 000 m2，基坑挖深为12.65～13.55 m，基坑面积约9 088 m2，周长约为410 m，四周环境复杂，基坑安全等级一级。基坑总体设计采用钻孔灌注桩+2 层钢筋混凝土支撑的支护形式，支撑平面如图1所示。

图1 钢筋混凝土支撑平面

在本工程的支撑形式中，钢筋混凝土支撑主要由双向对撑以及四角角撑组成，2 层支撑中心标高分别为－2.05 m和－7.35 m。北侧裙房和局部纯地下室为3 层，标高分别为－8.15 m、－4.55 m和－0.05 m（纯地下室为－0.95 m），南侧主楼地下室为2 层，标高分别为－4.55 m和－0.05 m。

2 原换撑设计方案

由于－4.55 m结构平面连续完整、传力可靠，原换撑设计方案中第1层支撑换撑通过在－4.55 m结构平面设置常规的换撑块实现。在第2层支撑换撑中原设计显然是考虑到了南侧地下结构大面积缺失－8.15 m，结构平面无法有效传递水平荷载，所以将第2层对撑、南侧角撑全部保留，仅在北侧角撑部位－8.15 m结构平面设置常规的换撑块进行换撑（图2）。

图2 第2层支撑换撑平面

3 原换撑方案分析

原第1层支撑换撑较为常规可顺利实施，第2层支撑换撑方案亦充分考虑了地下结构错层影响，保留了70%支撑，虽可保证基坑安全却给地下结构施工和质量带来极大困难和隐患，主要表现为以下几点：

（a）保留支撑穿越核心剪力墙或与个别结构柱、剪力墙相碰，需另采用置换加固措施后方能保证结构正常施工，施工繁琐，给结构安全带来隐患。

（b）保留支撑穿越结构外墙数量多、留洞大，势必给结构、防水质量留下较多隐患。

（c）保留支撑－7.35 m与－8.15 m结构平面换撑不在同一标高，换撑的对称平衡、整体性有所削弱，同时也使换撑工况变得比较复杂。

4 换撑方案优化[1-8]

总包中标时支护桩、立柱桩、立柱已施工完毕，第1层支撑已全面开始施工，已无法对总体支护方案进行调整，只能对第2层支撑换撑方案进行优化。优化围绕底板做文章，各方最后归纳为两种优化方案：

（a）底板混凝土至支护桩，外墙板浇至第2层支撑下，在－8.15 m标高处底板与外墙板间设置型钢竖向斜撑、外墙板与支护桩间设置换撑块实现换撑后拆除全部第2层支撑，思路与原方案基本一致。

（b）底板混凝土至支护桩，同时在地板上设置向上支撑混凝土牛腿至支护桩实现换撑后拆除全部第2层支撑，－8.15 m标高处换撑取消。

型钢竖向斜撑换撑方案与原支护设计工况一致，也比较成熟可靠，可确保换撑安全，缺点是整个工艺要求、工序比较复杂，特别是对地下结构影响比较大。底板牛腿换撑方案大大简化了换撑工序，施工方便，缺点是初步验算后牛腿较大高度需侵入地下室内，今后拆除工作量大。

经反复综合比较后决定采用底板牛腿换撑方案，但仍需进一步优化，优化重点是缩小牛腿高度。充分利用支护桩强度、刚度，结合医院内相似基坑施工经验，按最不利条件反复验算支护桩承载力、深层水平位移等控制指标，换撑牛腿可缩小至不侵入地下室内。底板牛腿换撑方案工况及牛腿构造见图3。在底板牛腿换撑过程中要求进行连续基坑监测，各相关方设置专人负责监测数据的收集、分析、处理，同时将竖向斜撑作为针对性应急措施做好充分准备，确保应急事件发生时在第一时间得到处理。

图3 底板牛腿换撑工况

5 实施要点

底板牛腿换撑实施过程中应注意以下几点：

（a）底板施工应首先将沿支护桩周边底板及换撑牛腿施工完毕，这样可明显减少变形并且有利于该部分混凝土强度增长。

（b）由于牛腿与支护桩连接面存在竖向分力，应特别注意连接质量。牛腿钢筋与支护桩应采用植筋连接，支护桩混凝土面应清理至符合质量要求，并采用界面剂处理，牛腿采用补偿收缩混凝土。

（c）对于阴阳角等特殊部位，特别注意应连续设置换撑牛腿。

（d）由于底板不可避免会出现后浇带、集水坑、电梯坑等局部缺失，对这些部位应按验算要求采用型钢支撑等进行补强。

（e）所有底板及换撑牛腿施工完毕、混凝土强度达80%、后浇带等底板缺失处补强完毕并经全面验收合格后方可进行第2层支撑拆除。

6 结语

目前工程已完成，基坑工程换撑按底板牛腿换撑方案施工，整个过程正常，内力、变形均控制在设计、规范要求内，此类错层地下结构基坑施工中以下几点可供借鉴：

（a）基坑（换撑）方案应充分考虑主体地下结构施工、质量要求，应与主体地下结构的结构形式、施工顺序协调，应便于主体结构施工。

（b）对于基坑工程、主体工程分先后招标、施工的工程，基坑工程方案确定前应听取具有总承包施工经验的相关专家的意见，并对可操作性进行论证。

（c）采用底板牛腿换撑方案受力明确、连接可靠、整体性强、施工简便、确保安全，可充分发挥支护桩的强度、刚度。