斜撑支护体系在超大面积深基坑中的应用探讨

金陵科技学院建筑工程学院 南京 211169

0 引言

随着我国城市化进程速度的加快，人们对地下空间的开发及利用日益广泛，建筑基坑工程呈现“大、深、紧、近”等特点，各种新型的围护形式、施工工艺不断涌现。对于大面积的深基坑工程，传统的桩锚支护形式在施工空间上会受到限制，而斜撑支护体系布置灵活，相对于整体内支撑结构而言，既方便土方开挖，又缩短工期、降低造价，具有明显的经济效益。

为此，国内学者对斜撑支护体系进行了不断的探索，刘俊岩[1]等从斜撑系统的协同变形理论出发，利用最小势能解，提出了分区段先拆后撑的思路；郑刚[2]探讨了重力式挡墙加斜撑在软土基坑中的施工技术；孙海忠[3]采用有限元方法对某基坑斜抛撑牛腿的承载能力进行数值分析，提出了相应的处理措施；张志强等对双排桩加斜抛撑基坑支护的设计及计算要点进行了分析；曹笑颦[4]以深圳岗厦旧城改造项目基坑支护为工程背景，介绍了斜抛撑的具体设计及施工技术。本文主要探讨斜撑支护体系在超大面积基坑中的应用技术问题。

1 工程概况

中国博览会展中心工程场地位于上海市西部，占地面积85.6万 m2，地上建筑面积127万 m2，地下建筑面积20万 m2，建筑高度43 m。由于该项目工程量十分巨大，施工时分若干标段和区段进行，其中二标段D0区段施工环境复杂，离道路红线最近处只有6 m，其面积有1.85万 m2，属于超大面积基坑工程，该基坑的平均开挖深度为7.35 m，局部落低处达9.85 m。

2 支护设计及施工

本工程D0区段有较大区域位于淤泥土层较厚的河道内，在基坑开挖深度范围内自上而下的土层分布为：杂填土、粉质黏土、灰色粉砂和淤泥质土。

根据D0区段的形状位置、挖土深度，综合考虑各种因素后，决定采用排桩加斜撑的支护形式，用搅拌桩和钢管斜撑作为基坑的支护。该基坑工程的搅拌桩有Φ650 mm@450 mm和Φ850 mm@ 600 mm两种，相互间的搭接尺寸分别为200 mm和250 mm，钢斜撑为Φ609 mm钢管，其具体的平面布置如图1所示。由图可知，除临路侧以外，D0基坑的支护均采用Φ650 mm三轴型钢水泥土搅拌桩（SMW工法，隔一插一）并设置1 道钢斜撑，如图2所示，斜撑间距为8 m，在局部土质较差的地段减小至6～7 m；基坑临路侧则采用Φ850 mm的三轴型钢水泥土搅拌桩（SMW工法、隔一插一），设置2 道钢斜撑，如图3所示，2 道斜撑一上一下成对布置，其竖向间隔4 m，横向间隔1.5 m。由于临路侧斜撑受力较大，所以在双道斜撑的中间还设置了型钢立柱，在立柱的中部焊接钢系杆与斜撑拉结以增强其整体性。D0区段基坑共设计了76 个单道支撑，14 个双道支撑。钢斜撑一端与围护桩顶圈梁、另一端与基坑底板上的混凝土墩相连，如图4所示。为了使斜撑轴向受力，顶圈梁和混凝土墩与斜撑相连的一侧均设计成倾斜面并预埋钢板以保证与斜撑垂直。

D0基坑的土方主要采用中心岛式开挖，即先开挖基坑中心部分土方并浇筑底板，距离坑边16 m左右的土方到斜撑设置完成后再开挖，利用底板换撑以避免支撑系统对地下室结构施工的影响。

3 斜撑施工工艺[5-8]

3.1 施工准备及要点

首先根据基坑围护结构的图纸尺寸，按照计划用量备足各种长度的Φ609 mm钢斜撑管、活络头钢垫箱、钢垫块、钢楔块、紧固螺栓、铁板等支撑材料，分类堆放在料场；当基坑中心岛区底板及周边围护桩圈梁混凝土浇筑完成后，根据现场实际测量的尺寸，对钢斜撑进行预拼装；然后在顶端圈梁上和底端混凝土墩上用钢尺测量每道支撑的安装位置，经复核无误后作出标记以备安装。

本工程钢斜撑的施工流程为：测量放样→混凝土支墩施工→支撑安装—施加预应力→复紧支撑连接螺栓→检查及轴力复加→换撑→拆撑。为施加预压力，钢斜撑顶端设计为活络头、底端为固定端。

在钢支撑吊装就位时首先应检查钢斜撑两端间隙情况，若间隙小于20 mm，则支斜撑直接顶紧固定端；若间隙大于20 mm，则斜撑应紧顶活动端，把固定端的间隙塞钢板填实。当钢斜撑安装就位后，应将钢支撑固定端与预埋钢板焊接牢固，然后在钢支斜撑的活络端安装千斤顶，每施加预加轴力的10％以后要检查一次，避免不正常位移或变形；到预加的轴力达到设计指标后，立即在活动端头与顶圈梁之间用钢板填实，保证端头钢板不移位。在双道支撑的位置还要设计钢系杆增加整体性。施工时按照设计支撑的标高在型钢立柱上施焊钢牛腿，然后将双拼槽钢制成的钢系杆焊接在立柱上。

3.2 斜撑加压及拆除

钢斜撑预压力的施加要用2 台1 000 kN的液压千斤顶在活络端沿支撑两侧对称逐级加压。预加轴力为设计轴力的50％，分3 次逐级施加。各道支撑的设计轴力见表1，支撑轴力报警值为表中数值的80％。

图1 基坑斜撑平面布置

图2 单道斜撑布置示意

图3 双道斜撑布置示意

图4 斜撑节点示意

钢斜撑要在基坑周边底板混凝土达到设计强度的70％以后才能拆除，采取由下到上的拆除方法。先在活络端用千斤顶施加压力至钢楔块松动后取出钢楔块，然后逐级卸载，拆除时应避免瞬间应力释放过大而导致结构局部的开裂变形。

表1 各道支撑设计轴力值

4 监测方案及结果

4.1 测点布置

在斜撑支护结构工作期间监测的主要项目有：围护桩深层水平位移、围护桩顶端水平位移及支撑轴力。围护桩深层水平位移主要通过在围护结构内部布设测斜管监测，测点间距50 m、围护桩顶端水平位移主要通过全站仪监测，测点间距20 m、钢支撑轴力主要采用轴力计监测，测点间距40 m。

4.2 测设方法

4.2.1 围护桩深层水平位移

在SMW工法桩身上埋设测斜管，测斜管管径70 mm，长度与围护桩同深，顶部采用管盖式保护措施，埋设时保证一组导槽垂直于围护体。测试时将测斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，恒温一段时间后，自下而上以0.5 m为间隔逐段测出水平位移，同时用光学仪器测出管顶位移作为控制值。位移量“＋”值表示向基坑外位移，为“－”值表示向基坑内位移。

4.2.2 围护桩顶端水平位移

围护桩顶监测点在浇捣压顶时就要开始布设，在压顶混凝土浇捣3～5 h后，按测点布置图插入监测标，监测标顶部必须高于压顶梁顶标高5 mm左右，待混凝土终凝后、强度满足要求时开始初读数，围护桩顶水平位移采用轴线投影法进行观测。

4.2.3 斜撑轴力

斜撑轴力是利用各传感器的率定曲线计算得到的，在钢管斜撑表面按照180°对称位置焊接安装应力计，利用振弦式频率读数仪读数，计算出斜撑轴力。

4.2.4 监测频率

根据设计文件及相关规范，本工程的围护桩顶水平位移、桩身深层水平位移及斜撑轴力的监测频率均为1次/d，当监测数据变化较大或速率较快达到报警值时则提高监测频率。

4.3 监测结果及分析

通过对本工程监测结果的分析，找到了一些共性问题，本文选取几个典型监测点，对监测结果进行分析，如图5～图7所示。

以下双道斜撑处的结果取自上端斜撑。

图5为围护桩顶监测点水平位移变化，（a）和（b）图中的2 点分别是斜支撑顶端作用点及距离顶端支撑点一定距离的2 个监测点水平位移。图中的7 个施工阶段为：0～1起始阶段、1～2斜支撑架设阶段、2～3坑边挖土阶段、3～4坑边垫层施工阶段、4～5坑边底板浇筑阶段、5～6模板拆除阶段、6～7收尾阶段。

图5 桩顶水平位移变化

由图5可知，围护桩顶的水平位移随时间而增加，但是斜撑作用处的水平位移要小于作用点以外，这在单道斜撑区段更明显，表明在单道斜撑区段减小斜撑间距可有效减小围护桩顶水平位移。

在双道斜撑区段，两监测点的变化趋势基本一致，两位移值也十分接近，主要是双道斜撑区段临近道路，基坑上沿的硬化层导致围护桩顶整体性强等因素造成的。

在单道支撑区段，坑边土挖除后，其支撑点处的桩顶水平位移基本不变而不在斜撑作用点处的水平位移一直增加，由此可见，斜撑的作用是明显的。

图6是斜撑轴力变化，其中（a）图是基坑边沿中部单道支撑区段上的轴力；（b）图是基坑四角临近道路双道支撑区段的轴力，其施工阶段的划分同上。

由图6可知，双道斜撑由于受道路动荷载的作用，其轴力明显大于单道斜撑轴力。2 种斜撑均在挖土阶段轴力开始猛增但随垫层、底板的施工斜撑轴力逐渐减小或趋于平缓，随周边支撑的拆除斜撑轴力又将回升。

对比图6中（a）、（b），单道斜撑的轴力曲线变化大而双道斜撑轴力曲线变化平缓，主要原因是在双道斜撑处2 道斜撑间隔距离近，相互之间有协调制约的作用，受垫层、底板施工的影响较小。

在斜撑支护的基坑中由于支撑轴力会在周边支撑拆除时达到最大，因此，施工中应采取措施避免斜撑在拆除过程中产生破坏。

图6 斜撑轴力变化

图7 是围护桩身深层水平位移变化示意，6 条曲线分别对应6 个施工阶段：1—起始阶段、2—斜撑架设阶段、3—坑边挖土阶段、4—底板浇筑阶段、5—模板拆除阶段、6—收尾阶段。

图7 桩身深层水平位移变化

在图7中，（b）图的桩身水平位移最大值远大于（a）图，主要是双道斜撑区段临近道路受动荷载的影响。在图7中，2 种区段的围护桩身深层水平位移变化趋势基本一致，都是掏土架设斜撑时位移开始增加，坑边挖土时位移速增，但单道斜撑区段，在底板浇筑及斜撑拆除阶段，深层水平位移仍有增加。

由图7可知，单道斜撑区段水平位移最大值出现在基坑底部位置附近，而双道支撑区段的水平位移最大值出现在距离基坑底部以上1/4～1/5的位置处，这主要与支撑高度有关，单道斜撑区段的作用点主要在围护桩顶，而双道斜撑除了桩顶有作用点外部分桩身处也有，两者情况对桩身水平位移限制作用不一样。

经验算，该工程采用Φ609 mm钢管斜撑是满足强度要求的。

5 结语

对于超大面积的建筑深基坑工程，采用中心岛式开挖、坑边排桩加斜撑支护的方案是可行的。本工程通过在基坑一般地段采用排桩加单道斜撑、在临近道路有动荷载作用地段采用排桩加双道斜撑的施工方法圆满地完成了施工任务。根据本工程的监测结果，可得出以下结论：

（a）减小单道支撑间距可有效降低围护桩顶的水平位移；

（b）支撑轴力会在周边支撑拆除时达到最大，在施工中应采取措施避免斜撑拆除过程中产生破坏；

（c）在单道斜撑区段，围护体深层水平位移最大值一般出现在基坑底部附近，而双道支撑区段围护体深层水平位移最大值则出现在距离基坑底部以上1/4～1/5位置处，因此，对单道斜撑的支护要重视监测坑底处围护体的水平位移，而对双道斜撑支护则应重视监测坑底以上1/4～1/5位置处的水平位移。