机械破除基坑支撑结构设计验算及施工技术

吴小聪

（南通新华建筑集团有限公司，江苏 南通 226300）

0 引言

目前，工程基坑支撑结构破除主要有人工风炮机破除、线锯切割吊运及破除机械直接开到地下室结构板上进行破除这 3 种方法。就目前劳动力紧张的情况下，无疑将破除机械直接开到地下室结构板上进行破除是最经济高效的，但是破除机械直接开上地下室结构板，对结构安全性的设计验算［1］具有重要意义。焦点科技大厦工程基坑平面设置一道钢筋混凝土支撑、水平对撑 3 片和东西角撑 4 道，根据实际工程情况，笔者团队采用有限元分析了破除机械对结构板的影响，并采取一定的施工加固措施，并对加固措施进一步安全验算［2］，对类似工程具有参考意义。

1 工程概况

焦点科技大厦位于南京市浦口区高新区丽景路高新路路口西南角，由焦点科技股份有限公司投资，同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司设计，是集研发、运营、孵化、管理、接待和后勤保障等功能齐全的现代化办公楼。总建筑面积 80 773 m2，其中地下 28 988 m2（包含人防 6 508 m2）；1 # 楼、2 # 楼合设 2 层地下室；1 # 楼、2 # 楼地下 2 层，地上 12 层；3 # 楼地上 3 层。-2 层4.2 m，-1 层 6.0 m。高度：1 #、2 # 楼最高点至室外地面57.215 m，3 # 楼为 13.7 m。

基坑四周围护桩采用灌注桩，灌注桩混凝土设计强度等级为 C30。基坑四周灌注桩上设 1 道压顶圈梁（1 000 mmh 800 mm），基坑平面内部设置 1 道钢筋混凝土支撑（水平对撑 3 片和东西角撑 4 道，主支撑梁650 mmh 750 mm 和 600 mmh 700 mm，支撑连系梁500 mmh 600 mm）。钢筋混凝土支撑、圈梁的混凝土强度等级均为 C35。钢筋混凝土支撑及混凝土圈梁保护层厚度 35 mm。内部支撑中心标高为 -1.90 m。支撑立柱为钢构钢柱。根据设计要求，支撑投影区域的 -2 层顶板及对应区域的换撑块达到设计强度的 80 % 后拆除水平支撑。

2 安全设计要点

基坑支撑破除拟采用 150 轮胎炮头机（自重 14 t）及装载机进入地下室 -2 层顶板面进行破除作业，楼板上在机械行走路线及停放位置垫 2 mh 6 m 20 mm 厚钢板，支撑拆除阶段 -2 层模板满堂支撑体系不拆除，并待对应区域 -2 层顶板结构混凝土达到设计强度 80 % 后方可进行破拆作业。

3 初步设计验算

机械自重及作业动荷载按 15 t 考虑（钢板所受均布荷载 15h 9.8/2h 6=12.25 kN/m2），先不考虑 -2 层顶板受力，将其视作力向下传递的中间件（再者-2 层顶板混凝土强度达到 80 %，足以抵消混凝土梁板自重），假设机械自重及作业动荷载全部传递到 -2 层模板支撑系统，则模板支撑系统受力如下。

-2 层模板支撑系统每平方米 4 根立杆（支撑系统立杆纵横间距 900 mmh 900 mm，步距 1 800 mm），则每根立杆受力 12.25 kNr 4= 3.625 kN；经安全验算［3］，-2层模板支撑架能满足要求（此设计验算过程略）。

假设板面机械自重及作业荷载全部传递到 -2 层模板支撑系统时，下面 -2 层模板支撑体系完全能满足受力要求，但是考虑现实情况下，板面荷载必须由 -2 层顶板传递下去（C30 混凝土），支撑拆除过程中主体结构承受的分摊施工荷载≤3.5 kN/m2。楼板混凝土抗压强度：C30 的轴心抗压强度设计值是 14.3N/mm2，C30 的轴心抗压强度标准值是 20.1 N/mm²，又因为 1 N/mm2=1 000 kN/m2，所以均＞12.25 kN/m2，混凝土能承受力向下传递时的抗压强度。

4 对 -2 层顶板结构进行有限元分析计算

虽然前面假设条件下，-2 层的模板支撑系统和-2 层顶板结构能承受破除机械的重量，但是在实际施工过程中，多种因素综合影响，向下的力也是多种综合而成，且 -2 层顶板结构必然会承受一部分荷载，为了安全，笔者又采用有限元分析验算［1］。

4.1 计算参数

钢筋混凝土，容重 26 kN/m3。恒载：按结构尺寸软件自动。设计人群荷载：3.5 kN/m2。施工活载：挖机按总重 15 t 计，前轴按 7 t、后轴按 8 t 考虑。基本组合：1.2 恒载+1.1 挖机荷载。模板支撑架钢管类型：Ф48 mmh 3 mm，Q 235 钢，立柱纵横向间距 900 mm，水平拉杆步距 1 800 mm。

4.2 计算模型

本次取 8.4 mh 8.4 m 一个框架单元的板梁进行简化计算，板梁厚度 120 mm，板梁四周边界条件按固结考虑。板梁采用板单元，支架及木方次梁采用板单元，支架钢管主梁与木方次梁之间、木方次梁与板梁支架采用弹性连接模拟，计算中未考虑模板的有利作用。计算模型图如图 1 所示。

图1 计算模型图（单位：mm）

4.3 设计状态人群荷载作用下计算结果

根据设计院要求，施工过程中的挖机荷载作用下的内力应小于设计状态人群荷载作用下的内力，设计状态计算，设计荷载弯矩图如图 2、图 3 所示。单位板宽板梁最大正弯矩为 4.1 kNg m，最大负弯矩为 9.2 kNg m。单位板宽人群荷载内力表如表 1 所示。

图2 设计荷载 X 向弯矩图（单位：kN·m/m）

图3 设计荷载 Y 向弯矩图（单位：kN·m/m）

表1 单位板宽人群荷载内力表 kN·m/m

4.4 挖机荷载作用下计算结果

挖机按总重 15 t 计，前轴按 7 t、后轴按 8 t 考虑，如与实际不符，可按同比例增大。模型中计算时，车辆轴载按集中荷载加载。

4.4.1 板梁内力计算

将荷载参数输入有限元分析软件，得出挖机荷载弯矩图如图 4、图 5 所示。挖机荷载内力表如表 2 所示。板梁最大正弯矩远大于设计荷载。板固结边最大负弯矩远小于设计值，远离固结边处，最大负弯矩较小，混凝土最大拉应力 0.7 MPa，不会开裂。

表2 单位板挖机荷载内力表 kN·m/m

图4 挖机荷载 X 向弯矩图（单位：kN·m/m）

4.4.2 模板支撑架木方次梁应力计算

将荷载参数输入有限元分析软件，基本组合木方次梁应力验算结果如表 3 所示，木方次梁验算满足要求。

4.4.3 钢管横梁应力计算

将荷载参数输入有限元分析软件，基本组合钢管主梁应力验算结果如表 4 所示，钢管主梁验算满足要求。

表4 基本组合钢管主梁应力验算 MPa

4.4.4 钢管支撑内力及扣件抗滑计算

将荷载参数输入有限元分析软件，基本组合钢管支撑轴力图如图 6 所示。基本组合下，钢管支撑及扣件抗滑验算结果如表 5 所示。钢管支撑满足要求，扣件抗滑不能满足要求。

表5 钢管支撑验算表 MPa

图6 基本组合钢管支撑轴力图（单位：MPa）

4.4.5 附加扩散措施后板梁内力计算结果

假设每轮集中荷载扩散范围≥1.0h 1.0（m2），计算模型加载图如图 7 所示，将荷载参数输入有限元分析软件，挖机荷载弯矩图如图 8、图 9 所示，挖机荷载内力表如表 6 所示。板梁最大正弯矩远小于设计荷载，能满足要求。

表6 单位板宽挖机荷载内力表 kN·m/m

图7 计算模型加载图

图8 挖机荷载 X 向弯矩图（单位：kN·m/m）

图9 挖机荷载 Y 向弯矩图（单位：kN·m/m）

4.5 设计验算结论

经过以上分析计算，板梁最大正弯矩远大于设计荷载，不能满足要求。在车辆行走范围内楼面上必须采用有效措施，扩散轮载分布范围，经计算每轮集中荷载扩散范围≥1.0 m2。-2 层模板支撑架扣件抗滑不能满足要求，采用双扣件增加抗滑力。

基坑支撑破除拟采用 150 轮胎炮头机及装载机进入地下室-2 层顶板面进行破除作业前，楼板上在机械行走路线及停放位置垫 2 mh 6 m 20 mm 厚钢板（保证轮下扩散面积≥1 m2），支撑拆除阶段 -2 层模板满堂支撑体系不拆除，并对梁板下模板支撑架立杆上端增加双扣件。通过以上措施，将机械吊运至 -2 层顶板上进行基坑支撑破除作业是安全的，不会对结构产生有害破坏。

5 机械破除施工要点及加固措施验算

5.1 拆除顺序及操作要点

5.1.1 支撑拆除步骤

搭设临时防护脚手架→ -2 层顶板混凝土、钢筋成品保护、钢板铺设→先人工破除与四周圈梁相连的一侧支撑主梁和连系梁混凝土（钢筋不断，应力释放）→联系梁破除→支撑主梁破除→割断钢筋→混凝土垃圾清理、外运。

5.1.2 拆除要点及注意事项

1）使用 150 轮胎炮头机（自重 14 t）及装载机进入-2 层顶板面进行破除作业，楼板上在机械行走路线及停放位置垫 2 mh 6 m厚 20 mm 钢板，支撑拆除阶段-2 层模板满堂支撑体系不拆除，并待对应区域 -2 层顶板结构混凝土达到设计强度 80 % 后方可进行。

2）进行水平支撑拆除。拆除方法：角撑投影区域的-2 层顶板及换撑块浇筑完成并达到设计强度 80 %，相邻对撑投影区域的-2 层顶板及换撑块浇筑完成5 d 后，进行角撑的拆除，角撑的拆除顺序严格按照由内向外的顺序进行拆除；对撑投影区域-2 层顶板及换撑块浇筑完成并达到设计强度 80 % 后进行相应位置南北对撑的拆除清理。

3）作业时两个施工段，由东向西，逐根对称进行，先断开联系梁，释放应力，然后再开始断开主梁。主撑先拆角支撑，再拆对撑；角撑先拆短角支撑，再拆长角撑。拆撑时加强变形观测，如果变形较大应立即停止破撑，并分析研究。主梁断开施工工艺：先破除截断面的一半，等待 2 h 释放一部分应力后，然后再断开剩下的一半，再等待 2 h 且基坑监测稳定后，方可进行支撑破除作业。

4）换撑梁、板带混凝土浇筑结束，且投影区域楼板混凝土拆模试块达到设计要求 80 % 强度后方可进行拆除作业。

5）拆除工程整体顺序为自东而西，每道支撑梁的拆除顺序遵循先拆次梁，后拆主梁，再拆除主、次梁节点部位，施工段之间尽量采取流水施工作业。

6）基坑垃圾采用机械铲运结合人工拖运和现场塔吊适当配合方式及时清理、外运出现场，以免影响后续工序施工。

7）破除作业时必须加强基坑监测，发现周边异常情况，第一时间通知设计、施工、监理单位。并停止破除，采取相关有效的保护措施。

5.1.3 加固措施验算

1）机械自重及作业动荷载按 15 t 考虑（钢板所受均布荷载 15h 9.8/2h 6=12.25 kN/m2），先不考虑 -2 层顶板受力，将其视作力向下传递的中间件（再者 -2 层顶板混凝土强度达到 80 %，足以抵消混凝土梁板自重），假设机械自重及作业动荷载全部传递到 -2模板支撑系统，则模板支撑系统受力：-2 层模板支撑系统每平方米 4 根立杆（支撑系统立杆纵横间距900 mmh 900 mm，步距 1 800 mm），则每根立杆受力12.25 kNr 4=3.625 kN。

2）支撑系统验算。-2 层模板支撑系统现场搭设情况如表 7 所示，-2 层模板支撑系统立杆情况如表 8 所示。长细比验算满足［3］要求，立柱稳定性验算［4］满足要求。

表7 -2层模板支撑系统现场搭设情况

表8 -2层模板支撑系统立杆情况

3）又考虑模板支撑系统上部大小横杆与立杆采用扣件连接，扣件抗滑移验算满足要求。

4）支撑拆除过程中主体结构承受的分摊施工荷载≤3.5 kN/m2。楼板混凝土抗压强度：C30 的轴心抗压强度设计值是 14.3N/mm2，C30 的轴心抗压强度标准值是20.1N/mm2，又因为 1 N/mm2=1 000kN/m2，所以均＞12.25 kN/m2，混凝土能承受力向下传递时的抗压强度。-2 层顶板结构及加固支撑体系，能满足要求，结构安全。

5.2 施工安全保护措施

5.2.1 柱墙插筋保护措施

1）以下柱墙钢筋保护措施为支撑破除前可参考的成品保护措施。框架柱主筋一般规格直径较大，上部端头有滚压直螺纹丝牙供主筋接长。若被混凝土块砸弯，调直较困难且易折断，直接影响工程质量。若上部端头滚压直螺纹丝牙被混凝土块砸损，将给钢筋接长带来困难，亦影响工程质量。为此，在内支撑拆除前，用Ф48mm 脚手钢管套在柱四角主筋外侧，用柱主筋外侧钢管作为立杆，搭成一个简易构架，以抵弱混凝土碎块冲砸。

2）钢筋混凝土墙体立筋，规格直径较小，但数量多，若加套管保护，将花费大量钢管和人工且延长工期。为此采用临时支承架体加设隔板保护墙板插筋。

3）-1层钢筋混凝土外墙竖向插筋，少部分位于支撑下方。为方便拆除后混凝土碎块机械清运，拆除支撑时应设法使混凝土碎块滑向地下室外墙内侧，为此采用临时支承架体加设坡向内侧隔板保护墙板插筋及引导混凝土碎块滑向外墙板内侧。

4）支撑梁拆除未结束时，不得拆除-2 层顶板底模及其支撑系统。

5.2.2 成品混凝土面保护

内支撑拆除过程中应将混凝土破成小碎块（≤300 mmh 300 mm 碎块）散落至成品混凝土面，严禁大块、整段砸向混凝土面。炮头机行走路线和停放位置在 120 mm 厚板上时，下垫 2 mh 6 m 20 mm 厚钢板，保护混凝土面。

5.2.3 清运混凝土碎块过程中的钢筋、混凝土面保护

1）清运混凝土碎块时，小铲车应平铲，尽量避免在混凝土面上铲出划痕。

2）清运混凝土碎块时，铲斗应离开柱墙钢筋一段距离，避免铲斗铲弯钢筋，铲运方向应由柱墙边向中间部位，避免混凝土碎块挤弯钢筋。

5.2.4 立柱桩支护杆件节点处保护

1）支撑拆除时，支护采用机械破除，立柱节点处严禁机械破除、改用空压机风镐破除或留待立柱拆除时破除。

2）拆除由专人统一指挥，严禁机械碰撞圆钢立柱。

5.2.5 围檩保护

1）本工程围檩不拆除。

2）结合外墙插筋保护，于部分围檩与支撑梁连接部位、角撑梁、对撑梁下方搭设临时支撑架体，架体离梁边 250 mm，沿梁方向立杆间距 1 000 mm，两根立杆间加一根小横杆，横杆步距 1 800 mm，最上一布横杆离支撑梁底 300 mm（支撑切割部位架体最上一步横杆离梁 50 mm）。

5.2.6 安全注意事项

1）监测单位及时对基坑位移跟踪监测，如位移过大，立即停止施工，及时通知设计单位采取相应措施。

2）地下室汽车坡道结构中空处，应按照换撑结构图纸要求设置临时传力结构梁、板。围檩与支撑梁处吊筋破除时不得先行割断，与立柱节点部位破除时不得对钢立柱进行损坏。

3）拆除作业应采取缓慢有序、尽量对称方式施工，先拆联系梁后拆支撑主梁，角撑应采取先边角后中间的顺序对称破除。

4）地下室主体结构施工到 f 0.00，待地下室 -1 层结构达到设计强度，并完成地下室结构外防水及保护层处理后，地下室外墙与支护桩之间应及时进行回填工作。

6 结语

通过对机械破除基坑支撑结构进行设计验算，在车辆行走范围内楼层板采取下撑钢管、上铺钢板等有效措施，将机械直接吊运至-1 层结构板上进行基坑支撑结构机械破除作业，保证了结构安全稳定，同时提高了施工效率。Q