提升深基坑工程逆作施工开挖效率的应用研究

莫缵良，张 健，韩 靖

（1.广州一建建设集团有限公司，广东 广州 2.广州市筑智建筑科技有限公司，广东 广州）

1 工程概况

广州塔南广场配建珠江两岸人行景观桥广州塔南广场项目属于大型地下空间项目，位于广州塔南侧，东临广州塔路，南临艺洲路，西临艺苑路。总用地面积76 040 m2，地下共3 层，总建筑面积113 568.4 m2。基坑面积约4.4 万m2，总开挖深度约13.40 m。土石方外运总量约62 万m3，其中暗挖部分土方量约42万m3，土方开挖量大，原计划采用逆作法施工，负二层、负三层逐层暗挖，采用钢管柱作为各层的结构柱，主要尺寸为Φ600 mm～Φ900 mm，逐层施工，开挖过程利用已施工的各层楼板作为结构的水平支撑，土方开挖量大，且需支模完成当层结构方可继续往下暗挖，难以满足工期目标。

现将原有开挖方案优化为盖挖半逆作施工，暗挖部分的负二及负三层结构由原本的纯逆作施工优化为一次性暗挖至底板后从下往上进行半逆作盖挖施工，将出土空间最大化，在提高施工效率的同时，避免人防结构进行二次浇筑，也无需在楼板以及梁结构上预留混凝土浇筑孔，最大程度的保证了地下室人防结构的施工质量。

改变开挖方式后，开挖过程中钢管柱裸露长度是原设计开挖方式的2 倍以上，长细比激增，稳定性降低。在盖挖逆作施工中钢管柱是主要的垂直竖向受力构件，对整体结构的安全性起着至关重要的作用[1-6]。因此，需采取有效措施提高钢管柱的整体性，降低施工过程对钢管柱扰动。

2 钢管柱长细比验算

钢管柱尺寸有Φ600，Φ700，Φ800，Φ900，直径越小，长细比越大，情况越不利，故本次计算仅针对最不利情况Φ600 的钢管柱长细比做验算复核。

根据钢管混凝土结构技术规范[附条文说明]GB50936-2014 中的表4.1.7 可知，该情况下长细比限制不得超过80。改变开挖方式后，钢管柱最大长细比为190.67，超出设计规范，有错区破坏的风险。需在钢管柱间加入水平支撑从而降低开挖过程中钢管柱的长细比，提高钢管柱的稳定性。

3 水平支撑结构选型

3.1 方法一：永久结构梁内支撑

采用永久结构梁作为钢管柱的内支撑虽可满足钢管柱的稳定性，但需先进行砖渣回填，垫层铺设，梁结构混凝土强度满足要求，拆模后才可进行暗挖，不利于工期的缩减。

3.2 方法二：新型永临结合型内支撑

如图1 所示，采用抱箍结合钢支撑方式与周边柱进行连接，形成整体以保持稳定。同时为避免支护结构变形对钢管柱施加侧向力，钢支撑与周边支护结构不进行连接。钢支撑后期埋入混凝土梁中作为永久结构的一部分使用，随撑随挖，无需拆卸。

图1 新型永临结合型内支撑模型

4 关键施工工艺

4.1 工艺流程

地下二层基本为人防顶板，典型框架梁截面高为1 000 mm。因逆作要求需要设置柱间后期埋入楼面梁内的钢梁支撑以减小逆作期间柱的长细比，钢梁支撑与钢管柱采用抱箍板连接。该连接方式对钢梁支撑为刚接，其埋入混凝土梁的典型大样如图2 所示。如图3，型钢设于偏梁底部标高处，可代替部分主梁底筋。

图2 钢梁与钢管混凝土柱连接大样

图3 梁断面大样

利用BIM模型技术，建立钢支撑抱箍三维大样图，进行三维技术交底，制作施工安装动画，模拟各个施工过程。如图4 和图5 所示，指导下料加工，现场安装，有效提升施工精度。

图4 施工工序动画模拟（抱箍接头）

图5 施工工序动画模拟（内支撑）

4.2 钢管柱支架各构件验算

采用大型有限元软件Midas 对钢管柱支架薄弱区域进行受力分析，有限元模型见图6 所示。

图6 有限元计算模型

（1） 钢管立柱最大组合应力出

现在左右两侧位置，数值为-59.8 MPa，结构在弹性阶段工作，强度满足《钢结构设计规范》（GB50017-2003）中设计指标要求。钢管柱刚度做有限元计算，变形最大值0.49 mm ＜L/400，满足《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）附录A 的要求。

（2） 型钢支撑强度及刚度验算

型钢最大组合应力为-93.8 MPa，未超过设计值，结构在弹性阶段工作，强度满足设计要求；变形最大值1.76 mm＜L/400，刚度满足要求。

5 结论

该水平型钢支撑可提升钢管柱的整体稳定性，有效解决深基坑开挖过程中钢管柱长细比及应力比超限等问题。从而提高土方开挖时基坑支护及上部结构的安全性。

加设该型钢支撑，土方即可一次性开挖到底，随撑随挖，不影响设备出入，相较于传统混凝土梁支撑而言，使用该型钢支撑可避免逐层开挖，砖渣回填，支模及模板装拆预留孔洞等传统弊端，不仅能减少材料浪费，节约工程造价，还能大幅度提升施工效率，节约工期。

该型钢支撑设于主梁截面内偏梁底部处，可代替部分主梁底筋，作为主梁结构一并浇筑，成为永久性结构无需拆卸。主梁配筋还可相应调整减少，施工工序简单，方便快捷，安全性高。

型钢支撑采用抱箍结合钢梁的方式与钢管柱进行连接，焊接量极少，避免在钢管柱上出现连贯弱面，最大程度上确保了钢管柱的品质。