0 引言

　　随着现代城市化飞速发展，人们对城市地下空间的利用需求不断提高，出现了越来越多的深基坑工程。而基坑开挖施工工程中常会受到水文条件、交通条件及人口密度等外在因素的影响，施工难度逐渐增大^[1]，对深基坑支护设计及施工提出了严格要求。

　　由于深基坑支护系统实质上是一个临时工程，其使用年限和基坑工程施工工期紧密相关，一般为1～2年，因此，时常未得到施工单位和设计单位重视，这使得基坑支护设计创新较慢，也常引发安全问题^[2]。目前，深基坑可供使用的支护结构有多种，采取的支护形式不尽相同，常见深基坑支护设计方案可分为:(1)地下连续墙即在地面以下为截水防渗、挡土、承重而构筑的连续墙壁;(2)排桩式支护从形式上又可分为柱列式、连续排桩及组合式排桩，由于其具有较高刚度，已发展成为对基坑变形有严格控制要求的深基坑开挖支护结构的重要技术手段;(3)内支撑和锚杆其支承了基坑围护架构墙体，有利于提高基坑稳固性和地层抗变形能力^[3]。然而，对于第(3)种支护结构，临时支撑设计结构在拆除过程中，围护墙二次受力和二次变形对整体结构及环境造成进一步影响^[4]，因此仍需改进其支护方式。

　　鉴于此，本文以湖南旺旺医院(二期)———医疗大楼扩建工程(以下简称“湖南旺旺医院(二期)”)大型基坑开挖为工程背景，采用多功能结构梁板代替传统施工常用的临时支撑，考虑到结构梁板支撑刚度大、变形小，对水平变形控制极有效，同时该替代方案减少了施工全过程对环境的影响。此外，借助有限元软件建立有限元模型，着重对深基坑逆作法施工^[5,6]中结构梁板变形和受力进行数值分析，并根据计算结果提出相应的防护建议。

　　1 工程概况

　　湖南旺旺医院(二期)项目拟建建筑檐口高77.30m，地上20层，建筑面积约12万m²;地下7层，建筑面积约6万m²。基坑深32m，开挖面积约1万m²，基坑周边延米长440m。基坑开挖时的水平支护系统采用结构梁板代替传统搭建的临时支撑方式。梁板材料特性为:钢筋混凝土结构弹性模量E=3×10¹⁰N/m²;土体弹簧刚度取k=5×10⁶N/m，泊松比ν=0.3，密度ρ=7.5×10³kg/m³。板厚d=100mm，截面面积A=1.8×10^-5m²，惯性矩I_a=18.75×10^-12m⁴。

　　2 施工关键技术

　　2.1 施工设计总体路线

　　根据本工程建筑结构形式及特征、气候条件，水文地质条件、周边环境控制要求，综合经济效益及业主对施工工期的要求等因素，提出基坑围护设计方案为:地下连续墙+地下结构梁板代替支撑+地上、地下同时施工。即基坑整体采用逆作法施工，逆作施工阶段同步完成地上20层结构施工，开挖基坑周边以地下连续墙作为支挡围护结构，利用地下结构梁板作为水平支撑，采用“一柱一桩”(钢立柱结合柱下钻孔灌注桩)作为竖向支撑构件承受施工阶段结构自重和施工荷载。

　　2.2 地下连续墙

　　本基坑工程开挖深度达32m。根据本工程地质条件、开挖深度及现行基坑支护规范和规程的规定，通过采用理正深基坑软件进行计算分析，确定本基坑工程地下连续墙厚度应取1 000mm。

　　地下连续墙插入基底以下为13m，并根据不同受力情况对地下连续墙进行分类:基坑东侧和西侧坑外无建(构)筑物，该区域为A型地下连续墙;基坑南侧和北侧为高层建筑，与基坑距离较近，该区域为B型地下连续墙;基坑南侧存在污水处理池，该位置地下3层、地下4层结构楼板缺失，该区域为C型地下连续墙。

　　2.3 结构梁板多功能运用

　　1)结构梁板代替水平支撑

　　在基坑开挖阶段以多层结构梁板(地下1层～地下4层)作为水平方向受力支撑。在第1层结构设计中，专门预留施工通道以便施工车辆出入，同时还加设了挖土堆放区域，较好地解决了施工场地空间不足问题。

　　2)地下室首层结构梁板作为施工平台

　　施工过程中，将第1层结构梁板作为施工机械挖土平台及车辆通行运输通道，逆作阶段首层结构梁板出土口与施工通道布置需与总包单位协商确定，且须对运输路线上的结构梁板和临时出土口周边的结构梁进行加固处理。

　　3)出土口设置

　　由于逆作法是先施工结构梁板再进行土方开挖，因此暗挖土方出土效率将大大影响逆作法施工工作效率。通过将第1层结构梁板设置为施工机械挖土平台及施工车辆进出通道，利用中庭、电梯井、楼梯等结构永久开口位置预留空间较大出土口，便于逆作施工阶段出土运输工作，从而加快施工进度、缩短工期。

　　小型施工机械(如挖土机)需在逆作结构梁板下方进行施工作业，并将开挖土方运输至出土口区域，然后利用运输设备垂直将开挖土方运出，再经土方车辆运送出施工场外。

　　4)后浇带位置传力杆件

　　考虑到结构梁板在逆作法施工过程中起到水平支撑作用，因此，必须保证结构梁板水平方向传力的有效性。若在结构梁板位置设置沉降后浇带，该位置结构梁板由于只用钢筋相连，然后浇筑混凝土，无法满足逆作施工阶段传力要求。本方案采用在后浇带区域增设钢筋传力装置，锚入钢筋并插入后浇带两侧结构梁板内一定深度，同时对结构梁板内的钢筋设置抗剪栓钉，以保证钢筋锚固质量及作为传力构件的有效性。

　　5)结构标高差异的处理

　　根据目前阶段建筑设计资料，尚未反映出各层地下室结构梁板存在高差。在深化设计阶段，如地下室结构各楼板标高出现一定程度差异，为尽可能保证水平荷载传递可靠，应根据现场实际高程差，对结构框架梁板采取加腋措施予以解决。加腋过程中，需对其进行独立配筋。从构件构造及其结构受力角度，在腋角逆作法施工完成后，可根据实际情况考虑是否保留。

　　对施工区域高差进行处理时，需考虑2方面因素:结构受力、施工车辆通行。鉴于此，在逆作施工出现高差位置加设1道现浇车道斜板，斜板范围内的框架梁和次梁顶标高需相应抬高至斜板面，作为车道斜板支座。车道斜板主要发挥了2方面作用:(1)作为水平传力支撑以承受水平向荷载;(2)作为车道板克服逆作施工阶段因高差位置不同而导致的水平力传递问题，同时还满足了施工场地车辆通行需求。

　　6)剪力墙托换设计

　　由于在逆作施工阶段，地下室剪力墙及其他内部墙体等竖向构件暂不施工，通过在梁底留设墙体插筋，待逆作施工结束后再顺作地下部分剪力墙结构。逆作施工阶段上部结构剪力墙荷载通过临时钢管混凝土柱和底层结构楼板内设置的托梁进行托换。

　　3 数值模拟分析

　　采用有限元分析软件对逆作施工的结构梁板进行数值建模计算，目的是分析逆作施工过程中作为水平支撑体系的结构梁板的受力变形性状。为此，有限元模拟分析采用三维实体建模，模型尺寸与试验中试件尺寸保持完全相同。

　　3.1 模型建立及网格划分

　　首先，根据实际工程结构梁板尺寸建立几何模型，其中各构件采用布尔运算进行建模。然后，根据实际计算需要对基坑水平支撑体系模型进行网格划分，其中总单元数17 797，总结点数11 316。逆作楼板采用4节点空间板单元模拟(shell43);主梁、次梁、环梁、腰梁、托换梁和出土口边梁均采用2节点空间梁单元(beam4);楼板周边设置土体弹簧，采用弹簧单元(comb14)。

　　3.2 荷载约束及求解设置

　　根据试验荷载约束条件对有限元分析模型进行约束和加载，模型采用简支约束并直接施加在单元结点处。地下(1～4)层结构梁板周边施加水平荷载(标准值)分别为320,340,380,648k N/m。

　　采用静力非线性分析，在求解时，程序自动根据问题荷载响应计算每个时间步的计算变量值，并采用不平衡结点力和能量准则作为计算收敛的判据。整个施工模拟工程可分为9个施工工况:(1)工况1初始地应力平衡;(2)工况2第1批土方开挖至地下1层底板并施工地下1层底板;(3)工况3施工1层底板;(4)工况4第2批土方开挖至地下2层底板并施工地下2层底板;(5)工况5第3批土方开挖至地下4层底板并施工地下3层底板，地上结构施工2～5层;(6)工况6第4批土方开挖至地下5层底板及地下4层底板并施工地下5层底板，地上结构施工6～9层;(7)工况7第5批土方开挖，地上结构施工10～13层;(8)工况8第6批土方开挖至坑底，地上结构施工14层至封顶;(9)工况9

　　先后施工地下室底板(地下7层底板)、地下6层底板，基坑逆作施工完成。

　　4 计算结果分析

　　4.1 结构梁板总变形

　　地下(1～4)层逆作楼板在周边水平荷载作用下的变形计算结果如图1所示，4层楼板在相应水平荷载作用下，最大变形分别为9.2,8.9,9.9,11.9mm，总体变形规律类似。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》^[7]可知，总体计算变形均在可控范围内。

　　4.2 梁板构件内力

　　基于有限元分析的各梁板体系内力计算结果如图2所示。由图2可知，地下(1～3)层结构梁板承受大致相近且较小轴力，而地下4层结构梁板则承受了较大轴力。而对于4层逆作楼板最大剪力值和最大弯矩值，腰梁所承受的内力要大于其他构件，其次是边梁和托梁。相比较，主梁和次梁所承受内力较小。

　　有限元计算与实际监测结构梁板各构件内力相对误差如表1～3所示，由表1～3可知，最大误差≤10%，说明基于有限元分析的计算结果合理可靠。

　　总之，无论是数值计算还是实测内力，目前板厚、梁截面均可满足规范要求^[7]。同时，应在施工图设计阶段，结合各区域杆件内力计算结果进行梁板进一步深化设计。

　　图1 地下(1～4)层结构梁板总变形云图  

　　图2 地下(1～4)层结构梁板内力  

　　表1 各结构梁板构件最大轴力相对误差统计% 

　　表1 各结构梁板构件最大轴力相对误差统计%

　　表2 各结构梁板构件最大剪力相对误差统计% 

　　表2 各结构梁板构件最大剪力相对误差统计%

　　表3 各结构梁板构件最大弯矩相对误差统计% 

　　表3 各结构梁板构件最大弯矩相对误差统计%

　　5 结语

　　1)使用结构梁板作为基坑开挖水平支撑系统，避免了大量临时支撑设置与拆除;合理设置出土口能有效缩短施工工期，具有较明显的经济效益，对节约资源和保护环境具有显著意义。

　　2)基于有限元计算的各层结构梁板内力值与实际监测数据较接近，且最大误差≤10%，证明模拟结果的可靠性。

　　3)逆作法施工时，各层结构梁板总体变形及其各构件最大内力均控制在允许范围内，保障了基坑开挖安全性。

　　4)考虑到基坑水平支撑体系整体刚度较大、抵抗变形能力较强，同时结构梁板上的开口处理对结构整体受力无影响，建议只需对开口增设边梁即可。