天府汇中心项目位于成都市武侯区人民南路三段与大学路交汇处, 总建筑面积527 829.16m², 区域内由2栋写字楼、1栋酒店、3栋住宅以及裙楼组成, 地下5层为地下车库。项目结构形式:地下室、写字楼、酒店为框架剪力墙结构, 住宅为剪力墙结构。

该工程±0.000相当于绝对高程+499.200m, 地下室共5层, 负1层地下室标高+492.135m, 负2层地下室标高+486.765m, 负3层地下室标高+482.970m, 负4层地下室标高+479.220m, 地下室底板面标高+475.100m, 基坑开挖底标高+474.300m, 基坑开挖深25m, 周长约811.0m, 开挖面积约42 000m²。根据工程挖深、地质条件及周边环境要求, 确定其基坑侧壁安全等级为一级。

该工程基坑设计深25m, 地处城市中心繁华地段, 西侧为城市主干道和城市骨干交通地铁线, 地下室管道管线错综复杂;北靠31层既有高楼和城市河流———锦江, 与本场地最近距离为3.0m, 东靠多层砖混结构住宅小区, 其建筑结构强度较低, 南靠城市次干道, 人口密集 (见图1) 。该工程地处要地, 基坑安全是重中之重。

根据工程勘察报告, 地基土按时代成因及土性特征自上而下划分为5个工程地质层: (1) 第四系全新统人工填土层 (Q^ml₄) ; (2) 第四系全新统冲积黏性土及粉土层 (Q^al₄) ; (3) 第四系全新统冲洪积砂卵石层 (Q^al+pl₄) ; (4) 第四系上更新统冰水堆积黏性土层 (Q^fgl₃) ; (5) 白垩系上统灌口组 (K^g₂) 泥岩层。

本工程基坑已施工完毕, 但基坑边界离周围具有3层地下室的既有建筑物太近, 故不能采用预应力锚索、混凝土水平支撑等围护结构, 根据上述情况, 采用钢管内支撑体系。

钢管内支撑因材料性能稳定、质量相对较轻、施工周期相对较短, 材料、人力等资源消耗较少、拆除完毕后可周转重复利用、噪声低、无振动、无粉尘废气污染等特点, 既解决了结构的安全性问题, 也解决了施工工期及环保问题。

换撑原理就是让支护桩因内支撑拆除所产生的应力通过传力构件传给具有承载力的第三者, 即已施工完成且达到设计强度的筏板基础、地下室外墙及地下室每层梁、板等结构, 从而达到另一个受力平衡。本工程换撑施工主要采用钢管水平支撑连接地下室负3层、负2层、负1层, 局部首层的梁、柱结构, 另外一侧在支护桩上安装钢腰梁, 加载预应力共同作用来控制基坑变形, 实现应力传递。

1) 钢腰梁设计及安装

综合考虑地质、环境、挖深、施工现场等因素, 遵循安全可靠、经理合理、方便施工的原则, 该基坑采用的支护方案为双拼工字钢钢腰梁+钢管内支撑体系。

钢管内支撑体系设计:均采用φ609×16钢管, 靠近基坑护壁桩侧采用双拼I45a作为钢腰梁, 如图2所示, 另一侧结合主体结构在相应部位安装内支撑挂板, 确保内支撑的可靠安装, 如图3所示。

施工钢腰梁时, 应先使用全站仪放出内支撑安装定位线, 打磨平支护桩护壁、安装钢腰梁支撑、验收所有钢腰梁支撑后, 安装固定钢腰梁, 验收完成后进行下一步工序, 浇筑钢腰梁与支护桩护壁间的混凝土, 因钢腰梁与支护桩护壁间隙过小, 混凝土采用比桩身高一强度等级的C35膨胀细石混凝土, 确保混凝土浇筑密实, 充分填实间隙, 确保钢腰梁受力均匀完整。

上述工序完成后使用全站仪对内支撑挂板位置进行精准定位安装, 误差<10mm。

钢腰梁安装要求:钢腰梁及内支撑挂板定位准确, 钢腰梁安装必须保证2个对称面的2个主轴力方向平行, 不得错位。

2) 格构柱设计及安装

由于基坑跨度较大, 内支撑采用工厂预制、现场法兰连接组合的方式。根据图纸结合现场实际施工尺寸加工钢管长度, 为便于安装, 端部采用活动端头, 可以根据安装需求, 灵活调节长度。内支撑在地面上使用M24螺栓连接完成后, 使用35t汽车式起重机吊装到内支撑挂板上, 因内支撑两边端头与内支撑挂板间存在不同大小的锐角间隙, 为满足内支撑受力合理, 在内支撑端头与钢腰梁间隙采用由25, 30mm厚钢板焊接而成的填充块, 根据现场安装尺寸需求焊接安装, 如图4所示。

内支撑最长27m, 单根较重, 对于35t汽车式起重机的吊距及吊重, 无法实现整体吊装, 据此情况, 对于跨度>20m的内支撑采取2段进行吊装, 在2段内支撑分段处先行施工格构柱。

由于基坑深达25m, 格构柱长达28m, 根据现场格构柱安装情况, 所有格构柱需分段加工, 运送至现场吊装接长, 为了满足格构柱的整体性, 需在每道内支撑底部安装系杆, 系杆采用热轧普通[40b与格构柱满焊。第1道系杆施工完毕后, 吊装第1道内支撑;再施工第2道系杆, 安装第2道内支撑, 以此类推, 完成内支撑作业施工。系杆连接节点如图5所示, 格构柱立面及其基础如图6所示。

3) 加载预应力施工

在支撑一端施加预应力, 施加预应力端采用专用活动端头, 在活动端头两侧 (钢支撑的左、右侧) 各安装油压千斤顶, 施加预应力时应使用35t起重机将钢支撑吊起保证活络端与钢支撑中心在同一条轴线上且与支撑面垂直。根据设计要求的预应力条件, 由压力表控制进行加压, 2个千斤顶同时施加预应力, 注意预应力分级施加、重复进行, 在施加预应力时, 应再次检查各连接点的情况, 在达到设计要求的预应力值并待压力稳定后采用楔块锁定, 再次检查楔块锁定情况无误后, 方可松压, 取出千斤顶。

项目通过BIM技术, 模拟内支撑在不同施工阶段、土方开挖顺序等情况下的换撑施工动画, 通过BIM技术可视化等优点, 不断优化内支撑的换撑顺序, 最终确定本工程的拆除顺序为自下而上, 在每层结构顶板施工完成后, 方可拆除内支撑。

因上、下各道内支撑处于同一竖直面上, 无法采用塔式起重机直接吊装, 综合现场施工条件, 在完成每层地下室结构并达到混凝土设计强度后进行每一层支撑的拆除, 使用2台5t叉车拆除内支撑并在相应结构板面拆卸成单个构件, 2台5t叉车分别将单个构件转运到场地出口装车离场。

在完成每层内支撑拆除工作前, 不得拆除下一层的模板支撑架, 不得卸力, 防止叉车拆除过程中对地下室结构板造成破坏。

内支撑拆除顺序自下而上, 先撑后拆。换撑流程如下。

1) 拆撑步骤1 (1) -5F主体施工完成后 (含-4F底板) , 施工-5F外墙防水; (2) -5F外墙与支护桩形成刚性铰后, 开始拆除-3F底板 (第4道) 处钢支撑。

2) 拆撑步骤2 (1) -4F主体施工完成后 (含-3F底板) , 施工-4F外墙防水; (2) -4F外墙与支护桩形成刚性铰后, 开始拆除-2F底板 (第3道) 处钢支撑。

3) 拆撑步骤3 (1) -3F主体施工完成后 (含-2F底板) , 施工-3F外墙防水; (2) -3F外墙与支护桩形成刚性铰后, 开始拆除-1F底板 (第2道) 处钢支撑。

4) 拆撑步骤4 (1) -2F主体施工完成后 (含-1F底板) , 施工-3F外墙防水; (2) -2F外墙与支护桩形成刚性铰后, 开始拆除首层板处钢支撑并施工完成地下室顶板。

内支撑采用2台叉车拆除, 流程为:一台叉车抬一边→钢支撑卸力→叉车慢慢放下钢支撑→钢支撑标准节法兰盘螺栓拆除→将钢支撑管件由叉车运至靠近工地大门处的指定吊装点→钢支撑吊装、装车撤场。内支撑拆除完成后工况如图7所示。

严格控制钢管内支撑构件进场, 重要部位的钢材需进行复检;钢支撑安装必须确保各端头与挂板均匀接触, 并设防止钢支撑脱落的措施。

钢管内支撑构件间采用法兰与高强螺栓连接, 螺栓必须拧紧, 并进行复拧, 不得出现遗漏。所有焊接需符合设计及规范要求, 焊缝饱满, 应及时敲除点焊渣。外观检查标准及支撑构件安装标准分别如表1, 2所示。

钢管内支撑安装前, 要确保相应区域的底板、外墙、梁、板等结构达到设计强度。

在内支撑安装完毕及换撑全过程中应及时跟进监测, 避免出现危及基坑安全及钢管内支撑构件损坏的情况。

焊接设备应防雨、防潮、防晒, 作业地面若潮湿应铺设绝缘物, 焊接现场10m范围内不得堆放氧气瓶、乙炔瓶、木材等易燃、易爆物品;电焊机外壳需安全接地, 电焊线通过道路应采取保护措施;作业人员要采取防触电、防中毒、防火灾等措施;在钢管内支撑吊装区域周边设置好警戒线, 无关人员保持好安全距离。

内支撑区域基坑周边2m范围内严禁堆放任何荷载。

由具备检测资质的第三方单位根据基坑监测规范和监测方案, 对现场实施监测。监测应跟进基坑开挖加深和地下室施工, 并根据支护体位移情况进行调整。基坑留土区开挖及地下室施工期间, 为监测围护结构体系的位移情况, 沿围护结构顶部冠梁每15~20m设置1个位移观测点, 共计16个 (ZW1~ZW16) 。换撑前后支护顶部位移监测结果对比如图8所示。由图8可知, 换撑前后位移变化不大, 均未超出极限值, 变化速率均在2mm/d内, 符合规范要求。

本次超深基坑内支撑换撑施工主要采用水平钢管支撑, 具有主要连接件标准化、可伸缩调节、适用性强、利用率高、安装和拆除简单、方便、施工速度快的优点, 施工操作相对简单, 保证了整个基坑的安全稳定, 为后续基坑安全和地下室主体结构施工奠定了良好基础。