南方软土地区基坑围护结构广泛采用混凝土内支撑结构体系承受开挖基坑侧壁土压力, 控制基坑结构水平位移与坑顶地面沉降, 保证基坑整体安全稳定。顺作法基坑混凝土支撑的拆除工序, 结合设计工况, 一般是水平分段、竖向分层, 自下而上完成1层地下结构拆除1道支撑, 这样才能逐渐释放支撑内力, 使基坑整体位移缓慢变化趋于稳定, 以保证基坑及周边环境的安全。根据主体结构顶板钢筋混凝土施工工艺, 要求混凝土支撑与主体结构楼板之间要有一定作业空间。然而因设计变更、造价控制等种种原因可能造成支撑与结构之间净距不足, 带来现场无法顺利施工的问题。本文以苏州某地下空间工程为例, 介绍了一种深基坑混凝土支撑拆除工序优化技术, 具有较好的推广意义, 可为类似工程的施工提供技术借鉴与经验参考。

苏州某地下空间是全国首个获得绿色建筑三星级标识认证的独立式地下空间工程, 地下1层用于商业, 地下2, 3层为停车库。基坑分北、中、南3个分区。南区场平标高为3.500m, 基坑开挖深度为18.6m。基坑东西长约571.2m, 南北宽约58.7m, 周长1 260m, 面积约3.3万m², 基坑北侧为中区施工场地, 南侧紧邻太湖大堤, 基坑边距太湖大堤中心线32m。基坑开挖范围内的主要土层有: (1) ₁素填土, (1) ₂冲填土, (3) ₁黏土, (3) ₂粉质黏土, (4) ₁粉土, (4) ₂粉质黏土夹粉土, (5) ₁粉质黏土, 基底位于 (5) ₁粉质黏土层。基坑支护形式:采用φ1 050mm@1 250mm围护桩+3道C35混凝土支撑的支护方案, 围护桩顶与地面齐平, 桩长34.4m, 混凝土支撑间距3.5m, 截面设计:围护桩截面配筋如图1a所示;支撑梁1m (宽) ×1m (高) , 栈桥下支撑梁1m (宽) ×1.2m (高) , 连梁0.6m (宽) ×0.8m (高) , 支撑梁、栈桥梁、连梁配筋如图1b, 1c, 1d所示。基坑分D1, D2, E, F 4个分区, D1与D2区、D2与E区之间以φ850mm@600mm单排三轴搅拌桩止水帷幕分隔, 主体结构外墙紧贴围护结构, 与围护结构形成复合式结构。基坑围护结构剖面、平面概况如图2所示。

深基坑围护土方开挖与拆撑设计工况:土方开挖E/D/F坑, 随挖随撑, 开挖到底后浇筑垫层及底板、地下3层侧墙及地下3层顶板至-7.850m标高;待地下3层顶板达到设计强度的80%后, 拆除第3道支撑, 浇筑地下2层顶板至-5.200m标高;待地下2层顶板达到设计强度的80%后, 拆除第2道支撑, 浇筑地下1层顶板至2.250m标高;待地下1层顶板达到设计强度的80%后, 拆除第1道支撑, 继续施工上部结构。

根据本工程概况, 基坑围护结构混凝土支撑底标高2.500m, 栈桥支撑梁底标高2.300m。因围护结构施工过程中, 主体结构顶板标高发生变更, 由原标高1.450m变更为2.250m, 造成围护结构第1道混凝土支撑与主体结构顶板之间最小净距由0.85m变为仅0.05m。这样造成主体结构钢筋、模板、混凝土工程正常施工空间不足。

为解决由于第1道混凝土支撑与主体结构顶板距离过近导致顶板无法正常施工的问题, 施工单位与业主、设计、监理单位共同协商, 通过技术人员反复核算, 并邀请专家论证确认解决方案, 提出了采用将第1道混凝土支撑分2次拆除的工序优化技术。具体施工方法为:拆除基坑围护结构第2道混凝土支撑之后, 在确保基坑安全的前提下继续拆除栈桥面板及非主要受力的混凝土支撑杆件, 待主体结构地下1层顶板施工完成且强度满足拆撑条件后再拆除剩余支撑杆件, 第1道混凝土支撑分次拆除后的效果如图3所示。

第1道支撑的拆除工序优化方案大面积施工前, 选取1道支撑进行拆除试验, 分析拆除前后基坑围护结构及周边环境的影响变化是否可控。如可行, 则大面积实施。

考虑到第1道支撑局部拆除后支撑间距变大, 局部围护桩近似处于悬臂受力状态, 这样可能引起基坑围护桩桩顶水平位移、支撑轴力、围护桩背后土体深层位移均发生变化, 为此, 在拆撑过程中均对这些指标进行重点监测。本工程局部应用了基坑自动化监测技术, 因此选择自动化监测区域的支撑作为拆撑试验段进行实时监控。监测数据及时反馈, 根据监测数据分析第1道支撑局部拆除的总体影响, 为后续大面积支撑拆除提供可靠的数据结论与理论支撑。

第1道局部支撑拆除前的现场工况如图4所示:地下2层结构封顶, 第2道支撑已经拆除完毕, 地下1层侧墙已施工至地下1层梁底以下30cm。

第1道混凝土支撑分次拆除工序优化在第1步完成后, 支撑最大间距变为18.6m, 中间位置的围护桩近似处于悬臂状态, 悬臂长度8.7m。此种条件下, 基坑该部位基本靠围护桩和桩顶冠梁提供的承载力来保证基坑侧向稳定与安全。

基于以上工况, 假定围护桩在地下2层顶板以下为嵌固段, 地下2层顶板以上为有冠梁悬臂桩, 已施工的侧墙作为安全储备考虑。计算分析结果如下所述。

利用理正深基坑7.0软件建立简化计算模型, 模型剖面如图4所示, 地面超载按20k Pa考虑。验算结果如下: (1) 桩身主筋、箍筋配筋满足抗弯、抗剪强度要求; (2) 桩身最大位移Δ=12.5mm, 坡顶最大沉降δ=15mm; (3) 整体稳定系数K_s=3.673>1.3; (4) 抗倾覆稳定系数K_s=M_p/M_a=1.983>1.25。

根据南区围护结构和主体结构形式, 利用MIDAS软件建立数值模型模拟分析整个施工工况。计算模型如图5所示。对基坑开挖过程的基坑变形不做赘述, 主要分析第1道混凝土支撑拆除前后, 基坑围护桩深层水平位移及桩身弯矩变化。

经计算, 拆除第1道混凝土支撑前后桩顶的水平位移突然增大, 其位移值为12.68mm。如图6a所示。随着深度的增加其位移值越来越小, 几乎呈线性变化, 其变化率为1.27‰, 在深度为10m左右趋于0。另外, 第1道混凝土支撑拆除后桩身弯矩最大值为46.8k N·m, 深度为16.5m位置, 如图6b所示。围护桩桩身最大弯矩值远小于围护桩抗弯承载力值。

另外, 主体结构楼板位置的弯矩、位移曲线最大值分布位置经对比可以看出, 拆除第1道支撑后, 尽管桩顶位移增大, 但是主体结构具有一定的强度和刚度来抵挡基坑土体侧压力。结合围护桩自身允许承载力具有很大余量, 判定围护桩悬臂受载条件下仍能承载基坑侧向力作用。

基坑第1道支撑拆除工序优化方案实施过程中, 加强对基坑围护桩桩顶水平位移、支撑轴力、围护桩背后土体深层位移监测, 监测数据经分析各项指标均在正常范围内。其中, 围护桩桩顶水平位移在拆除工序优化方案实施前后, 相对变化值最大发生在基坑南侧局部支撑拆除后处于悬臂状态的围护桩桩顶处, 为17.9mm, 如图7所示。监测数值满足基坑安全与主体结构正常施工要求。

1) 总结了一种深基坑混凝土支撑在施作下部主体结构前局部提前拆除的工序优化技术:通过利用深基坑7.0软件和MIDAS数值计算软件, 对拆撑工序优化工况进行简化建模, 对第1道支撑局部提前拆除前后基坑围护结构的力学模型进行理论分析, 结合实施阶段的实时监测指导进行信息化施工, 有效解决了因基坑支撑与主体结构之间净空较小造成的难以施工难题。

2) 此支撑拆除工序优化技术的成功应用, 丰富了基坑围护结构设计理论, 拓展了设计思路。