软弱地质条件下超大面积深基坑换支撑施工技术

【摘 要】在软弱地质条件下，深基坑支护工程通常采用围护结构加内支撑的支护形式，内支撑与主体结构施工容易产生相互交叉影响，尤其是对于同一个基坑内有多个单体工程的超大规模深基坑工程，需采取局部换支撑方式满足主体结构施工，保证基坑安全。

【关键词】软弱地质；大面积；深基坑；内支撑；钢管斜撑

1、工程概况

于家堡金融区位于天津市海河边，该区域地质条件为软弱地质，于家堡金融区起步区六地块基坑工程包括15、16、21、22、25、26六地块工程及B2、B3两条地铁线，该基坑平面尺寸约为400m×280m，占地面积约11万平方米。六地块塔楼基坑普遍开挖深度为15～18m，B2线地铁开挖深度为19m，B3线地铁开挖深度为25m。整个基坑周边围护结构采用大直径钻孔灌注桩（Φ1100mm～ Φ1300mm）+三轴水泥搅拌桩止水帷幕的方法进行施工，基坑整体设置一道水平支撑，在B3线地铁部位设地下连续墙和二道水平支撑。六地块基坑内水平支撑及其主楼分布布置如图1所示。

图1 六地块基坑内水平支撑及

其主楼分布位置图

于家堡金融区起步区26地块工程位于基坑东南角，水平支撑影响主楼结构施工；原计划基坑内六地块结构施工完地下三层顶板、以及B2、B3线施工完地下二层顶板（顶板相对标高均为-9.650m）并完成传力构件后，实施内支撑整体拆除方案。但由于六地块总承包单位进场时间不同，各地块和B2、B3线的施工进度亦不能协调统一，因此现场无法实现整体拆撑。为了不影响各地块结构施工，需按照各地块进度，采用局部换支撑施工技术实行分阶段拆撑。

2、换支撑设计

2.1 换支撑原理

所谓换支撑施工技术，就是让支护体系因内支撑拆除所产生的应力通过传力构件传递给具有足够承载能力的结构，从而达到新的受力平衡。它既可采用刚性支撑件（斜撑、水平支撑）将围护体系新产生应力传递给地下室结构或支撑系统，也可采用回填方式将应力传递给地下室结构。

2.2换支撑设计

26地块内支撑覆盖在主楼之上（26地块的内支撑与主楼平面位置关系如图2），内支撑影响主楼结构施工。为了满足26地块结构施工进度，采取局部换撑技术，遵循先转换、后拆除的原则，对于要拆除的部位，首先采取转换措施，将围护结构的受力传至基础底板，再通过基础底板传递到对应地块，以确保基坑周边土体对围护结构的水平力能够连续传递并抵消， 然后再拆除内支撑。本地块支撑分三个阶段进行拆除。

图2 26地块的内支撑与主楼

平面位置关系图

（1）第一阶段拆撑及拆撑条件：

第一阶段拆撑是拆除26地块的东南角斜撑，目的是配合主楼施工，拆撑范围如图3所示，阴影为拆除部分。

图3 26地块第一阶段拆撑范围示意图

拆撑条件为：在南侧安装6根Φ609钢管支撑、在东侧安装7根Φ609钢管支撑，如图4所示。其中，斜钢支撑上牛腿设置于支撑腰梁上，下牛腿设置于基础底板上，基础及牛腿强度需达到设计要求，如图5所示。

图4 26地块第一阶段斜钢支撑平面布置图

图5第一阶段钢管撑布置构造示意

（2）第二阶段拆撑及拆撑条件：

第二阶段拆撑是拆除B3线上部的支撑以外的全部支撑， 目的是为配合地块地下结构向上施工。拆撑范围如图6所示，阴影为拆除部分。

图6 第二阶段拆撑范围示意

拆撑条件：

六地块地下3层顶板、地铁B2线地下2层顶板全部完成且混凝土达到强度设计值，六地块全部底板、地下3层顶板后浇带传力构件埋设完毕， 钢支撑卸载措施完成，B2线和B3线侧墙及传力构件安装完成。

采取在15地块、16地块和B2线北侧，以及25地块，26地块和B2线南侧每隔4m左右间距设置Φ609钢管支撑，26地块斜支撑布置如图7所示，钢支撑上牛腿设置于结构外墙上、下牛腿设置于基础底板上，如图8所示。

图7 第二阶段钢支撑布置示意图

图8 第二阶段钢支撑构造示意图

（3）第三阶段拆撑及拆撑条件

第三阶段拆撑是拆除东西向地铁（B3线）上部的内支撑（如图9中阴影所示）。

图9 第三阶段斜钢支撑平面布置图

换撑条件：主要采取在B3线两端部临时封堵墙与支护桩之间回填灰土，并在地下三层顶板、地下二层顶板标高部位分别设置500mm厚C30素混凝土换撑板带，从而使围护桩与B3线结构形成整体传力体系，达到拆撑条件。

此次拆撑之后，六地块基坑工程拆撑施工全部完成。

3、换支撑施工各工序控制要点

3.1 后浇带处传力构件设置

根据设计图纸要求，基础底板后浇带处传力构件采用预埋工字钢的方法，预埋在后浇带内的工字钢需顶紧两侧的底板，能够有效的传导应。

3.2 上、下牛腿结构施工

第一阶段上牛腿设置在支撑腰梁上，第二阶段上牛腿设置在地下室外墙上，间距为4m，可根据土建结构特点作出适当调整，±500mm范围内可调，需与外墙结构同步施工完成，下牛腿均设置在基础底板上，上下牛腿应一一对应并对齐，且第一阶段牛腿不应影响第二阶段牛腿布置。

3.3支护桩与外墙间回填及混凝土传力板带施工

地下室外墙防水及防水保护层施工完成后，清理支护桩与地下室外墙间基槽内的建筑垃圾。按设计要求进行回填，并在基础底板与支护桩间浇筑一道500mm厚C30混凝土传力板带，待混凝土传力板带达到强度后，继续回填至地下室负三层顶板标高下1000mm处，然后设置第二道500mm厚C30混凝土传力板带。

3.4钢支撑安装

钢管支撑撑安装前，需凿出上、下牛腿预埋钢板，焊接三角钢板牛腿（250× 200mm），同时测量上牛腿预埋钢板及下牛腿预埋钢板之间的净间距，调整已拼装好的钢支撑长度。经复验无误后，再用塔吊将钢支撑吊入基坑，将钢支撑架设到三角钢板牛腿上，校正后将钢支撑的斜端头面与预埋钢板焊接牢固，此时仅将钢支撑固定在上、下牛腿之间，但不施加预顶力，需在钢支撑中部位置设置脚手架临时支撑，确保安全。

3.5施加500kN预顶力

预顶力施加前，必须对油泵及千斤顶进行标定，并做好记录。预顶力施加中，须分步增加预顶力，第一次预加50%～80%；通过检查螺栓、螺帽，无异常情况后，且在距离第一次施加预顶力之后12小时以后施加第二次预应力至设计要求。

施加预顶力时应根据钢管斜支撑编号，作出预顶力施加记录，其上应载明预顶力施加的时间、次数、大小及后续监测情况。钢管斜支撑预顶力检测合格后，将钢管斜支撑与上、下牛腿预埋件焊接固定，然后组织监理验收，全部验收合格后，方可进行下一步内支撑梁的破除准备。

3.6 内支撑梁破除

内支撑梁的拆除主要有人工拆除、爆破和机械拆除三种方法，爆破法拆撑速度快，但每次爆破拆除的混凝土方量较小，需要多次爆破，安全管理难度极大；人工拆除工效低，安全风险小；机械拆除法虽然速度较快，但安全风险小，同时可采取增加机械数量以及连续施工的方式加快拆撑速度，对主体结构施工造成的影响较小。26地块最终采用机械拆除，通过采用2台拆撑机械连续作业的方式，保证了现场的拆撑进度。

由于六地块基坑面积广，支撑体量大，受力复杂，因此内支撑梁的拆除还需遵循以下原则：

（1）拆除主撑两侧角撑时，应以主撑中心线为轴，两侧对称同步拆除，防止偏载引起主撑位移。

（2）主撑拆除应分批拆除，不应同时破除，最大限度规避拆撑风险。支撑梁破除时，要注意现场成品的保护。

3.7 基坑监测

为防止因换撑工作引起的围护桩变形过大等情况发生，需在拆撑过程中对围护桩桩顶变形、桩身内力以及待拆主撑构件内力及时跟进监测，便于及时调整拆撑步骤。

钢斜撑布设轴力监测点不少于1个/10m。主撑架设到位，施加预顶力前应测得初读数。后期拆撑前应复核基准数据，拆撑过程中，应加密监测频率，建议拆撑范围内监测频率为2次/d，稳定后可适当降低频率。

拆撑期间变化预警值如下表：

预警项目 桩顶位移增加值 桩身内力 混凝土支撑内力 钢管撑轴力

预警值 ≤5mm 按原预警值 按原预警值 ≤2000kN

3.7 场地清理

内支撑梁破除后，及时清理破碎砼及废钢筋，并做好成品保护。

4、施工质量控制要点

4.1支撑和设备的验收

要求对支撑和设备进行监理验收。对工程所需支撑设备必须备齐，带有活络接头的支撑、支撑配件、加支撑预应力的油泵装置（带有观测预应力值的仪表）等安装支撑所必须的器材，经检查合格方可使用。

支撑在使用前应在地面上进行试拼接，检查外观质量、节点构造、尺寸长度等，在施工中如需调整支撑位置必须征得设计单位同意。

4.2埋件的清理和复核

埋件必须及早清理，并复核平面、标高位置，如有较大偏差，必须经设计认可，调整预应力。

4.3节点构造检查

（1）检查钢支撑端面和地下墙接触面是否垂直和平整；

（2）施加预应力后，检查钢榫是否牢固；

（3）检查钢支撑固定在立柱桩上U型箍是否固定牢靠；

（4）检查节点焊接质量（厚度、饱满度、长度），均应满足钢结构规范和有关抗剪等要求。

（5）斜支撑安装牛腿的焊接质量控制

由于斜支撑受力的特殊性，其端部位置的变动直接关系到斜撑两个方向受力大小的变动，直接关系到支撑的稳定。牛腿预埋铁件与钢管斜支撑间的焊接质量也直接关系到斜支撑的稳定。因此，在该工序中重点控制要点如下：

a.认真检查牛腿位置是否与设计相符。

b.仔细检查焊接质量，特别要防止焊缝末焊透和裂缝的危险性缺陷，它会严重削弱焊接的强度，这绝对不允许存在。

c.检查焊缝尺寸是否正确，是否有焊瘤、弧坑、气孔等缺陷。

4.4钢管斜支撑的安装检查标准

（1）支撑挠曲度：不大于支撑长度的1/1000；

（2）支撑水平轴线偏差：不大于30mm；

4.5侧向失衡控制

（1）钢管斜支撑安装前，要确保相应区域的底板、外墙、楼板、牛腿等结构混凝土达到设计强度。

（2）控制超载：基坑周边10m范围内的堆载和其他荷载总和不超过15kPa。

5、结束语

于家堡金融区起步区26地块工程基坑内支撑梁拆除过程中采用换撑施工技术，圆满地解决了结构施工与内支撑拆除相互影响的难题，对保证施工工期、施工安全及基坑安全具有非常明显的效果。通过本工程的应用证明，该技术适用于深基坑内支撑整体拆除或局部拆除施工，为今后类似工程提供了宝贵的施工经验。

参考文献：

[1]成关锋.深基坑工程中换撑技术的应用[J].建筑技术，2005，36（12）：905-906。

[2]张斌.超大规模深基坑内支撑分阶段拆除工艺[J].建筑技术，2012，43（4）：320-323。

[3]刘伟.超大规模深基坑内支撑转换技术在工程中的应用[J].建筑技术，2013，44（1）：9-11。