超大空间基坑中部既有建(构)筑物保护支护设计方案研究

牛 斌

(北京城建设计发展集团股份有限公司， 北京 100037)

0 引言

随着城市地下空间的开发利用和地下综合体的建设，很多城市修建了地下公共空间，大量超大基坑工程不断涌现。部分待建的地下空间范围内存在建(构)筑物，且这些建(构)筑物无法拆除或改迁，如古树、历史遗迹、文物建筑等。因此，在地下空间建设过程中需要对其进行保护，严格控制其变形的同时尽量增大地下空间的使用面积。

国内学者对基坑邻近建(构)筑物进行了大量的研究。如： 张治国等[1]从理论上分析了基坑开挖对邻近隧道的纵向变形； 杨波等[2]对土石混合体地层中基坑开挖对邻近既有隧道的影响进行了模型试验研究； 梁志荣等[3]对紧邻历史保护建筑深基坑设计进行了研究和监测分析； 王怀东等[4]对新建地铁车站基坑邻近运营地铁车站安全技术措施进行了研究； 范亚斌等[5]研究了基坑周边古树保护的围护技术； 龚江飞等[6]研究了软土地区深基坑开挖对周边文物建筑沉降的影响； 谷崇建等[7]对紧邻高压线塔的深基坑支护技术进行了研究； 张晓荣等[8]对邻近城市高层建筑的基坑围护结构变形控制进行了研究。

然而，以上研究都是针对基坑周边存在既有建(构)筑物的情况，未见超大基坑中部存在需要被保护的建(构)筑物的相关报道，其与一般的基坑工程有一定区别。本文依托石家庄市中央商务区北区地下公共空间工程，结合地下工程设计方案，对基坑内部既有水塔的保护进行围护结构方案的比选与研究，并提出一种易于控制变形、施工方便、造价低的设计方案。

1 工程概况

石家庄市中央商务区北区地下公共空间工程项目规划总用地 6.98 hm2，总建筑面积约13.9万m2，其中，地上建筑面积约0.2万m2，地下建筑面积约13.7万m2； 结构东西向长135～235 m，南北向长570 m。地面为景观公园，结构覆土3 m，地下1层层高为6.35 m，地下2层层高为4.1 m，主要功能包括服务周边商务地块的配套商业(超市、餐饮等)、汽车库、能源中心、智慧控制中心、市政环廊、人防工程与地铁车站。工程总平面图如图1所示。在超大基坑中部存在既有水塔，水塔于1939年竣工，为圆柱形结构，目前已经停止使用。水塔基础型式为钢筋混凝土筏板基础，基础厚度为0.9 m，埋深为3.6 m； 主体采用钢筋混凝土结构，内径为9.4 m，外径为11 m，壁厚为0.8 m； 水塔高约36.5 m，为高耸构筑物。地下空间基坑开挖深度为14 m。

图1 工程总平面图

地层从上至下依次为杂填土、黄土状粉质黏土、黄土状粉土、细砂、中砂、粉质黏土、粉土、细砂、中砂、粉质黏土、中粗砂、含卵石中粗砂。基坑底部位于粉质黏土层。现状水位在自然地面下43.0 m，施工时不需要考虑降水。地质剖面图及水塔现状见图2。土体物理力学参数如表1所示。

2 中心岛法

2.1 方案设计

由于基坑面积较大，采用内支撑体系不仅造价高，而且支撑刚度也被大大削减，因此，对于大面积基坑，中心岛法被广泛采用[9]。中心岛法围护结构方案如图3(a)所示(图中仅示意一半，另一半对称分布)。在水塔周边打设围护桩，桩径为1.0 m，中心间距为1.4 m，采用直径为609 mm、壁厚为16 mm的钢支撑，两边对称开挖。具体施工步序如下。

(a) 地质剖面图 (b) 水塔现状

表1 土体物理力学参数

1)施作水塔周边围护结构，分层放坡开挖土体至基坑底标高，依次施工垫层、防水层，并由下至上施工中心岛范围内的主体结构，如图3(b)所示。

2)待主体结构达到设计强度后，对称开挖水塔两侧剩余土体至基坑底标高，同时根据开挖情况及时架设钢支撑，如图3(c)所示。

3)施工底板垫层和防水，拆除第2道钢支撑，施工中板和侧墙结构，待结构达到设计强度后，架设第1道钢支撑倒撑(斜撑)，拆除第1道钢支撑并施工顶板，如图3(d)所示。

(a) 平面图 (b) 施工步序1)

(c) 施工步序2) (d) 施工步序3)

2.2 存在的问题及注意事项

2.2.1 预留反压土台的设计

1)边坡稳定性应结合当地经验、数值计算以及施工场地等因素确定，本方案设计时放坡土体上方不作为施工场地，如果作为施工场地，应考虑施工荷载。

2)顶部宽度确定[10]除满足施工场地需求外，应使先施作结构部分尽可能靠近围护桩，使支撑长度可控，避免钢支撑增设临时立柱。

2.2.2 主体回筑工况中的关键问题

1)预留土体应遵循“对称、均衡、限时、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则。

2)主体回筑过程中拆除第1道钢支撑时，支护结构悬臂工况应采用斜撑等，以减小变形和围护桩受力。

2.2.3 中心岛先施作结构设计要点

核心土体范围与基坑深度、地层、支护方式、台阶上部荷载等因素有关。如果距离过大，支撑需要增设临时立柱。本工程坡顶上部无施工荷载，并采用土钉墙放坡，新建结构与围护桩体距离约20 m,钢支撑无须设置临时立柱，钢支撑位置处结构局部尺寸加厚，并设置抗剪槽。

3 盖挖逆作法

3.1 方案设计

水塔周边2跨范围内采用框架结构逆作、中间采用中心岛明挖顺作的结合方案[11]。其中，盖挖逆作法是在浅基坑中修筑完结构顶板及竖向支撑后，自上而下逐层开挖土体并逐层修筑地下结构的方法[12]，围护桩桩径为0.8 m，中心间距为1.3 m。主要施工步序如下。

1)开挖浅基坑至顶板底标高下方，施工水塔周边围护桩和中间立柱桩基，施作顶板结构，如图4(a)所示。

2)依次向下开挖土方至中板底标高处，施工中板，并向下开挖土方至底板底标高处，施工垫层、防水层及底板结构，如图4(b)所示。施工出土从另外一侧运出，不需要单独设置出土孔。

(a) 施工步序1) (b) 施工步序2)

3.2 存在的问题及注意事项

3.2.1 立柱垂直度要求

中间立柱可以采用永久结构柱，如钢管混凝土柱或型钢格构柱。型钢格构柱在底板施工完成后，外包混凝土形成主体结构柱，也可以采用格构式或者实腹式型钢柱作为临时中间立柱。立柱除满足受力要求外，其垂直度也应满足规范要求[13]，对施工水平要求相对较高。根据地层情况，选择合理的桩基，并采取桩底压浆等措施控制施工期间中间立柱的沉降。

水塔变形主要靠各层结构板水平支撑，应进行受力和变形计算，必要时增加盖挖部分的跨数，本次按2跨计算可满足要求。

3.2.2 结构差异沉降

由于水塔周边2跨范围内采用盖挖逆作法施工，中间采用明挖顺作法施工，2种方法在相同荷载情况下的沉降不同，会导致结构在接口位置产生开裂，应分别计算沉降，并在接口处采取相应的构造措施。

4 钢绞线张拉法

4.1 钢绞线对拉法

4.1.1 方案设计

钢绞线对拉法围护结构平面图和剖面图如图5所示。基坑围护结构为正六边形，围护桩桩径为0.8 m，中心间距为1.3 m。施工周边围护桩和冠梁及挡土墙，周圈依次向下开挖土方，施工至第1道钢绞线下方500 mm，在土体中钻孔并张拉钢绞线，围护结构外侧为喷射混凝土面层和钢围檩，重复以上施工步序至基坑底标高[14]。竖向共设置5层对拉钢绞线： 第1层和第2层采用3φs15.2，第3—5层采用4φs15.2，钻孔直径为150 mm。每层设置9道钢绞线对拉，每两边设置3道，水平间距为3.9 m。钢绞线孔距误差不大于100 mm，轴线偏斜率不大于钢绞线长度的2%。张拉采用分级等荷张拉，一端固定，另一端张拉，张拉端与固定端交错设置，每级张拉至压力表无返回现象时进行锁定，张拉控制应力满足设计要求且不超过极限应力值的0.6倍，并进行孔内灌浆。监测桩体和水塔变形，并根据监测情况对锚索张拉进行控制。

4.1.2 注意事项

1)此方法适用于被保护的建(构)筑物无基础或基础较浅的情况。

2)围护结构可以是正六边形或正四边形，正四边形时阳角角度较小，边跨张拉时不利于土体稳定。本次结合地下空间的功能和建筑方案，选用正六边形。

3)本工程施工时无地下水，如果存在地下水，应在基坑施工时进行降水。砂土中钻孔成孔困难时，采用套管跟进。对上部建筑变形要求严格时，可以在钻孔内注浆。在地下空间结构施工完成后，可以根据需要对钢绞线进行拔除。

(a) 平面图 (b) 剖面图

4)竖向各层钢绞线根据变形和围护桩受力确定合理的间距，每层钢绞线上下可错开100～300 mm，避免同一层钢绞线张拉时冲突。

4.2 钢绞线环箍法

4.2.1 方案设计

钢绞线环箍法围护结构平面图和剖面图如图6所示。基坑围护结构为圆形，围护桩桩径为0.8 m，中心间距为1.3 m。施工周边围护桩和冠梁，周圈依次向下施工，施工至第1道钢绞线下方500 mm时，对钢绞线进行张拉，重复以上步序施工至基坑底标高。竖向共设置6层对拉钢绞线： 第1—3层采用4φs15.2，第4—6层采用5φs15.2。

(a) 平面图 (b) 剖面图

4.2.2 注意事项

1)此方法对于被保护的建(构)筑物是否存在地下室均可适用。

2)围护结构应为规则的圆形结构，挂网喷射混凝土也应为圆形，对施工精度要求相对较高。

3)每层设置3个张拉端对钢绞线进行张拉，张拉端由2个工字钢和连接工字钢的连接钢板组成，中间有空隙可以穿越钢绞线，外侧设置锚头承压板，如图7(a)和图7(b)所示。

4)每个围护桩上均应有槽钢对钢绞线进行限位，同时应防止混凝土局部承压破坏，槽钢采用膨胀螺栓固定在围护桩上，且槽钢不宜过长，如图7(c)所示。

(a)剖面图 (c)B节点大样图

4.3 计算分析时需要注意的问题

1)由于周圈采用围护桩并采用钢绞线张拉，此时可以将结构看作是一个整体建筑，即基底标高以下的部分为建筑基础，基底标高以上的部分为高层建筑。

2)对于上部荷载(水塔)对称位于结构中部时，采用《建筑地基基础设计规范》[15]第5.2.1条计算地基承载力； 对于偏心荷载，采用第5.2.2条计算基底压力，并进行承载力验算。

3)围护结构嵌固深度应根据《建筑基坑支护技术规范》[16]第4.1.4条验算，挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力标准值应小于挡土构件嵌固段上的被动土压力标准值。

4)水塔周边基坑挖到底标高时，应验算地基的整体剪切、局部剪切和冲切是否满足要求[17]。

5)钢绞线对拉法计算与内支撑计算相同； 钢绞线环箍法根据内力平衡条件即可计算得到钢绞线拉力值，环向分力可取切线点位置。

6)围护结构与地下空间结构之间的肥槽应回填密实。

5 方案比较

除以上介绍的中心岛法、盖挖逆作法、钢绞线张拉法外，也可以采用托换方案，但存在以下问题： 1)水塔为高耸建筑，托换时倾斜不易控制。2)水塔虽有基础，但中部存在井道，基础一周集中线荷载作用于结构顶板，荷载较大，从而导致结构柱较密，且结构梁、板尺寸较大； 同时，水塔基础埋深比地下空间顶板低，托换后水塔下部可利用空间有限。3)托换部位结构荷载较大，需要设置变形缝或者采取地基处理、结构厚度加强等措施，以减少不均匀沉降对地下空间结构的影响。4)托换费用较高，工期较长。5)由于整个地下空间存在较多的设备房间，水塔基础下方不连通的部分可以设置在非公共空间范围内。基于以上原因，本工程未考虑托换方案。

根据《建筑地基基础设计规范》[15]、《高耸结构设计标准》[18]、《给水排水工程水塔结构设计规程》[19]，水塔的倾斜控制值均为0.006，此处的倾斜是指两端点的沉降差与距离的比值。由于对称开挖，理论上水塔无倾斜。本工程计算的倾斜率为最大沉降值与结构基础宽度之比，用以考虑不对称性施工造成的倾斜。根据计算，水塔变形满足要求。由于竖向设置多道钢绞线，采用钢绞线张拉法变形控制更好，也更容易实现对称施工。本工程中心岛法和盖挖逆作法都是影响水塔周边2跨范围，因此，对比水塔周边围护结构和2跨范围内主体结构的造价，各方案对比如表2所示。由表2可以看出，本工程从工期、造价、变形控制和施工方便性考虑，应优先选用钢绞线对拉法。

表2 方案对比表

6 结论与讨论

1)中心岛法施工时应根据基坑深度、地层、支护方式等情况，合理确定反压土台的上部宽度及放坡坡率，回筑时应尽量减少支撑长度，支撑部位结构应加厚，对于拆撑时结构变形过大的情况可以增加临时斜撑。

2)盖挖逆作法施工时应注意立柱的垂直度以及明、盖挖结合处结构的不均匀沉降，同时，应根据被保护建(构)筑物的变形情况合理确定盖挖段范围。

3)当无地下室或者地下室埋置深度较浅时，可以采用钢绞线对拉法，围护结构为正四边形或正六边形； 当地下室埋置深度较深时，可以采用钢绞线环箍法，围护结构为圆形。

4)钢绞线张拉法周边应对称开挖和施工，竖向间距根据结构变形要求确定，结构施工完成后可以将钢绞线拆除。钢绞线张拉法对地下空间的施工无影响，造价低，通过竖向间距的调整，可以很好地控制建筑物的变形。

上述方法的核心均是通过围护结构与支撑(钢支撑或结构板)或锚索来保持水塔及水塔下方土体的变形与稳定，对地下空间的影响程度基本相同，可以根据工程实际灵活选用。本工程后期实施时已将水塔拆除，钢绞线对拉钻孔施工对建筑物的沉降影响、钢绞线张拉工艺及预应力损失等还需要结合工程实践进一步检验与研究。目前针对超大基坑中部既有建(构)筑物保护的研究较少，但是随着城市地下空间的大力发展以及地下综合体的建设，相关工程案例会越来越多。本文的研究思路可为类似工程提供借鉴，以工程实践对研究成果进行验证，并通过变形分析和倾斜监测等手段对方案进行优化。