关于深基坑支撑体系换撑工序的优化研究

[中图分类号]：TU473.2 文献标志码：B

0 引言

随着我国经济的快速发展，地铁车站建设中地质条件复杂的深基坑工程越来越常见，换撑技术也因其安全、高效的特点在深基坑施工中被广泛应用。目前，常规的换撑方法包括将支撑在侧墙和中板结构一次性浇筑时包于结构侧墙内、将侧墙浇筑至需换撑的支撑下，待侧墙达到设计强度后将支撑换至已浇筑好的侧墙处、利用钢套筒内嵌入型钢+止水钢板+预先铺设防水板的新工艺。

然而，考虑到常规换撑技术在深而狭小的空间内存在工程量大、操作难度大、增加新浇混凝土结构墙受力等缺点，难以满足现场施工要求。因此亟需提出一种新的换撑方法，以适应深而狭小基坑的施工特点，简化施工工序，以期在确保安全的同时进一步提高施工效率。

本文在基坑变形、支撑轴力稳定的前提下考虑采用支架体系代替原有换撑设计方案，通过支撑稳定性分析，结合监测手段确保了优化换撑技术的可靠性。

1 工程概况

地铁 11 号线一期工程 TA02 标浦口万汇城站位于浦滨路与浦口大道路口南侧，横跨康平路设置，地下三层岛式车站。结构形式为地下三层双柱三跨箱型结构，外挂附属 2 层。总长 178m ，标准段宽度 22.3～46m ，底板埋深 26.0～27.8m_⨀ 。车站两端均为盾构接收，共设 4个出入口、1 个换乘通道和 2 组风亭。

车站场地地层厚度分布较为均匀，覆盖层表部为填土，上部以流塑～软塑粉质黏土为主，夹较多薄层粉土、粉砂；中部以中密～密实粉细砂为主，夹少量粉质黏土、粉土夹层；下部以混卵砾石中粗砂为主，工程地质条件较差。不良地质主要为软土、砂土等。

场区地下水类型主要为松散岩类孔隙水及基岩裂隙水。松散岩类孔隙水根据其埋藏条件和水力性质，主要为孔隙式潜水、承压水。近地表分布，主要赋存于浅部① 层人工填土中，孔隙式承压水主要赋存于上部黏性土以下的砂类土和含卵砾石中粗砂中，含水层组主要为漫滩相全新世沉积土层，透水性、赋水性均较好，与潜水的隔水层为微＼～弱透水的粉质黏土，埋藏深度一般在 22m 以下，具承压性，含水层底板为下伏基岩。地表潜水与承压水中间隔水层较厚，联系较差，承压水与下伏基岩裂隙水直接联通。

2 原换撑设计方案

2.1 支撑体系

车站及采用明挖顺作法施工，考虑到车站范围内地质条件差，车站规模较大，周边建筑物较多，主体围护采用 1m（局部 0.8m ）厚地下连续墙。车站主体基坑内支撑的布置如图 1所示，竖向采用6 道支撑 +1 道换撑，第一道支撑为 800mm×800mm 钢筋混凝土支撑，支撑间距 6.5～9m ；第二、三、六道和换撑为=800 钢支撑（ t=16 ），支撑间距3m；第四道支撑为1000mm×1000mm 钢筋混凝土支撑，支撑间距 6.5～9m ；第五道为 =800 钢支撑（ t=20 ），支撑间距 3m_⨀ 。

2.2 换撑施工工序

设计考虑采用换撑施工，以浦口万汇城站标准段施工为例，在负 3 层侧墙施工完毕后依据围护结构监测变形数据判断结构是否需要设置倒撑，当变形速率较小时无需设置倒撑，具体施工工序如下：

（1）开挖到坑底，施作接地、垫层，底板结构、防水，底板纵梁、框架柱，拆除第 6 道支撑；

（2）施工负 3 层侧墙，强度达到设计要求后，观察围护结构监测数据变化情况，当变形数据变化速率较大时设置倒撑，拆除五道支撑，而当变形速率较小时则无需设置倒撑，拆除第五道支撑；

（3）施工负3 层中板，待负3 层中板强度达到设计要求，拆除第四、三道支撑、换撑，施作负2 层边墙结构、立柱上层中板。

（4）待负2 层中板强度达到设计要求，拆除第二道支撑，施作负1 层边墙结构、立柱及顶板。

3 换撑优化

3.1 优化分析

测斜仪监测数据表明，浦口万汇城站基坑开挖过程中围护结构水平位移日变化量小于2mm，开挖至基坑底时水平位移累计最大值为 41.8mm ，至底板浇筑完成、第6 道钢支撑拆除时水平位移累计最大值为 48.9mm ，位移变化较小。同时，支撑轴力监测数据表明，在拆除第6 道钢支撑后第 5 道钢支撑轴力增加仅 27.3KN，轴力增加较小。由此可见，基坑在开挖及拆除第6 道钢支撑过程中基坑稳定性好。

基于上述有利条件，同时考虑到浦口万汇城站基坑标准段钢支撑间距狭小，在负三层换撑操作难度大，换撑时间长，由此增加基坑暴露时间，基坑变形风险增大，因此本项目考虑优化换撑施工。

3.2 优化方案

由于本车站设计 6 道支撑（4 道钢支撑、2 道混凝土支撑），钢支撑间距狭小，负 3 层起重吊装作业困难，同时考虑到基坑变形较为稳定，故对车站标准段及端头井负 3 层取消换撑设计，在负三层第4、第 5 道钢支撑拆除后立即采用扣件通长钢管对撑的支撑体系施作负三层侧墙，侧墙浇筑完毕后支撑体系起到原换撑作用，减小侧墙变形，确保基坑稳定，支撑体系小梁采用 80×80mm 的方木，主梁采用 10#工字钢，布置尺寸为纵距 900mm ，步距 500mm ，小梁间距 200mm ，大梁间距 500mm 。钢管端部设置可调支托，伸出距离不大于 650mm，。

3.3 稳定性分析

浦口万汇城站标准段换撑设计轴力值为 918.7KN/m ，按照第四施工段长 25m ，深 7.35m 及脚手架设计方案，侧墙脚手架对撑钢管有27（长） ×8 （宽） =216 根。根据受力平衡，钢支撑轴力与钢管对撑轴力相同，可计算标准段单根钢管对撑受力为：918.7×25/216=106.3KN，即满足设计要求。

浦口万汇城站端头井换撑设计轴力值为 809.3KN/m ，按照端头井段长 23.3m ，深 9.58m 及脚手架设计方案，侧墙脚手架对撑钢管有 26（长） ×11 （高） ^-286 根。根据受力平衡，钢支撑轴力与钢管对撑轴力相同，可计算端头井单根钢管对撑受力为： 809.3×23.3/286=65.9KN ，即满足设计要求。

水平杆的稳定性计算公式为：

σ=N/ （φA）≤[ f ]

其中， N 表示水平杆的轴心压力设计值（kN），为 55kN； φ 表示轴心受压水平杆的稳定系数，由长细比 L₀/i=1200/15.9=76 查表得到（ L₀ 为计算长度，i 表示计算水平杆的截面回转半径，为 1.59cm ）， φ=0.744 ；A 表示水平杆净截面面积，为 4.24cm² ； σ 表示钢管水平杆最大应力计算值；[ f ]表示钢管水平杆抗压强度设计值，为 205N/mm² 。

钢管立杆的最大应力计算值 56000/（0.744×424）=177.5N/mm² ，小于钢管立杆的抗压强度设计值 [f]=205N/mm² ，满足要求。

4 拆撑后监测及支撑受力情况

4.1 监测情况

为判断换撑优化的有效性，对拆除第五道支撑后一周内浦口万汇城站主体结构的变形监测数据进行了统计。为节省篇幅，本文仅对主体结构第四段内存在围护结构监测点 ZQT08、ZQT09 和 ZQT26 进行分析，监测结果如图 2 所示。从三个监测孔数据来看，基坑在拆除第五道支撑后一周内的最大累计测斜为 55.7mm ，相较拆撑时的累计最大变形增加较小，基坑变形较稳定。可见，本文提出的换撑优化效果较好，能满足换撑设计要求。