独立双圆环内支撑体系拆换撑条件设计及研究

在各种基坑支护结构形式中，内支撑支护体系常用于深大基坑中。圆环支撑体系是基坑工程中常用的支撑布置形式，具有无支撑区域面积大、有利于土方开挖及地下结构施工、易于避让主体结构竖向构件等优点，尤其适用于超大面积基坑工程，实践中可根据基坑形状、建筑平面布置选择采用具体的圆环布置型式。本文结合不同的主体结构施工工况，进行内支撑拆除条件的优化设计及加固设计，以提高拆撑效率。

1??基坑工程概况

昆明春之眼商业中心基坑开挖深度为22.7?m，总面积为3.4万㎡，周长810?m，由于基坑深度大且邻近盘龙江，场区地下水丰富，周边有高层建筑的地下室及地铁隧道。

基坑支护结构为地下连续墙+混凝土内支撑，其中地下连续墙为两墙合一构件，长45?m（其中嵌固23?m），墙厚1?000?mm，其嵌固深度到达不透水地质层；混凝土内支撑由3道双圆环混凝土内支撑组成，圆环直径分别为104?m和96?m。110?kV文化宫变电站共用3道混凝土内支撑。

基坑A区为北部分区，B区为南部分区，C区为地下变电房，T区为塔楼。其中A1~A7, T1, B5结构对应北侧环撑体系；T2, B1~B4为南侧环撑体系（图1）。

2??拆换撑工况重难点分析

2.1??拆换撑条件设计

原基坑设计单位要求地下室单层结构须同步施工，只有当地下室单层楼板及其换撑同时完成并达到设计强度后，才能拆除相应的整道支撑，为此采取异步解耦优化措施，将南北区分为两个独立体系（表1）。

表1??设计拆撑条件

2.2??拆换撑工况分析

2.2.1??工况可能性分析

拆换撑工况分析见表2。

表2??可能性工况

2.2.2??北区工况分析

主塔核心筒结构为钢板剪力墙结构，工序复杂，单层工期时间长，且主塔场地移交时间较晚。主塔施工进度无法与裙房同步，北区现场条件无法达到工况一。

现场实际工况仅能考虑工况二、三2种工况。此两种工况的重点均为对无法达到内支撑拆除条件的区域采取换撑及加固措施，以确保达到内支撑拆除条件（表3）。

表3??北区可能性工况

2.2.3??南区工况分析

因副塔结构筏板施工阶段略落后于裙房，无法达到整体换撑条件，故仅能考虑工况三；又因副塔结构形式不复杂，且副塔主体结构施工不受内支撑结构限制，而裙房主体结构施工受内支撑结构拆除限制，故在地下室主体施工阶段，副塔进度将先于裙房，仅能考虑工况二（表4）。

2.2.4 ??分析结果

（1）通过对所有可能工况进行假定，根据现场实际工期情况复核，对可能发生的工况拟定对应处理措施。

（2）一旦确定实际工况，按实际情况对支撑体系进行计算分析，对薄弱环节进行加固处理。

3??塔楼水平换撑及加固技术

3.1??塔楼地下室施工工况

地下室主体结构施工中，由于塔楼结构为核心筒–外框形式、裙楼地下室结构为框架剪力墙形式，塔楼钢板剪力墙、钢管柱等构件施工复杂，其施工工艺难度、所需时间远高于裙楼，因此导致塔楼与裙楼的单层施工进度存在较大差异。作为内支撑拆除条件中的部分构件，要满足换撑条件，需保证每个区域水平主要传力结构的施工均已完成。为此，首先假定塔楼周边裙楼（分南区、北区）同步，塔楼考虑实际工期计划和工况进行工况假定。

3.2??副塔筏板工况加固设计

副塔筏板阶段塔楼筏板滞后于裙楼筏板，未达到解耦内支撑拆除条件。从经验判断，南侧中部仅有的裙楼结构筏板不足以抵抗中部围压。同时考虑到南侧围护邻近地铁，按设计经验，在底板平面跨中位置设置了双拼型钢格构内支撑，其规格为双拼H700×300×13×24。

第三道内支撑拆除时，第一、二道内支撑尚未拆除，裙楼筏板已浇筑完成，基坑围压由第一、二道内支撑及结构筏板承担（图2）。根据工况计算可知，底板承受的水平荷载为2?458?kN/m。

对第三道支撑拆除后的裙楼底板受力变形情况进行有限元数值计算，算得的底板应力如图3、图4所示。

计算结果表明，底板应力均为压应力，最大值在8?MPa以下，远小于C40混凝土抗压强度。图5为底板的变形图。最大位移18.2?mm。

临时支撑的最大轴力为4?579?kN。设计采用双拼型钢格构支撑，单根承载力4?662?kN，满足强度要求。

3.3??主塔内嵌结构环梁设计

3.3.1??主塔地下3层结构复核验算

根据计算，工况二和工况三先算出在无主塔楼板参与水平传力的情况下，裙楼楼板不能满足强度和刚度要求。

计算结果表明，此时裙房楼板在主塔开洞处的角点首先出现超过混凝土抗拉强度的拉应力，在距围护墙最近处产生的位移最大。其根本原因是裙房楼板水平承载的刚度和强度不足。

3.3.2??主塔地下3层结构取代补强方案设计

考虑到上述情况，需对无主塔参与的解耦条件进行加固，提出在裙房楼板内靠近主塔处设置内嵌钢筋混凝土环梁。通过试算得到环梁最佳截面参数，如图6、图7所示。

为满足地下室净空尺寸要求，应尽量减小环梁结构梁高，通过增大梁宽提高环梁结构承载力。经设计，北区楼层完成地下4层换撑后，在地下3层设置4?000?mm×500?mm加强环梁能满足楼层结构的变形和应力要求。由于梁高不影响楼层净空且地下室位置天棚做法为吊顶，环梁可作为永久结构，后期不需拆除。在后期机电施工中，增加梁参与机电深化设计，以免造成建筑功能的碰撞。

3.3.3??取代补强方案计算复核

（1）北区地下3层楼板的荷载工况：图8为有限元计算模型，围压为464.5?kN/m。图中深色楼板厚度为200?mm，其余均为150?mm。

（2）地下3层楼板变形计算结果：最大位移发生在东侧，为23.3?mm（图9）。

（3）地下3层楼板最大拉应力为0.97?MPa，最大压应力为10.64?MPa，小于混凝土的抗拉、抗压强度（图10）。

（4）地下3层楼板最大拉应力为1.46?MPa，最大压应力为15.96?MPa，边界上存在局部应力集中（图11）。

3.4??计算分析

（1）经复核，主塔楼筏板在解耦过程中可不参与结构的换撑，周边裙楼结构筏板施工完毕，即可满足解耦条件和拆撑要求。

（2）主塔楼地下3层和地下1层梁板在解耦过程中参与结构的换撑，须与周边裙楼对应楼层协同作业；北区通过在楼板上设置加强环梁，只要截面适当，支撑拆除后地下1层和地下3层楼板的变形和应力均在可控范围内。

（3）副塔楼地下3层和地下1层梁板工况与周边裙楼对应楼层协同作业，经验证结构本身即可满足解耦条件和拆撑要求。

4??裙楼拆换撑条件优化设计

4.1??裙楼地下室施工工况

裙楼地下室结构单个施工分区面积大于2?000?㎡，虽为框架剪力墙结构，但部分分区设有地下车库、人防结构等特殊构件，因此裙楼各分区在同步施工时分区完成时间仍可能不一致。与前述解耦整体要求存在差异，故需考虑裙楼作为分区参与到解耦工作中的可行性及基坑安全状态。

由于裙楼各分区不同步施工时，在解耦的基础上是否满足设计要求仍不能确定，因此基于解耦后的非耦联支撑体系需进一步研究。

按解耦的工况设定裙楼为整体施工，但考虑到现场平面施工组织和流水，一般划分小于2?000? ㎡ 的分区组织施工。根据支撑环梁切向杆件受力原理，支撑角部自成稳定体系，故先施工角部，完成角部部分切向杆件的拆除。

4.2??裙楼施工协同设计及验算复核

对围护墙而言，经拆除条件优化，悬臂支护高度由原来设计的5.4?m增加到9.3?m，其变形和内力将与原设计不同。为确保基坑安全，需对此问题进行复核计算（图12）。

4.2.1??优化后地下连续墙复核

（1）根据设计第一道支撑拆除后围护墙的变形和内力计算结果，地下连续墙墙顶位移为34.61?mm，围护墙负弯矩987?kN·m/m，剪力为156?kN/m。

（2）根据地下2层楼板完成后拆除第一道支撑后围护墙的变形和内力计算结果，地下2层楼板完成后拆除第一道支撑时，围护墙悬臂高度为9.3?m，此时地下连续墙墙顶位移为109.7?mm，围护墙负弯矩为1?370?kN·m/m，剪力为365.7?kN/m。

根据设计要求及周边环境情况，由悬臂9.3m导致的围护墙变形过大，不能满足原设计要求，但围护墙强度满足要求。

4.2.2??换撑措施设计

根据上述计算结果，提出在地下2层楼板梁位置（梁间距一般为8.4?m）设置斜撑（图13）。

地下2层楼板（B2层）设置斜撑后拆除第一道支撑时，围护墙悬臂高度为6.3?m。根据计算，此时的地下连续墙墙顶位移为37.82?mm，围护墙负弯矩为1?100?kN·m/m，剪力为200.7?kN/m。

设置斜撑既可大幅减少围护墙顶位移，又可达到提前拆除支撑的目的，方便地下1层楼板施工。

5??裙房主体薄弱位置加固设计

根据地下室结构施工与拆成协同工况分析可知，南北区均只能达到工况二、工况三。

根据上节计算可知，采用结构板整体承受围压，置换内支撑结构时，结构开洞处、结构降板位置、后浇带位置均为结构薄弱位置。为确保主体结构安全性，需对薄弱位置进行换撑、加固处理。

地下室结构封闭后，可保证主体结构安全。换撑为临时构件，采用可周转的型钢将薄弱位置结构与非整块结构板连接成整体，可确保基坑围压顺利传导。

6??结束语

（1）经计算复核，昆明春之眼商业中心主塔楼筏板在解耦过程中，可不参与结构的换撑，周边裙楼结构筏板施工完毕，即可满足解耦条件和拆撑要求。 

（2）主塔楼地下3层和地下1层梁板在解耦过程中，参与结构的换撑，须与周边裙楼对应楼层协同作业；北区通过在楼板上设置内嵌环梁，只要截面适当，支撑拆除后地下1层和地下3层楼板的变形和应力均在可控范围内。

（3）副塔楼地下3层和地下1层梁板工况与周边裙楼对应楼层协同作业；经验证结构本身满足解耦条件和拆撑要求。

（4）在本工程以裙楼为关键线路工期条件中，可看出因自身结构复杂等特点，主塔楼进度远滞后于裙楼，明显制约裙楼的协同拆撑条件。