錢宏偉,李玉磊
[上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092]
給水廠站水池多采用地下或半地下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)形式與特點:一是結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,基本無中層板,但水池內(nèi)部縱橫向隔墻、堰板等構(gòu)件眾多,外壁板需預(yù)留套管、孔洞等;二是抗?jié)B性及整體性要求高,水池施工完畢后必須進行滿水試驗,觀測水池滲水量,檢查水池抗?jié)B性能。為觀測水池滲水量,及試驗合格后外壁防腐涂料施工質(zhì)量,圍護體系與主體結(jié)構(gòu)之間需預(yù)留操作空間,在水池滿水試驗及池壁防水、防腐涂料施工完成后方可進行基坑肥槽回填。
結(jié)合水池主體結(jié)構(gòu)形式與特點,本文總結(jié)了軟土地區(qū)水池類基坑一般及特殊條件下的幾種換撐設(shè)計,并針對特殊條件下的水池深基坑,提出一種新的換撐設(shè)計思路,為同類設(shè)計和施工提供借鑒。
對于開挖深度較淺,采用一道水平支撐體系的水池類基坑,可僅在圍護樁與底板之間布置傳力帶,待傳力帶強度達設(shè)計的強度80%以上后,拆除第一道支撐,即圍護體與基礎(chǔ)底板間換撐[1]。該位置的傳力帶僅起到支擋圍護結(jié)構(gòu)的抗壓作用,一般為方便施工,采用與底板同厚度、同標(biāo)號的素混凝土,如圖1。
圖1 一般底板換撐示意圖
若在底板及底板傳力帶施工完成、拆除支撐工況條件下,圍護結(jié)構(gòu)變形計算過大,不滿足周邊環(huán)境保護要求或圍護樁抗彎強度要求時,傳力帶也可做成上翻牛腿形式,以縮短拆除支撐工況下圍護結(jié)構(gòu)計算的懸臂高度,控制圍護結(jié)構(gòu)變形及確保周邊環(huán)境安全。上翻牛腿的配筋通過其所受荷載大小按彎剪構(gòu)件計算,如圖2。
圖2 上翻牛腿換撐示意圖
對于開挖深度相對較深,采用二道水平支撐體系的水池類基坑,常規(guī)換撐設(shè)計施工順序為:(1)底板及底板傳力帶澆筑;(2)待底板及底板傳力帶強度達設(shè)計強度的80%以上后拆除第二道支撐;(3)繼續(xù)施工水池壁板、頂板及頂板傳力帶;(4)待主體結(jié)構(gòu)及頂板傳力帶達設(shè)計強度80%以上后拆除第一道支撐;(5)繼續(xù)施工水池頂板以上部分主體結(jié)構(gòu)。頂板傳力帶可間隔開孔,開孔長度一般不小于1 m,以便于人員、材料的內(nèi)外進出,肥槽內(nèi)也可采用中粗砂或局部素混凝土回填,以確?;靥蠲軐嵭裕ㄒ妶D3)。
圖3 常規(guī)底板、頂板換撐示意圖
對于某些半地下式水池,當(dāng)頂板位于現(xiàn)狀地面以上,即第一道支撐以上,且基坑深度較深時,僅在圍護樁與底板之間布置傳力帶、拆除第一道支撐工況下,基坑不能夠滿足穩(wěn)定及圍護樁變形控制要求,此時一般有兩種處理方法。
方式一:在底板傳力帶與第一道支撐之間設(shè)置中間換撐帶。
具體施工步驟為:(1)底板及底板傳力帶澆筑;(2)待底板及底板傳力帶強度達設(shè)計強度80%以上后拆除第二道支撐;(3)繼續(xù)施工水池壁板及中間傳力帶至某一標(biāo)高;(4)待主體結(jié)構(gòu)與中間傳力帶強度達設(shè)計強度的100%后拆除第一道支撐;(5)繼續(xù)施工水池余下部分主體結(jié)構(gòu)。如下圖4 所示。
圖4 底板傳力帶與第一道支撐之間設(shè)置中間換撐帶示意圖
方式二:不設(shè)中間換撐帶。
具體施工步驟為:(1)底板及底板傳力帶澆筑;(2)待底板及底板傳力帶強度達設(shè)計強度的80%以上后拆除第二道支撐;(3)一次性施工完水池壁板、頂板等主體結(jié)構(gòu),支撐與壁板相交處設(shè)止水鋼板;(4)待主體結(jié)構(gòu)施工完成并滿水試驗合格、防水防腐涂料施工完成后,基坑肥槽回填,割除第一道支撐。如下圖5 所示。
圖5 不設(shè)中間換撐帶示意圖
以上兩種方式中:第一種方式中,換撐帶間接將外水土荷載傳遞至主體結(jié)構(gòu)外壁板,故外壁板需按懸臂工況復(fù)核計算外水土荷載作用下的配筋及裂縫,此時外壁板往往壁厚較厚或配筋率較高,造成材料浪費,達不到工程經(jīng)濟性效果;第二種方式中,不設(shè)中間換撐帶,需在第一道支撐上設(shè)止水鋼板,往往水池內(nèi)壁板較多且布置形式較不規(guī)則,導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)止水節(jié)點增多,施工不便,且滲水風(fēng)險增大,外壁板防水效果較難保證。
針對以上情況,利用水池內(nèi)部縱橫向隔墻或璧柱布局特點,提出新的換撐思路。即方式三:利用水池主體結(jié)構(gòu)的扶壁(或璧柱)、內(nèi)部縱橫向壁板作為換撐體系。
以某吸水井及二級泵房深基坑為例。吸水井為半地下式鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu),內(nèi)部被縱橫向隔墻分隔成網(wǎng)格,最大網(wǎng)格約9×6 m;二級泵房地下為帶璧柱的擋土墻式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),璧柱沿墻長間隔約6 m 布置一個作為墻板的支座。吸水井及二泵房為合建結(jié)構(gòu),基坑開挖深度10.15~11.65 m,基坑平面尺寸99.84×38.15 m。
該基坑位于長江漫灘地區(qū),土層自上而下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土,其中淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層厚約30 m。基坑采用30~32 m 長的φ1 000@1 200 鉆孔灌注樁結(jié)合兩排φ800@500 的高壓旋噴樁止水的圍護結(jié)構(gòu)形式,共設(shè)兩道水平支撐,第一道為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),第二道為鋼結(jié)構(gòu),圍護結(jié)構(gòu)剖面見圖6。
圖6 主體結(jié)構(gòu)與支撐、換撐體系相互關(guān)系平面圖
該基坑利用吸水井縱橫向壁板隔墻及二級泵房璧柱作為換撐體系,主體結(jié)構(gòu)璧柱及內(nèi)部縱橫向壁板與基坑支護體系、換撐體系的平面相互關(guān)系如圖7??v向璧柱或吸水井隔墻一般間距約6 m,璧柱或隔墻傳力帶的厚度同對應(yīng)璧柱或隔墻厚度,一般0.6 m或1 m。具體換撐設(shè)計為:(1)底板及底板傳力帶澆筑;(2)待底板及底板傳力帶強度達設(shè)計強度80%以上后拆除第二道支撐;(3)施工主體結(jié)構(gòu)及壁板、璧柱傳力帶至第一道支撐下0.5 m,并壁板、璧柱傳力帶做成上翻牛腿形式支撐在冠梁上,形成圍檁加支點的支撐體系;(4)待主體結(jié)構(gòu)及壁板、璧柱傳力帶強度達設(shè)計強度100%后拆除第一道支撐;(5)繼續(xù)施工余下主體結(jié)構(gòu),待主體結(jié)構(gòu)施工完成、且滿水試驗合格、防水防腐涂料施工完成后,基坑肥槽采用中粗砂回填。
圖7 圍護結(jié)構(gòu)剖面圖(單位:標(biāo)高m,尺寸mm)
針對特殊條件下的三種換撐設(shè)計,以上述吸水井及二級泵房深基坑為例,分別計算基坑圍護結(jié)構(gòu)的受力與變形、主體結(jié)構(gòu)外側(cè)壁板的受力。
根據(jù)三種換撐設(shè)計方式工況可知,在圍護結(jié)構(gòu)選型、支撐布置形式一致情況下,第一、二道支撐最大反力一致,僅圍護樁及外壁板受力、變形不同。圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形包絡(luò)圖如圖8、圖9、圖10 所示。
圖8 方式一圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖
圖9 方式二圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖
根據(jù)圖8~10 及對比表1,第一種換撐方式圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形最大,這是因為第一道支撐拆除后,支護結(jié)構(gòu)形成懸臂狀態(tài)。且該方式外水土壓力荷載水平集中作用在璧柱、壁板-1.0 m 標(biāo)高,璧柱、壁配筋增大約50%。第二種換撐方式需增加止水鋼板節(jié)點,防水施工較為不便,水池滲漏水風(fēng)險增大。
圖10 方式三圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形包絡(luò)圖
該基坑已按第三種換撐方式施工完畢,根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù),圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移23.05 mm,與理論計算基本一致。主體結(jié)構(gòu)滿水試驗一次合格,在保證主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量同時,節(jié)約工期43 d。
本文總結(jié)了一般及特殊條件下?lián)Q撐設(shè)計方法,并提出利用水池主體結(jié)構(gòu)的扶壁(或璧柱)、內(nèi)部縱橫向壁板作為一種換撐體系,在工程實際應(yīng)用中達到了預(yù)期效果,可為同類設(shè)計和施工提供借鑒。