趙宇超

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

剪力墻、柱等混凝土結(jié)構(gòu)豎向傳力構(gòu)件，在施工過(guò)程中一般采用對(duì)拉螺桿的模板支撐體系，通過(guò)混凝土水平側(cè)壓力自平衡來(lái)完成澆筑工作。但對(duì)于一些特殊情況，如場(chǎng)地支撐空間狹小，也會(huì)采取僅在外側(cè)使用支撐架體等外部結(jié)構(gòu)形式來(lái)支撐豎向構(gòu)件混凝土澆筑時(shí)模板的水平側(cè)壓力，該施工工藝一般稱為單面支模。

單面支模大致可分為2類：一類為依然使用對(duì)拉螺桿，僅在豎向構(gòu)件的一側(cè)布置較為傳統(tǒng)的模板體系，另一側(cè)根據(jù)實(shí)際情況使用其他體系代替模板，如地下室工程施工外墻時(shí)，在地下連續(xù)墻或排樁等圍護(hù)體系上后植對(duì)拉螺桿，并以地下連續(xù)墻等圍護(hù)體系作為外模的施工方法[1-2]，這類單面支模施工工藝實(shí)際原理與常規(guī)對(duì)拉螺桿施工工藝相似；另一類則完全摒棄對(duì)拉螺桿，僅依靠外部結(jié)構(gòu)支撐豎向構(gòu)件混凝土澆筑時(shí)的水平側(cè)向力[3-4]，可以算是更為狹義的單面支模。

本文針對(duì)后一類單面支模進(jìn)行研究與探討，后文中單面支模均指代后一類單面支模。顯然，后一類單面支模成形的混凝土墻、柱由于不存在對(duì)拉螺栓孔，墻面自身具有出色的密封性能，尤其適用于對(duì)密封性能具有較高要求的部位，如有高防水要求的地下室外墻等。但由于混凝土水平側(cè)壓力隨著澆筑高度的增加而急劇加大，單面支模對(duì)于支模體系具有較高的強(qiáng)度與剛度要求，難以使用常規(guī)的模架進(jìn)行設(shè)置，因此，往往會(huì)導(dǎo)致較高的建造成本。另外，單面支模模架體系一般尺寸較大，對(duì)于施工環(huán)境也有較高要求，很難在復(fù)雜工況下應(yīng)用，且一般僅限應(yīng)用于施工6 m以下高度的墻，所以單面支模工藝的應(yīng)用仍然相對(duì)有限。

本文以上海大歌劇院歌劇廳下部深基坑外墻的施工為背景，研究并實(shí)踐一種超高深基坑外墻單面支模施工技術(shù)，對(duì)其原理、設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹與總結(jié)。目前，上海大歌劇院歌劇廳深基坑外墻已經(jīng)施工完成。

1 工程概況

上海大歌劇院包含大、中2個(gè)歌劇廳，如圖1所示。歌劇廳舞臺(tái)下方為放置機(jī)械設(shè)備的舞臺(tái)深坑。舞臺(tái)深坑底板頂面標(biāo)高為－25.30 m，相較常規(guī)區(qū)域－9.30 m大底板面標(biāo)高的深度為16 m，且在局部深基坑施工過(guò)程中，基坑中水平支撐和立柱布置十分復(fù)雜。

為了保證深基坑結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，提高地下室外墻防水密封性，對(duì)2個(gè)歌劇廳的舞臺(tái)深坑高達(dá)16 m外墻采取了鋼模架單面支模技術(shù)進(jìn)行施工。首先對(duì)16 m單面支模鋼模架的具體工作原理進(jìn)行了探討，并對(duì)其進(jìn)行施工階段數(shù)值分析；然后通過(guò)建立復(fù)雜深基坑施工階段精細(xì)化數(shù)字模型，設(shè)計(jì)并制定切實(shí)可行的施工順序及施工工藝，進(jìn)而通過(guò)可視化方式直接指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工作人員，以保證復(fù)雜工藝細(xì)節(jié)可視化及現(xiàn)場(chǎng)施工的便利性；最后對(duì)該16 m超高外墻單面支模施工工藝進(jìn)行了總結(jié)與討論。

2 原理與施工過(guò)程分析

2.1 單面支模模架體系

舞臺(tái)深坑外墻施工前置工序完成后，深坑剖面如圖2所示，深坑外部為混凝土排樁，在深坑底板澆筑完成后，深坑中部仍需保留第2道混凝土支撐，單面支模的施工目標(biāo)即為深基坑周邊的混凝土外墻。其中，左側(cè)外墻高度為10.2 m，右側(cè)外墻最高達(dá)16 m。對(duì)于最高為16 m的外墻，本施工工藝采取分6個(gè)施工階段（步驟1—步驟6）澆筑混凝土的施工方案，每個(gè)階段澆筑混凝土外墻高度分別為2.5、2.5、2.4、2.8、2.9、2.9 m，各階段中均需將外墻模板支撐于單面支模模架體系上。

圖2 深坑剖面示意

單面支模模架體系的典型構(gòu)件如圖3所示，構(gòu)件所用材料為：立柱，18#工字鋼；板墻拉桿，16#工字鋼；排樁上拉桿、大底板拉桿，14b#槽鋼。鋼立柱間距原則上為700 mm，支架內(nèi)側(cè)距離模板原則上為1 000 mm。第1—第5階段的排樁上拉桿一端拉結(jié)于工字鋼立柱上，另一端拉結(jié)于種植在外墻外部混凝土排樁上的鋼筋上，第6階段排樁上拉桿直接拉結(jié)在頂部基坑大底板的埋件上；第2—第6階段的板墻下拉桿一端焊接于工字鋼立柱上，另一端焊接于上一個(gè)施工階段預(yù)先埋設(shè)在外板墻上的埋件上。

圖3 單面支模體系示意

在混凝土模板和立柱間采用如圖4所示的頂托體系。模板頂托一端支撐于外墻模板體系上，另一端支撐于18#工字鋼立柱上。即混凝土外墻澆筑時(shí)對(duì)模板的水平側(cè)壓力首先通過(guò)頂托體系傳遞至鋼架上，再通過(guò)鋼架上、下拉桿將荷載傳遞至施工完成的基坑混凝土底板外墻和排樁，從而逐段將深坑外墻從下向上完成施工。

圖4 可調(diào)節(jié)頂托支撐體系示意

2.2 施工過(guò)程與原理

單面支模鋼架體需根據(jù)施工階段分別安裝或拆除構(gòu)件，具體施工過(guò)程如下。

步驟1：如圖5（a）所示，首先需要吊裝第1施工階段的立柱，并安裝大底板拉桿和第1階段排樁上拉桿。施工第1階段外墻鋼筋籠時(shí)，在鋼筋籠中預(yù)留第2施工階段板墻下拉桿埋件。此后，分別施工模板排架體系和可調(diào)節(jié)頂托體系，完成后即可澆筑混凝土，第1階段外墻混凝土澆筑高度為2.5 m。

步驟2：如圖5（b）所示，當(dāng)混凝土強(qiáng)度不小于1.2 MPa時(shí)，即可拆除第1階段外墻模板、頂托與排樁上拉桿，隨后安裝第2施工階段排樁上拉桿與板墻下拉桿，并預(yù)留第3施工階段板墻下拉桿埋件。待模板排架體系和可調(diào)節(jié)頂托體系搭設(shè)完成，且第1施工階段的混凝土外墻強(qiáng)度達(dá)到75%后，澆筑第2施工階段的外墻混凝土，第2階段外墻混凝土澆筑高度為2.5 m。

步驟3—步驟6：后續(xù)每個(gè)施工階段的流程均與此前相似，逐層上“爬”即可。當(dāng)混凝土強(qiáng)度不小于1.2 MPa時(shí)，即可拆除前一個(gè)階段的外墻模板、頂托體系與排樁上拉桿，隨后安裝本階段排樁上拉桿與板墻下拉桿，并預(yù)留下一個(gè)階段的板墻下拉桿埋件。但針對(duì)各個(gè)階段的實(shí)際工況，需要對(duì)單面支模施工工藝進(jìn)行一定修正。對(duì)于本工程第3階段，需要同時(shí)澆筑深坑外墻與混凝土換撐；在第4階段施工前，需要將第2道深坑混凝土支撐拆除；對(duì)于圖5中左側(cè)10.2 m高外墻，其混凝土澆筑僅需4個(gè)階段即可完成，而對(duì)于16 m高外墻，還需進(jìn)行第5、第6階段澆筑。

圖5 施工過(guò)程示意

2.3 施工過(guò)程分析

使用計(jì)算軟件SAP2000非線性施工模塊，對(duì)本工程各個(gè)施工階段單面支模模架進(jìn)行施工過(guò)程分析。

2.3.1 荷載

根據(jù)GB 50666—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》[5]和GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[6]，由于中歌劇廳深坑外墻施工時(shí)基本處于冬季，外界溫度相對(duì)較低，因此混凝土對(duì)模板側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按照式（1）計(jì)算，即相當(dāng)于流體壓力。式中：F——水平側(cè)壓力；

γc——混凝土重度；

H——混凝土澆筑高度。

除去最終施工階段，每個(gè)施工階段間的施工縫采用圖6的形式進(jìn)行設(shè)置，從而提供施工縫處抗?jié)B性能。

圖6 施工縫處理方法

因此，實(shí)際每一施工階段頂部與底部側(cè)?；炷羵?cè)壓力計(jì)算高度均需增加0.3 m，第1—第6施工階段的實(shí)際荷載如表1所示。

表1 各施工階段混凝土側(cè)壓力標(biāo)準(zhǔn)值

在計(jì)算模型中，混凝土側(cè)向荷載施加于導(dǎo)荷載線上，導(dǎo)荷載線將荷載傳遞給頂托，最終傳遞到立柱上。根據(jù)支座形式，單面模架上拉桿與排樁的連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)按照鉸支座計(jì)算，其他所有支座均應(yīng)按照固定支座進(jìn)行計(jì)算。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果

架體變形采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行計(jì)算，架體典型變形如圖7所示，各階段最大變形分別為：步驟1，3.4 mm；步驟2，4.9 mm；步驟3，4.7 mm；步驟4，6.2 mm；步驟5，6.0 mm；步驟6，5.3 mm。

圖7 架體典型變形

架體承載力采用設(shè)計(jì)值進(jìn)行計(jì)算，考慮桿件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，各階段中模架最大應(yīng)力比截面出現(xiàn)在立柱上，為0.838。該應(yīng)力比出現(xiàn)于第4、第5施工階段立柱與板墻下拉桿連接節(jié)點(diǎn)處。因此，變形和強(qiáng)度均可以滿足安全需求。

3 精細(xì)化三維數(shù)字模型

上海大歌劇院舞臺(tái)深基坑施工工況非常復(fù)雜，其主要體現(xiàn)在以下3點(diǎn)：

1）墻、柱和梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件分布不規(guī)則，存在大量的混凝土內(nèi)、外墻交錯(cuò)布置情況。

2）部分舞臺(tái)深基坑位于施工用混凝土棧橋下方，難以進(jìn)行吊裝操作。

3）舞臺(tái)深坑施工過(guò)程中除第2道混凝土支撐外，還存在大量的第1道與第3道暫不拆除的混凝土支撐。

綜上所述，單面支模由于模架搭設(shè)需要一定空間，對(duì)施工環(huán)境一般有較高要求，因此本工程深基坑的復(fù)雜施工環(huán)境對(duì)于單面支模施工方法較為不利，不僅工人難以理解單面支模施工工序，過(guò)多不同標(biāo)高的平面圖紙對(duì)技術(shù)與管理人員的深化和現(xiàn)場(chǎng)指揮也造成了挑戰(zhàn)。因此，通過(guò)建立深基坑各施工階段的精細(xì)化三維數(shù)字模型，可以幫助現(xiàn)場(chǎng)施工管理人員與工人提高對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的理解，提前分析現(xiàn)場(chǎng)可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題，準(zhǔn)備解決方案及應(yīng)急預(yù)案，進(jìn)而保證施工順利進(jìn)行。

預(yù)計(jì)施工完成后所有內(nèi)、外墻的三維模型如圖8所示，由于舞臺(tái)深坑功能性要求，其內(nèi)外墻、門洞、梁等各類構(gòu)件錯(cuò)綜復(fù)雜；基坑施工過(guò)程中，混凝土棧橋及支撐構(gòu)件的模型如圖9所示。

圖8 深坑內(nèi)、外墻數(shù)字模型

圖9 混凝土棧橋及支撐

由此可見，只有根據(jù)精細(xì)化的三維模型，才能更高效、合理地設(shè)計(jì)單面支模體系的部署，從而進(jìn)一步總結(jié)施工要點(diǎn)。

以圖10所示的工況為例，在深坑外墻開始施工時(shí)，深坑中仍保留有全部的第2道混凝土支撐，該支撐會(huì)導(dǎo)致支撐處部分鋼立柱無(wú)法直接全長(zhǎng)施工，必須部分全長(zhǎng)施工、部分割斷。待后續(xù)混凝土支撐拆除后，再在現(xiàn)場(chǎng)向上接至全長(zhǎng)，以施工后續(xù)階段的深坑外墻。該類問(wèn)題在平面圖紙上無(wú)論是表述還是深化解決方案均十分煩瑣，容易出錯(cuò)，但在三維精細(xì)化模型的幫助下可以得到十分清晰的反映，從而進(jìn)一步保證了工人與管理人員對(duì)施工方法的理解，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)的施工效率。

圖10 混凝土支撐及短立柱

4 實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)

圖11（a）為中歌劇廳舞臺(tái)深坑混凝土外墻第2階段單面支模體系實(shí)際施工照片，圖11（b）為現(xiàn)場(chǎng)澆筑完成結(jié)構(gòu)面。可以看出，完成面無(wú)螺桿孔道，防水效果十分出色。目前，深坑外墻混凝土澆筑已經(jīng)全部完成。

圖11 施工現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)16 m超高深基坑外墻單面支模施工工藝。從技術(shù)、造價(jià)和施工管理這3個(gè)方面出發(fā)，對(duì)該施工工藝總結(jié)如下：

1）技術(shù)。本施工技術(shù)具備可行性。本工程舞臺(tái)深基坑外墻的實(shí)際施工均按照本施工工藝原則進(jìn)行，其強(qiáng)度與變形均滿足安全要求。

2）造價(jià)。相對(duì)于傳統(tǒng)對(duì)拉螺桿施工，該施工方法施工成本和時(shí)間成本均相對(duì)較高，總體而言適用于對(duì)質(zhì)量要求較高的工程項(xiàng)目。

3）施工管理。本施工方法作為一種新工藝，在施工過(guò)程中需重點(diǎn)關(guān)注細(xì)節(jié)質(zhì)量，如陰角處工字鋼定位，頂托是否頂緊至工字鋼立柱上等。這類細(xì)節(jié)是保證整體施工質(zhì)量的重點(diǎn)。

除施工方法原理以外，本文還對(duì)深坑單面支模進(jìn)行了施工過(guò)程分析，并通過(guò)3D數(shù)字模型制定具體施工部署，提高施工過(guò)程可視性，進(jìn)一步保證工人與管理人員對(duì)施工方法和工序的充分理解。通過(guò)理論分析與實(shí)際應(yīng)用，該單面支模施工工藝技術(shù)上有保證，具有推廣價(jià)值；而在管理層面需要重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵點(diǎn)的施工質(zhì)量，且該施工方案成本相對(duì)較高，因此本施工工藝一般適用于對(duì)質(zhì)量要求較高的工程。