大跨托换结构体系在基坑工程中的应用

周书扬

摘要：广州地区某超深圆井施工过程中在表层发掘到文物遗址，为了保证竖井下部功能使用面积不变并妥善保护古文物，在遗址正下方创新性地采用了暗挖导洞（钢格栅及超前锚杆进行支护）梁+大跨托换梁的承托体系设计。

关键词：圆形竖井；文物；托换；有限元

1、工程概况

某竖井工程位于广州市东风路、东濠涌高架与越秀北路交界处，其北侧为东风路，西侧为越秀北路，南和东侧为东濠涌及东濠涌高架。作为盾构施工吊出井，其竖井为圆形，基坑内径Φ17.6m，基坑深约41.5m，盾构施工完成后将该吊出井作为进水竖井。

图1 竖井基坑总平面图

竖井基坑清表过程中，于西南角发掘到古城墙文物遗址（图1），经广州市文物考古研究院鉴定为“属于广州古城考古的重要发现”。鉴于竖井周边用地条件受限以及工艺流道的设计要求，需在不减小遗址下方圆井开挖面积的前提下，确保上部古城墙文物遗址的安全。为满足以上要求，经过多次论证，最终在古城墙遗址下部（即圆井顶部）采用了暗挖导洞（钢格栅及超前锚杆进行支护）梁+大跨托换梁的承托体系。

图2 竖井基坑支护剖面

2、托换体系设计

竖井基坑区域表层4.0m厚度为杂填土，地表以下5.3m埋深进入中风化岩，下覆基岩为白垩系东湖段（k2s2a）碎屑岩，中风化与微风换交替出现。由于基岩裂隙较为发育，裂隙水的含量较丰富。

为确保古城墙文物遗址安全，竖井周边围护桩采用Φ1200@1200密排人工挖孔桩。一方面加大了围护结构刚度，限制围护结构变形；另一方面，密排围护桩可防止桩间渗漏水。基于“古城墙遗址原位保护”的原则，同时满足圆形竖井必要的井体开挖区域，在古城墙遗址下方圆形竖井区域顶部增加了暗挖段结构，用于承托顶部文物遗址，同时充当下部开挖时的顶板结构。

为减小洞体开挖对上部城墙遗址的不利影响，暗挖区域分为三个导洞进行分块、分阶段开挖。导洞梁一端坐落于新鲜中、微风化岩面上，另一端与横跨井体并支承于人工挖孔桩的大梁进行刚性连接，形成完整、可靠的传力体系。

暗挖区域主要施工步骤如下：（1）依次开挖Ⅰ、Ⅱ号导洞并洞内绑扎钢筋；（2）依次浇筑Ⅰ、Ⅱ号导洞梁并浇筑密实；（3）开挖Ⅲ号导洞并施作Ⅲ号导洞内顶板及底板；（4）施作洞口大梁并与3个导洞梁做好连接。暗挖区域分块如图3所示。

暗挖区域分块平面           暗挖区域分块断面

图3 古城墙遗址下方暗挖区域分块施工图

导洞开挖呈马蹄形，单格开挖尺寸为2.0m×3.0m。与导洞梁连接的大梁截面尺寸为1.2m×6.0m。暗挖区域结构断面如图4所示。

暗挖导洞梁结构断面     暗挖梁与主受力大梁连接断面

图4 暗挖区域结构断面图

3、设计亮点

该工程托换体系主要有以下几方面的设计亮点：

（1）由于古城墙遗址属于广州古城考古的重要发现，因此要求基坑开挖过程中古城墙遗址的总位移不得大于10.0mm，对于设计质量和现场控制的要求高；

（2）古城墙遗址正下方平面开挖面积达65.4m2，若一次开挖并施作托换结构，上部变形控制的难度很大。故设计中采用了暗挖法隧道中“分块开挖，分段支护”的设计理念，分5个区块、3个步骤进行开挖，旨在降低一次开挖卸载量，可有效降低工程风险；

（3）单格导洞梁的截面尺寸达到2.0m×3.0m，混凝土的浇筑量大、浇捣难度高。导洞开挖时采用3%的坡率，充分利用混凝土自流动的特性以利于导洞梁混凝土的浇筑密实；

（4）大梁的截面尺寸达到1.2×6.0m，作为主梁受力构件，直接影响了整个结构体系的传力可靠性。设计时先破除大梁高度范围内的圆井灌注桩桩体，并将大梁端部与灌注桩做刚性连接。由于本工程地质条件较好，围护桩体的破除过程是安全、可控的。

4、结构计算与现场实测

鉴于该基坑周边环境复杂且开挖工况复杂，为准确模拟基坑全过程尤其是托换体系施工对古城墙文物遗址的影响，采用MidasGTS建立了三维有限元整体模型，如图5所示。

图6为托换结构体系及文物遗址位移云图。根据计算结果，基坑围护结构最大位移量为11.3mm，且位移较大的区域集中在文物回填土周边挡墙区域；托换体系结构最大位移量为2.5mm；文物回填土区域最大竖向沉降量为4.0mm。

图5 三维有限元模型轴视图（土体隐藏）

托换结构体系位移云图         文物遗址位移云图

图6 位移云图计算结果

周边环境监测情况综述
监测项目		变形最大位置（点号）	累计变形值（mm）	本期变形值（mm）	变形速率（mm/d）	黄色预警值	红色预警值	是否预警	备注
周边建筑物沉降	累计最大	A6	-5.81	-0.31	-0.044	±24mm	±30mm	否	详见表ZCJ
	本期最大	XA17	-4.03	-0.70	-0.100		±2mm/d	否
桥墩沉降	累计最大	XQ15	-3.34	-0.33	-0.047	±8mm	±10mm ±2mm/d	否	详见表QDCJ
	本期最大	XQ14	-3.18	0.72	-0.103			否
基坑围护结构监测情况综述
监测项目		变形最大位置（点号）	累计变形值（mm）	本期变形值（mm）	变形速率（mm/d）	黄色预警值	红色预警值	是否预警	备注
结构深层水平位移	累计最大	C07（4.5m）	8.66	0.85	0.12	±40mm	±50mm	否	详见表C
	本期最大	C07（5.0m）	8.41	0.92	0.13		±3mm/d	否
支撑轴力	累计最大	ZL2-1	2975.5kN	173.1kN	24.73kN/d	4800kN	6000kN	否	详见表ZL
	本期最大	ZL1-1	1616.3kN	579.7kN	82.82kN/d			否

表1 基坑监测值汇总表

表1为2019年4月主体结构基本完工后基坑的最大监测值汇总表，基坑施工过程中围护结构最大深层位移为8.7mm，古城墙文物遗址的最大变形为5.8mm。可见工前的计算预测与现场实测成果虽有一定差别，但趋势和结果基本一致。

5、结束语

托换结构体系一般用在上部结构中，本工程出于文物保护的需要，原创性地采用了暗挖导洞（钢格栅及超前锚杆进行支护）梁+大跨托换梁的承托体系。通过设计阶段充分论证实施过程可能存在的不利因素，并采取了相应的处置措施，此种结构体系在工程中得到了成功的应用。

参考文献：

[1]李欢秋,吴祥云,明治清,等.基坑附近楼房基础综合托换及边坡加固技术[J].岩石力学与工程学报,2003,22(1):153-156.

[2]李靖,徐中华,王卫东.基础托换对基坑周边建筑物变形控制作用的三维有限元分析[J].岩土工程学报,2017(增2):157-161.

[3]袁健,姜峰,蔡毅强,等.既有结构柱位于拟建建筑基坑内的托换施工技术[J].建筑施工,2009,31(3):172-174.