长条基坑内支撑与防护棚组合门架方案探讨

长条基坑内支撑与防护棚组合门架方案探讨

麻元晓

宁海县交通工程建设管理所 浙江 315600

摘要 简要地对西店湾隧道基坑工程特点进行介绍，分析该隧道的降排水需求和施工难点，另外对目前基坑支护的内支撑系统和工地常见防护棚架现阶段情况有不足进行了总结。综合以上方面，构想出适合长条形基坑得可移动拆卸的支撑和棚架组合门架方案，对此结构可靠性进行验证，最后从技术可行性、经济性、工期、施工工序等方面进行比较，该多功能组合门架方案，理论上适合本项目，并有较大的推广潜力。

关键词：基坑；内支撑；防护棚；门架；内力；

一 工程概况

1.1 工程背景

西店湾隧道位于宁波象山港西侧海湾滩涂上，为单箱三室钢筋混凝土结构，长度2.25km,采用了海堤和隧道合建的结构方案，隧道采用明挖顺作法施工。具体施工工序为东侧海堤和西侧围堰填筑成型后隔离海水，中间的隧道场地抽干积水，对滩涂淤泥表层进行水泥搅拌桩加固，之后隧道两侧打设钢筋混凝土灌注桩，地表开槽浇筑混凝土冠梁和支撑梁，随后进行开挖，浇筑箱体后覆土回填。

隧道区表层主要为滩涂沉积土，包括淤泥，含砂淤泥等。厚度1-8m，含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低，固结慢。在堤隧结合路段，地层性质变异性大，软土厚薄不均。隧道基坑为长条形，宽33.8m,最深处为7m, 离海堤坡脚约6m，海堤高出地表约7m。设计基坑围护和箱体结构典型断面图如下图：

图1 西店湾隧道基坑围护和箱体结构示意图

1.2 传统基坑内支撑常见构造

软土地区狭长基坑支护往往采用围护结构加混凝土内支撑体系，较深的跨度较小基坑如车站、沉井、盾构工作井等会考虑顶面第一道支撑采用混凝土支撑，往下根据地质情况增加混凝土或者钢结构支撑。混凝土支撑体系在隧道结构完成后需进行拆除，会产生大量的建筑废弃物，虽然可作为再生建材的原料，但处理能耗巨大。钢支撑系统采用钢管或型钢预制后，现场用焊接或螺栓连接拼装而成，一般情况下钢支撑只能受压，不能受拉。钢支撑可工厂化制作，安装迅速，可反复使用，使用过程中不产生废弃物，具有绿色环保的优点。另一方面，钢结构支撑施工精度要求高，刚度低，对温度和变形敏感，容易失效，可靠性较低。西店湾隧道基坑深度不大，但考虑紧邻重要海堤工程，地下水和潮位较高，无法放坡开挖，而且基坑围护承受水土压力变化较大，选用了较为可靠的混凝土冠梁+一道混凝土支撑的内撑结构。

1.3 施工场地防护棚需求

施工场地防护棚常用于防风雨， 防止掉落，防周边冲击，防止噪音，灰尘。部分防护棚内安装吊车梁，用于吊装输送钢筋钢材等建筑材料，也可用于安装大型构件。本项目隧址位于东南沿海，雨水丰沛，多年平均降雨量1663mm。降水主要集中在5～9月，占全年的65.8％。本地区洪涝灾害的主要暴雨为台风雨，其来势猛、总量大、强度高，所造成的洪涝灾害特别严重，流域20年一遇24小时雨量为332.1mm。隧道场地春夏雨季降水大，围堰仅考虑施工期洪水标高，在台风雨季容易被越浪漫流到基坑内，因此排水工作繁重。另外基坑暴露于海边无遮挡，周边风速较大，养护条件差，导致混凝土浇筑时散热快，内外温差大，可能导致箱体大体积混凝土开裂。

图2 西店湾隧道基坑场地积水情况

二 内支撑和棚架组合方案

2.1 原支撑方案

原设计基坑围护方案，采用排桩围护+混凝土内支撑体系，工艺成熟可靠，地层适应性强，安全系数较高，但也仍有一些问题需要克服。首先是约1600m长基坑段需要设置混凝土支撑梁，数量众多，工程造价高；其次支撑梁密集，如果不设置坑内施工栈桥或便道，只能在场边取土，土方作业效率低，降水、防水卷材铺设、钢筋绑扎等作业大受影响；另外钢格构柱割除、混凝土支撑破拆等工序危险性大、流程时间长，影响整体工期；还有需要考虑的是，该场地为保持干燥施工环境，没有防雨棚，需要经常抽排水，基坑内若泡水，影响围护桩侧壁防护成型；最后值得一提的是，该隧道结构为半填半挖，箱体部分露出地表，浇筑时需要设置外模板，而且折板型顶模板没有悬挂点，明挖隧道常见的满堂脚手架支模虽然经济便利，但难以解决该外模问题。

2.2 新支撑方案介绍

针对以上施工难点痛点，笔者设想如下解决方案，将门架式钢结构防护棚和钢支撑结合在一起，形成如下图3，防护棚柱脚在冠梁轨道顶上行走，可拆卸的支撑梁设置在轨道侧面，根据箱体单段浇筑长度,设置5～10m一个门架节段，挖机出土作业区10m范围为2榀门架不带支撑梁，方便挖机作业,前方未开挖区设置4榀门架带支撑梁间距5m，后方垫层和侧墙浇筑区门架带支撑梁间距5m，箱体顶板浇筑区采用不带支撑梁的门架。 箱体浇筑养护完成后，门架立柱支座可用千斤顶顶推滑动。门架顶设置可卷起的防水布，雨天可展开，有台风时收起。 门架支座用工字钢在H型钢内滑动，可提供部分横向支撑力，侧面横撑扣住H型钢，防止支座向上脱开。

图3 支撑梁与防护棚组合门架方案

三 新方案可行性论证

3.1 技术可行性论证

组合门架是一个空间的整体框架结构，主要受基坑两侧的土体土压力载荷、门架自重、侧面风荷载或混凝土浇筑振捣荷载、竖向模板或者吊车荷载。该整体框架结构的受力分析有两种不利情况: 其一是开挖段，无横向支撑，门架水平载荷的受力载荷分析，水平载荷主要为土压力通过支座轨道、立柱传递到门架上; 其二是垂直载荷作用下的门架受力，主要为混凝土浇筑悬挂顶模时传递下来的模板重量。仅简单计算，垂直荷载和混凝土浇筑振捣荷载相对于土压力为相对小量，对立柱荷载效应方向相反，该作用对结构有利，故可忽略不计，计算开挖过程中的门架受力即可。将启明星基坑支护结构分析软件对西店湾隧道基坑多处不利断面试算得到的单道支撑最大轴力，均布施加在冠梁上，冠梁和不同区段的门架一起协同受力。用三维杆系有限元结构分析软件midas civil建模计算得出，最不利位置出现在立柱上缘，最大主应力为220MPa， 柱脚最大位移约50mm，门架的强度和刚度满足规范要求。

3.2 经济效益分析

一节隧道箱体，从开挖到浇筑完成养护大约需要1个月，按此推算，一个作业区段大约需要16榀钢架，总用钢梁估计为1000吨，按两作业区段计算，该方案约需要840万。 原设计支撑梁C30砼6600m³，立柱桩C45砼17000 m³，钢格构柱570t，合计约2700万元， 从工程材料费用上，支撑梁和防护棚组合门架方案有相当优势，另外，有防护棚架可以节约抽排水、箱体浇筑模板支架、换撑、拆撑等措施和费用，纵向止水带也相应减少。基坑开挖和浇筑基本上可以在接近室内环境进行，受天气影响小，作业环境到底改善，混凝土养护质量切实可靠。没有支撑梁安装和拆除工序干扰，施工进度也将更有保障。

四 结束语

支撑梁和防护棚组合门架方案由移动式防护棚和可拆卸支撑梁组成，门架柱行走在冠梁滑轨上，支撑位于滑轨侧面。西店湾隧道狭长基坑位于地势较低处，降雨频繁，昼夜温差大，环境较恶劣。基坑开挖时门架中加密支撑梁，确保围护结构安全和变形可控；基坑箱体浇筑时拆除支撑梁，利用棚架吊装材料和模板；浇筑完后进行顶推或者牵引前进，通过侧墙与拱顶施工节奏的配合，有效提高支撑梁的使用效率。该方法利用了组合门架施工灵活、功能全面、便于操作的特点，同时实现了自移动功能，避免了内支撑系统的反复拆卸与搭设的繁琐工序。该方案为全钢结构，安装精度要求高，施工过程需要加强维护和观测，总体而言提高了施工效率，又降低了施工成本，在长条形基坑中值得推广应用。

参考文献

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