CN110468849B - 一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法。所述方法针对桩撑支护体系因地表高差导致的支护桩悬臂段,在不增加内支撑道数,且不改变内支撑标高和布置形式的前提下,通过增大支护桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距的方式,利用增大支护桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距可提高支护体系抗弯能力的原理,来完成对支护桩悬臂段位移的限制,满足基坑整体的受力平衡。本发明有效控制了桩顶悬臂段的位移,满足基坑整体的受力平衡,又能降低工程造价,同时施工方便,节省工期,具备很高的推广应用价值,通过工程案例的实践,表明了专利所提方法的有效性和适用性。
Description
技术领域
本发明涉及基坑支护领域,具体涉及一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法。
技术背景
基坑工程是一个系统性的工程,既包含岩土工程问题又包括结构工程问题,因此基坑工程具备了地域性、综合性、实践性和风险性等特性。它既是一个综合性的岩土工程问题,又是涉及到土层与支护结构共同作用的复杂问题。由于基坑工程本身不仅存在安全与稳定问题,而且还存在因土方开挖引起的周围地层移动而危及相邻建筑物、地下管网和城市市政设施的正常使用的问题,特别是旧城改造,由于周边环境复杂,对深基坑开挖提出了更高的要求,基坑支护结构的设计也由强度控制逐渐向变形控制的方向发展。
在山地城区的基坑支护中,由于基坑周边的建构筑物对超深基坑变形敏感,且综合考虑到工程造价等相关因素,超深基坑的支护往往会采用支护桩+内支撑的方案。同时,因为山地城区场地的地势起伏较大,基坑的两端常常会有较大高差,导致基坑支护方案中存在着桩顶悬臂段支护段。桩顶悬臂段支护段难以控制基坑的变形,且基坑整体受力不平衡,因此需要考虑采取必要措施予以加强处理。
现有工程中控制支护桩悬臂段位移常用的加强方案为:①内支撑道数不变,采用双排桩方案;②在支护桩桩顶增加一道内支撑,支护桩排数不变。第①种方案中,全部采用双排桩方案,大大增加了工程造价,导致工程造价过高;第②种方案中,在支护桩桩顶增加一道内支撑,提高了土方报价,也增加了工程造价造价,同时增加了土方开挖难度,大幅增加工期,延缓施工进度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,该处理方法在不增加内支撑道数,不改变内支撑标高以及布置形式的情况下,通过对山地城区超深基坑内支撑支护体系因地表高差出现支护桩悬臂段区域的基坑围护桩桩径增大、内支撑结构的主撑间距减少以及在基坑围护桩外侧增设后拉墩来提高支护体系抗弯能力,控制桩顶悬臂段的位移,满足基坑整体的受力平衡。
为了解决上述技术问题,本发明提供的技术方案:所述一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,适用于两端具有较大高差的超深基坑中,该超深基坑的基坑支护体系包括基坑围护结构和基坑内支撑,在基坑地表标高高的一端形成支护桩悬臂段区域,其特征在于该处理方法是针对支护桩悬臂段区域进行处理,具体步骤如下:
(1)根据《建筑基坑支护技术规程》中的支护桩正截面受弯承载能力M的计算公式得到支护桩正截面受弯承载能力Mcr与该支护桩半径r的成三次正比例关系;并按照基坑设计要求确定悬臂段区域支护桩最大弯矩M1为无悬臂段区域支护桩最大弯矩M2的n1倍,计算出悬臂段区域支护桩桩径r1与无悬臂段区域支护桩桩径r2的关系为:
(2)分别计算出悬臂段区域内支撑最大轴力N1和无悬臂段区域内支撑最大轴力N2,并计算出两者的比例系数n2=N1/N2,由于内支撑轴力N与内支撑间距S呈正比,其N1/N2=S1/S2,其中S1为悬臂段区域内支撑的间距,S2为无悬臂段区域内支撑的间距,便可以按照公式S1=n2 S2计算出悬臂段区域内支撑的间距S1;
(3)按照设计要求施工无悬臂段区域的围护结构和基坑内支撑,施工至悬臂段区域时,按照步骤(1)和步骤(2)中计算公式分别计算出悬臂段区域中支护桩桩径r1和内支撑的间距S1,将无悬臂段区域围护结构的支护桩桩径进行扩大至步骤(1)中计算的悬臂段区域支护桩桩径r1,同时对无悬臂段区域围护结构内支撑间距缩小至步骤(2)中计算的悬臂段区域内支撑的间距S1,然后按照新的桩体半径以及内支撑间距施工悬臂段区域围护结构的支护桩以及内支撑,其它施工参数以及施工过程均与无悬臂段区域围护结构的支护桩和基坑内支撑相同;
(4)在悬臂段区域的围护结构支护桩施工的同时,在围护结构支护桩后方布设多个后拉墩,每个后拉墩分别通过连梁与围护结构支护桩连接;每个后拉墩由3~5根支护桩及桩顶冠梁组成,后拉墩的支护桩桩径、桩长、桩间距以及配筋均与无悬臂段区域的围护结构支护桩桩径、桩长、桩间距以及配筋相同,相邻后拉墩的间距为每个后拉墩中相邻两个支护桩间距的2~5倍;所述围护结构支护桩与后拉墩支护桩同步施工,然后进行桩顶冠梁以及连梁的施工,最后冠梁与连梁整体浇筑,完成整个悬臂段区域的围护结构的加强处理。
本发明进一步的技术方案:所述步骤(1)中支护桩正截面受弯承载能力M的计算公式如下:
αt=1.25-2α ③
式中,M—桩的弯矩设计值(kN·m);
fc—混凝土轴心抗压强度设计值(kN/m2);
A—支护桩截面面积(m2);
r—支护桩的半径(m);
α—对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值;
fy—纵向钢筋的抗拉强度设计值(kN/m2);
As—全部纵向钢筋的截面面积(m2);
rs—纵向钢筋重心所在圆周的半径(m);
αt—纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值,当α>0.625时,取αt=0。
本发明较优的技术方案:在步骤(4)悬臂段区域的围护结构的加强处理完成后,进行基坑后期施工过程中,通过对桩顶位移的监测判断悬臂支护结构的加强效果;当桩顶位移随开挖工况缓慢发展,且最终稳定值不超过一级基坑的要求,则可判定其加固效果良好。
本发明较优的技术方案:所述悬臂段区域围护结构的支护桩的桩径增大梯度为100mm,增大上限为500mm,且桩径不超过1500mm;所述悬臂段区域围护结构内支撑的缩小间距梯度为100mm,缩小上限为2m,且内支撑间距不小于7m。
本发明较优的技术方案:所述步骤(4)中后拉墩与基坑围护桩的净间距为后拉墩支护桩桩径的2~5倍,所述连梁的长度等于后拉墩与基坑围护桩的净间距,宽度为0.8~1.5m,高度低于后拉墩桩顶冠梁和围护结构支护桩桩顶冠梁高度的150~250mm。
本发明较优的技术方案:所述步骤(4)中施工的后拉墩避开内支撑与腰梁的交点进行布设。
本发明较优的技术方案:所述步骤(4)中施工内支撑时,内支撑一端撑在基坑地势低端的基坑围护桩桩顶冠梁上,另一端撑在基坑地势高端的基坑围护桩腰梁上,且内支撑与腰梁的交点处针对箍筋加密,并加长主筋锚固长度。
本发明较优的技术方案:所述步骤(3)中悬臂段区域围护结构的支护桩除了扩大桩径之外,其桩体净间距、桩长、桩体配筋、桩体浇筑混凝土以及桩体施工过程均与无悬臂段区域围护结构的支护桩相同;悬臂段区域围护结构的内支撑除了缩小间距外,其它施工参数以及施工工艺均与无悬臂段区域围护结构的内支撑施工相同。
本发明中的超深基坑地势起伏较大,导致基坑两端产生较大高差;所述超深基坑深度较深,且周边紧邻市政主干道、民用建筑、学校等对位移敏感的建构筑物;在基坑地势较高区段,支护桩桩顶存在悬臂段,存在悬臂段的支护桩难以有效控制该侧基坑地面位移,基坑整体受力不平衡,影响基坑及周边建构筑物安全。本发明在保持原支护方案的内支撑道数及布置形式不变,增大前排桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距,并在支护桩外侧的后拉墩,后拉墩与前排支护桩通过桩顶冠梁及连梁连接,对悬臂段区域进行处理。
本发明中的方法在不需要增加内支撑道数的情况下,通过对山地城区超深基坑内支撑支护体系因地表高差支护桩悬臂段区域的基坑围护桩桩径增大、内支撑结构的主撑间距减少以及在基坑围护桩外侧增设后拉墩,从而提高了支护体系抗弯能力,能有效解决支护桩悬臂段位移难以控制的问题,满足了基坑整体的受力平衡。并通过工程案例的实践,表明本发明中的处理方法具有有效性和适用性,并且还降低了工程造价,同时施工方便,节省工期,具备很高的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明的平面示意图;
图2是本发明的局部放大示意图;
图3是图2中AA’剖面示意图;
图4是本发明实施例中的支护结构剖面图;
图5是本发明的实施流程图;
图6是本发明实施例中的支护结构监测位移趋势图。
图中:1—基坑,2—支撑结构,3—后拉墩,3-1—支护桩,3-2—后拉墩冠梁,3-3—连梁,4—支护桩悬臂段区域,5—基坑围护结构,5-1—基坑围护桩,5-2—围护桩冠梁。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。附图1至图4为实施例中的施工结构附图,采用简化的方式绘制,仅用于清晰、简洁地说明本发明实施例的结构。图5是本发明中施工流程简图,以下对在附图中的展现的技术方案为本发明的实施例的具体方案,并非旨在限制要求保护的本发明的范围。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
下面结合具体实例对本发明的应用进一步说明,该应用实例针对某一基坑工程进行了具体实施,其工程概况:场地设一栋高约330m的主塔楼、一栋高约187m的公寓楼,整体设置四层(局部三层)地下室,采用整体现浇桩筏基础形式。基坑面积约37285.3m2,基坑垂直开挖线周长约830.5m。根据建设方提供的资料及详勘报告资料,基坑开挖深度在12.0m到23.1m之间,属于超大超深基坑。基坑周边邻近市政主道路且地下管线众多,且临近民用建筑、学校、省级文物保护单位等,对基坑位移较为敏感。该施工区域的基坑支护是采用单排围护桩+三道内支撑的方案进行围护,其围护桩的桩径为1000mm,桩中心距为1400mm,其桩体净间距为400mm,沿所有围护桩外侧设置一排桩径850mm,桩中心距600mm的三轴水泥土搅拌桩止水桩,三道水平钢筋混凝土支撑的间距为10m。根据地质勘查报告,其基坑较高的一侧深度为23.1m,且基坑该侧地势较高,相较于北侧地面高差达到6m。杂填土较厚,围护桩会穿过杂填土、泥炭质土、黏土、粉土等土层,并且在围护桩底部存在多层抗剪强度较低的泥炭质土,对于支护体系限制基坑侧壁位移不利,在高度较大的一端会出现支护桩悬臂段区域,为了避免该区域的围护结构出现位移导致基坑整体受力不平衡,出现基坑变形,该项目的发明人针对支护桩悬臂段区域采用本发明的加固结构,增加后拉墩+单排支护桩(增大桩径)+三道内支撑(减小间距)方案。
实施例中的施工结构具体如图1所示,包括两端具有较大高差的超深基坑1,在基坑1外围设有基坑围护结构5,基坑内设有支撑结构2,所述基坑围护结构5包括基坑围护桩5-1和置于基坑围护桩5-1顶部的围护桩冠梁5-2,所述超深基坑由于地势起伏较大,导致基坑两端高差较大,在地势较高一端的基坑围护桩5-1出现较大悬臂段,难以控制地表位移,且基坑整体受力不平衡。在基坑围护结构5的支护桩悬臂段区域4设有加强结构,如图2和图3所示,位于支护桩悬臂段区域4的支撑结构2一端撑在基坑地势低端的基坑围护桩5-1桩顶冠梁上,另一端撑在基坑地势高端的基坑围护桩5-1腰梁上。所述加强结构包括等距分布在超深基坑1外侧的多个后拉墩3,后拉墩3错开支撑结构2与腰梁的交点进行布设。后拉墩3平行布置在支护桩悬臂段区域4的基坑围护桩5-1外侧,并通过连梁4与基坑围护桩5-1连接。除了加强结构之外,本发明还增了支护桩悬臂段区域4的基坑围护桩5-1桩径、减小支护桩悬臂段区域4的内支撑6间距加强方法保持原支护方案的内支撑道数、标高及布置形式不变。所述后拉墩3包括3~5根支护桩3-1,其后拉墩的支护桩3-1采用与无悬臂段区域支护桩相同的桩径、桩长、桩间距及配筋。其具体的施工方法如下:
(1)针对基坑出现支护桩悬臂段区域的基坑围护桩5-1的桩径进行加大,根据《建筑基坑支护技术规程》公式(B.0.1-1)支护桩正截面受弯承载能力Mcr与其半径r成三次正比例关系,具体包括以下公式:
αt=1.25-2α ③
式中,M—桩的弯矩设计值(kN·m);
fc—混凝土轴心抗压强度设计值(kN/m2);
A—支护桩截面面积(m2);
r—支护桩的半径(m);
α—对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值;
fy—纵向钢筋的抗拉强度设计值(kN/m2);
As—全部纵向钢筋的截面面积(m2);
rs—纵向钢筋重心所在圆周的半径(m);
αt—纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值,当α>0.625时,取αt=0。
由于悬臂段区域支护桩最大弯矩约为无悬臂段支护桩最大弯矩的2倍,因此可得到悬臂段的支护桩桩径为无悬臂段桩径的倍;无悬臂段桩径为1000mm,因此悬臂段支护桩桩径为1000×1.26=1260mm,最大桩径取1200mm,其支护桩之间的桩间距与原支护桩的桩间距相同,所以确定该区域的采用桩径1200mm、桩间距保持400mm的钻孔灌注桩支护;
(2)通过理正深基坑桩撑计算模块可以计算得到悬臂段内支撑最大轴力N1为20103.38kN,无悬臂段内支撑最大轴力N2为17083.75kN,其比值n2=N1/N2为1.18,无悬臂段内支撑间距为9~10m,故悬臂段内支撑间距为7.6~8.5m,将三道水平钢筋混凝土支撑间距由10m减为8.5m,水平支撑竖向支承采用钢格构立柱及立柱桩,桩顶冠梁截面尺寸为1400×1000mm,支护桩外侧设置1排桩径850mm,桩中心距600mm的三轴水泥土搅拌桩止水,其剖面图如图4所示;
(3)如图1所示,在步骤(1)中支护桩悬臂段区域增大的基坑围护桩5-1外侧布设后拉墩3,如图2和图3所示,后拉墩由3根桩径为1000mm的支护桩3-1及桩顶冠梁组成,3根支护桩的桩中心距为1400mm;
(3)由于基坑地下室外墙线与用地红线距离较近,所采用后拉墩3与基坑围护桩5-1间距分为两种,分别为2.6m和3.5m,后拉墩3采用与基坑围护结构5中未出现支护桩悬臂段区域的基坑围护桩5的桩长、桩径、桩间距、配筋相同,其后拉墩的冠梁尺寸与支护桩悬臂段区域的基坑围护桩5冠梁尺寸相同,连梁宽度为1200mm,长度分为2.6m和3.5m两种;
(4)在具体施工时,后拉墩3与支护桩悬臂段区域前排的基坑围护桩5-1同步施工,然后进行桩顶冠梁和连梁的施工,最后冠梁与连梁整体浇筑;
(5)在后期施工中通过监测数据反馈该方法对悬臂支护结构的加强效果,其支护结构位移监测趋势详见图6,从图6可以看出本发明中的加固结构降低了支护结构的位移。
本申请的发明人还针对该基坑支护施工370m范围内,分别采用三种支护加强方案后的造价进行计算:
①采用本发明所提后拉墩+单排桩+内支撑方案后,增加的混凝土用量为3765.6m3,按照目前的混凝土市场价格380元/m3,需增加费用143.1万元;增加的钢筋用量为529.7t,按照目前的钢材市场价格5000元/吨,需要增加264.9万元费用,则共需增加造价为407.9万元。
②采用双排桩+内支撑方案后,增加的混凝土用量为7531.2m3,按照目前的混凝土市场价格380元/m3,需增加费用286.2万元;增加的钢筋用量为1059.4t,按照目前的钢材市场价格5000元/吨,需要增加529.8万元费用,则共需增加造价为816.0万元。
③采用单排桩+内支撑(顶部增加一道内支撑)方案后,增加的混凝土用量为3907.8m3,按照目前的混凝土市场价格380元/m3,需增加费用148.5万元;增加的钢筋用量为977.0t,按照目前的钢材市场价格5000元/吨,需要增加488.5万元费用;钢立柱增加造价78.6万元;土方开挖及工期延后所增加的造价约为700万元,则共需增加造价为1415.6万元。
通过上述计算对比,本发明的加固方案的经济优势非常明显,且节省工期、施工方便。
通过上述描述,可以看出本发明中提供的基坑支护体系因地表高差导致的支护桩悬臂段加固结构,在不增加内支撑道数,不改变内支撑标高及布撑形式的前提下,通过增大支护桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距方式,利用增大支护桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距可提高支护体系抗弯能力的原理,来完成对支护桩悬臂段位移的限制,满足基坑整体的受力平衡。通过工程案例的实践,表明了专利所提方法的有效性和适用性:专利所提方法既能通过增大支护桩桩径、增设后拉墩、减小内支撑主撑间距有效控制桩顶悬臂段的位移,满足基坑整体的受力平衡,又能降低工程造价,同时施工方便,节省工期,具备很高的推广应用价值。
以上所述,只是本发明的一个实施例,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,适用于两端具有较大高差的超深基坑中,该超深基坑的基坑支护体系包括基坑围护结构和基坑内支撑,在基坑地表标高高的一端形成支护桩悬臂段区域,其特征在于该处理方法是针对支护桩悬臂段区域进行处理,具体步骤如下:
(1)根据《建筑基坑支护技术规程》中的支护桩正截面受弯承载能力M的计算公式得到支护桩正截面受弯承载能力M与该支护桩半径r成三次正比例关系;并按照基坑设计要求确定悬臂段区域支护桩最大弯矩M1为无悬臂段区域支护桩最大弯矩M2的n1倍,计算出悬臂段区域支护桩桩径r1与无悬臂段区域支护桩桩径r2的关系为:
(2)分别计算出悬臂段区域内支撑最大轴力N1和无悬臂段区域内支撑最大轴力N2,并计算出两者的比例系数n2=N1/N2,由于内支撑轴力N与内支撑间距S呈正比,其N1/N2=S1/S2,其中S1为悬臂段区域内支撑的间距,S2为无悬臂段区域内支撑的间距,便可以按照公式S1=n2 S2计算出悬臂段区域内支撑的间距S1;
(3)按照设计要求施工无悬臂段区域的围护结构和基坑内支撑,施工至悬臂段区域时,按照步骤(1)和步骤(2)中计算公式分别计算出悬臂段区域中支护桩桩径r1和内支撑的间距S1,将无悬臂段区域围护结构的支护桩桩径进行扩大至步骤(1)中计算的悬臂段区域支护桩桩径r1,同时对无悬臂段区域围护结构内支撑间距缩小至步骤(2)中计算的悬臂段区域内支撑的间距S1,然后按照新的桩体半径以及内支撑间距施工悬臂段区域围护结构的支护桩以及内支撑,其它施工参数以及施工过程均与无悬臂段区域围护结构的支护桩和基坑内支撑相同;
(4)在悬臂段区域的围护结构支护桩施工的同时,在围护结构支护桩后方布设多个后拉墩,每个后拉墩分别通过连梁与围护结构支护桩连接;每个后拉墩由3~5根支护桩及桩顶冠梁组成,后拉墩的支护桩桩径、桩长、桩间距以及配筋均与无悬臂段区域的围护结构支护桩桩径、桩长、桩间距以及配筋相同,相邻后拉墩的间距为每个后拉墩中相邻两个支护桩间距的2~5倍;所述围护结构支护桩与后拉墩支护桩同步施工,然后进行桩顶冠梁以及连梁的施工,最后冠梁与连梁整体浇筑,完成整个悬臂段区域的围护结构的加强处理。
2.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于所述步骤(1)中支护桩正截面受弯承载能力M的计算公式如下:
αt=1.25-2α ③
式中,M—桩的弯矩设计值(kN·m);
fc—混凝土轴心抗压强度设计值(kN/m2);
A—支护桩截面面积(m2);
r—支护桩的半径(m);
α—对应于受压区混凝土截面面积的圆心角(rad)与2π的比值;
fy—纵向钢筋的抗拉强度设计值(kN/m2);
As—全部纵向钢筋的截面面积(m2);
rs—纵向钢筋重心所在圆周的半径(m);
αt—纵向受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积的比值,当α>0.625时,取αt=0。
3.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:在步骤(4)悬臂段区域的围护结构的加强处理完成后,进行基坑后期施工过程中,通过对桩顶位移的监测判断悬臂支护结构的加强效果;当桩顶位移随开挖工况缓慢发展,且最终稳定值不超过一级基坑的要求,则可判定其加固效果良好。
4.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:所述悬臂段区域围护结构的支护桩的桩径增大梯度为100mm,增大上限为500mm,且桩径不超过1500mm;所述悬臂段区域围护结构内支撑的缩小间距梯度为100mm,缩小上限为2m,且内支撑间距不小于7m。
5.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:所述步骤(4)中后拉墩与基坑围护桩的净间距为后拉墩支护桩桩径的2~5倍,所述连梁的长度等于后拉墩与基坑围护桩的净间距,宽度为0.8~1.5m,高度低于后拉墩桩顶冠梁和围护结构支护桩桩顶冠梁高度的150~250mm。
6.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:所述步骤(4)中施工的后拉墩避开内支撑与腰梁的交点进行布设。
7.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:所述步骤(4)中施工内支撑时,内支撑一端撑在基坑地势低端的基坑围护桩桩顶冠梁上,另一端撑在基坑地势高端的基坑围护桩腰梁上,且内支撑与腰梁的交点处针对箍筋加密,并加长主筋锚固长度。
8.根据权利要求1所述的一种山地城区超深基坑内支撑支护体系地表高差处理方法,其特征在于:所述步骤(3)中悬臂段区域围护结构的支护桩除了扩大桩径之外,其桩净间距、桩长、桩体配筋、桩体浇筑混凝土以及桩体施工过程均与无悬臂段区域围护结构的支护桩相同;悬臂段区域围护结构的内支撑除了缩小间距外,其它施工参数以及施工工艺均与无悬臂段区域围护结构的内支撑施工相同。
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