環形支撐系統基坑的圍護結構變形分析

陳書貴

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

近十幾年來我國各大城市大型地下空間開發迅速，涌現了大量技術復雜的基坑工程建設項目，基坑的開挖深度越來越深，開挖面積越來越大。在建筑物密集的市區，如何減少這些基坑開挖過程對周邊建筑物和管線的影響已成為基坑支護設計和施工的新課題。對于基坑平面為規則的方形、圓形或者平面雖不規則但基坑兩個方向的平面尺寸大致相等，采用傳統的角撐、對撐結合邊桁架布置，需要設置大量穿越基坑內部的桿件，不利于土方的開挖和地下室結構的施工。因此，結合工程的平面形狀，采用環形支撐的平面布置體系，充分發揮混凝土環梁能承受巨大壓力的優勢，不僅保證了變形、受力滿足要求，同時加快了整體工程的施工進度。

1 工程概況

1.1 基坑規模及支護形式

長三角地區某城市基坑位于該城市主要交通干道A路和B路交叉路口東南側，為地下三層結構，基坑開挖采用盆式明挖法施工，基坑開挖深度14.3～16.5 m，圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，支撐系統采用三層混凝土環梁桁架支撐，內環半徑50 m，主要結構尺寸見表1，具體平面布置如圖1。

表1 主要結構尺寸

1.2 地質特征及土層分布

本場地57.50 m以淺地基土屬第四系(Q)沉積地層，按其成因類型、巖性和工程性能可劃分9個工程地質層，4個工程地質亞層，分別為:①1雜填土;③1黏土;③2粉質黏土層;③3粉質黏土夾粉土層;⑥1－1黏土層;⑥1黏土層;⑥2粉質黏土夾粉土層;⑦1粉質黏土層;⑦1－1粉質黏土層;⑦2粉砂層;⑧1粉質黏土;⑧2－2粉土夾粉質黏土層;⑧3粉質黏土。

2 開挖過程中實測數據統計

根據監測方案，圍護結構水平位移的監測采用直徑70 mm的PVC測斜管與地下連續墻主筋等長綁扎，避開支撐節點的位置進行布設，在實際開挖過程中保持至少一天一次的監測頻率，Ⅰ～Ⅳ區幾個典型位置的監測曲線對比如圖2、圖3、圖4、圖5所示。

圖1 基坑平面布置

圖2 Ⅰ區墻體水平位移監測時程曲線

圖3 Ⅱ區墻體水平位移監測時程曲線

圖4 Ⅲ區墻體水平位移監測時程曲線

圖5 Ⅳ區墻體水平位移監測時程曲線

3 監測數據分析

3.1 監測數據匯總對比

通過上述一系列墻體水平位移在不同區域的時程曲線對比可以得出:

(1)基坑開挖至第一、二層支撐澆筑完成這段時間內，各區域圍護結構變形均較小，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ區的圍護結構位移基本控制在5 mm以內，Ⅲ區局部控制在5～10 mm以內。

(2)在第一、二層支撐澆筑后至第三層支撐澆筑完成再到底板澆筑完成這段時間內，各區域圍護結構變形較為顯著，其中以Ⅱ區和Ⅲ區變形幅度較大，約為15～20 mm之間，并有累計變形超過該基坑設計預警值(22.5 mm)，其他區域圍護結構變形相對變形控制在5 mm左右。

(3)底板澆筑后，圍護結構變形基本得到控制，大部分成負向變形，個別位置有少量向坑內的殘余變形，但變形速率基本穩定。

3.2 潛在原因分析

通過上述對比情況，結合施工工況和結構形式，導致這一系列現象的潛在原因主要有:

(1)混凝土支撐施工周期長，時效性差。由于采用大面積的混凝土結構作為深基坑的支撐系統，在基坑開挖到一定深度后，從清土、綁筋、立模、澆筑以及達到一定的強度平均需要一周甚至更長的時間，而且這種環形支撐需要一定范圍內成型的支撐才能達到良好的受力效果。基坑圍護結構變形受時空效應影響較大，這是采用多層混凝土結構作為支撐系統的基坑普遍存在的問題。

(2)不規則的大型基坑采用環形支撐系統易存在一些薄弱環節。環形支撐體系受力合理，能充分發揮混凝土環梁能承受巨大壓力的優勢，但在支撐系統設計中普遍認為環梁支撐的直徑如果超過60 m且受力較大時，其拱作用就大為減小，環上相對薄弱的環節水平位移就會很大。通過圖1的環形支撐體系可以看出，Ⅲ－1～Ⅲ－3區邊桁架分布較少，當圍護結構受外側土壓力壓迫時直接傳遞至最內側的環形支撐上，而其他區域則通過多個邊桁架、格構柱和多重環撐的拱效應分擔了這部分壓力，有效抵抗了坑外土壓力的壓迫，而內側環形支撐受力不均衡也就相應加劇了支撐薄弱環節區域圍護結構的變形。

(3)受場地限制，材料堆載和輜重車輛過往形成的基坑邊緣靜、活載較大。該基坑位于市區兩個重要干道的交叉口，不能大幅占用城市道路。受場地限制，大部分建材只能堆放在基坑邊緣甚至直接堆放在基坑的蓋板上。而在基礎上，由于開挖出土的需要，設置的兩條出土通道又不可避免的經過三個薄弱環節區域的基坑邊緣。由此，在材料堆放形成的靜載和重車常時間過往形成的動載，也是導致環形支撐系統薄弱區域基坑圍護結構變形的重要因素之一，而該區域地表沉降普遍較大也恰恰印證了這一論點。

(4)此外，在基坑施工過程中導致圍護結構變形較大的原因還包括不對稱的開挖方式導致支護體系受力不均，立柱隆起過大導致支護結構受力失衡，圍護結構涌水、涌砂和主體施工期間的拆撐控制等，均是基坑施工過程不可忽視的環節，稍有疏忽都有可能導致后果嚴重的基坑安全事故。

4 結論

(1)環形支撐均勻等分受力是控制圍護結構變形的主要措施之一。在后繼類似基坑形式的支撐系統設計過程中，應盡量避免一些薄弱環節的存在，且在開挖過程中對稱均勻開挖，保證支撐系統受力均衡，充分發揮環撐支撐體系的拱作用。

(2)局部薄弱環節坑內土體進行加固，保證圍護結構內外受力平衡。如在基坑環撐設計過程中出現不可避免的薄弱環節，可通過該區域圍護結構被動區土體加固的方式提高基坑內側土體壓力，減小圍護結構內外壓力差，使坑外土體傳遞到環撐上的壓力減小。

(3)在保證支撐強度的基礎上，加快混凝土支撐的施工進度。即當基坑開挖到相應位置后可通過增加勞動力、添加早強劑、提高標號和加溫養護等方式加快混凝土支撐的施工進度，縮短基坑無支撐時間。

(4)改變基坑開挖方式，采用島式開挖，減小基坑無支撐暴露時間。

(5)合理安排場地，避免基坑邊緣有大規模的靜、活載存在。

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