不同的內支撐支護結構布置形式對基坑支護的作用及經濟分析

云南建工基礎工程有限責任公司 昆明 650224

0 引言

對于同一個基坑，不同的支撐結構其工程造價也會不同，所以在實際基坑工程內支撐技術應用時，需要從不同的角度對不同的支撐結構形式進行對比分析，以尋求最經濟合理、安全可靠的支撐體系[1]。

1 內支撐技術基本原理及特點

1.1 基本原理

深基坑設置支護結構的目的是阻止基坑外側土體的坍塌，為基礎施工保證安全的工作空間。通過對深基坑支撐結構的受力性能分析可知，在土方開挖時，基坑護壁結構須承受四周土體壓力的作用，從力學角度分析，可以設置水平方向上的受力構件作支撐結構，內支撐支護結構能夠充分利用混凝土抗壓性能高的特點，把受力支撐形式設計成圓環結構或桁架式，支承其土壓力是十分合理的[2]。在此基本原理的指導下，土體側壓力通過護壁結構傳遞給圍檁與角撐、輻射撐，若為圓環支撐則集中傳至圓環結構。根據基坑深度可以在護壁結構的垂直方向上設置多道支撐，支撐梁的尺寸、圓環的直徑大小、垂直方向的間距可根據基坑平面尺寸、地下室的層高、挖土工況與土壓力值來確定[3]。

1.2 技術特點

1）受力性能合理[4]。在深基坑施工時，不管是采用圓環支撐或者桁架支撐，從根本上改變了樁錨、土釘墻等常規的支護結構方式。以水平受壓為主的內支撐結構體系，能夠充分利用混凝土材料的受壓特性，將基坑四周產生的土壓力通過支撐梁大部分轉化為軸向壓力，內支撐體系具有整體剛度強和變形小的特點。大量工程實踐證明，它能確保基礎施工、周邊鄰近建筑物和地下管網等公共設施的安全。

2）適用范圍廣[5]。

（1）能夠適用于多種基坑平面形狀的基坑，特別適用于方形、多邊形的基坑，即使在不規則形狀的基坑中也適用。

（2）適用于環境保護要求高、土方工期緊的基坑。

（3）適用于工程地質條件差、軟土層厚的深基坑支護。

3）可用于狹小場地施工。城市基坑工程中，大多數基坑施工場地狹小或四周無施工場地，內支撐技術尤其適用。因混凝土支撐剛度大，可通過配筋、調整立柱間距等措施，提高其橫向承載力，亦可以水平支撐梁上面搭設堆料平臺、安裝施工機械，節約場地，便于施工正常進行。

4）經濟效益好。在深基坑施工中采用內支撐技術，用料節省顯著，尤其能節省護壁樁樁長及減小樁徑。其單位土方的開挖費用較其他支撐相比有大幅度下降，施工費用節約可觀，經濟效益好。

2 工程實例

2.1 工程概況

某深基坑建設場地位于某城市主城區一環以內市政道路交叉口，場地北側為沉管樁基礎7 層高的建筑，距離基坑約6.5 m；南側用地紅線緊鄰市政道路及河道;東側為沉管樁基礎8 層高建筑，距離基坑9 m左右；西側緊鄰市政道路，市政道路下地下管線密集。

本建筑設地下室4 層，基坑開挖深度為17 m，基坑開挖面積約為8 612 m2，基坑周長350 m左右，呈不規則形狀。

2.2 工程地質條件

根據本工程的巖土工程勘察報告，場地地基土表部為具有一定厚度的雜填土，場地地基土主要由沖積相、湖沼相、湖相沉積形成的碎石類土、砂類土、黏性土及粉土等。

3 基坑支護方案

3.1 護壁體系

1）止水體系。采用單排φ600 mm高壓旋噴咬合樁作止水帷幕進行隔水，止水樁樁端入土深度依據地質條件設為23～28 m，樁與樁間距為350 mm，搭接250 mm。

2）護壁體系。采用φ1 200 mm@1 500～1 600 mm的旋挖鉆孔灌注樁進行擋土，樁身混凝土強度等級為C30，樁身主筋采用不均勻配筋，護壁樁樁端入土深度依據地質條件設為31～33 m。護壁樁樁頂設置1 500 mm×1 200 mm壓頂圈梁。

3.2 內支撐體系

結合本基坑的開挖深度、周邊環境及地質條件，以及《建筑基坑支護技術規程》中基坑工程的施工不能違反城市地下空間規劃的規定，對于本基坑工程的支護采用護壁樁+2 道混凝土支撐梁的方式進行支護。根據本基坑的平面形狀，可以采用多種支撐布置形式。圖1、圖2、圖3分別為圓環+角撐、圓環+輻射撐、桁架式支撐3 種支撐結構體系。圖4為基坑支護的簡要剖面。

圖1為圓環+角撐支撐體系，布置原則為支撐梁的長度應控制在7～12 m之間，盡量利用基坑形狀設置角撐及桁架支撐，支撐南北兩側部分澆筑成混凝土板，以加強支撐體系的整體剛度。圖2為圓環+輻射撐支撐體系，布置原則為環梁的節點應等距離布置，從環梁中心點引線環梁節點，從節點延伸至基坑邊線為輻射撐，盡量利用基坑形狀設置角撐，角撐與輻射撐相交點設置立柱，支撐梁長度約為9 m，支撐南北兩側部分澆筑成混凝土板，以加強支撐體系的整體剛度。圖3為桁架支撐體系，布置原則為充分利用基坑的平面形狀布置角撐及桁架，支撐梁長度約為5 m，立柱布置較密。3 種內支撐結構體系的結構梁參數如表1所示。

圖1 圓環+角撐平面形狀

圖2 圓環+輻射撐平面形狀

圖3 桁架支撐平面形狀

圖4 基坑支護剖面示意

表1 內支撐體系結構梁參數

4 基坑方案計算結果對比分析

根據基坑的挖土方式，考慮不同工況（包括拆撐）的最不利荷載，各土層的土壓力計算均采用水土合算模式，土壓力分布采用朗肯土壓力確定。在相同護壁體系的條件下，對本基坑設置的3 種平面支撐體系，使用北京理正深基坑7.0PB1進行整體協同計算，從基坑支撐體系在開挖至基坑底時的位移、軸力、彎矩等3 方面進行分析比較，以反饋內支撐體系的結構布置，然后更合理地布置支撐梁[5]。圖5～圖7分別為開挖至坑底時3 種支撐體系的位移，圖8～圖10為3 種支撐體系支撐梁的軸力，圖11～圖13分別為3 種支撐體系支撐梁的彎矩。將3 種支撐體系支撐梁位移、軸力、彎矩等參數值匯總如表2所示。

表2 3 種支撐體系位移、軸力、彎矩最大數值匯總表

4.1 基坑支護體系位移

3 種支撐體系在相同護壁條件下，均采用2 道混凝土梁支撐，第1層支撐梁頂標高為-4.5 m，第2層支撐梁頂標高為-9.5 m。由圖5～圖7可以得知，當基坑開挖至基坑底時，圓環+角撐體系位移最大值為35.33 mm，圓環+輻射撐體系位移最大值為49.17 mm（位移大于3‰H，H為基坑深度），桁架支撐體系位移最大值為26.65 mm（小于30 mm，滿足一級基坑的要求）。

圖5 圓環+角撐體系位移

圖6 圓環+輻射撐體系位移

圖7 桁架支撐體系位移

3 種支撐體系下最大位移均發生在基坑的北側和南側，桁架支撐體系下最大位移最小，桁架體系充分利用基坑的形狀設置了多道角撐，使基坑外土體的推力相平衡。

4.2 基坑支護體系軸力

由圖8～圖10可以得知，當基坑開挖至基底時，圓環+角撐體系軸力最大處位于第2層圓環處，最大軸力值為28 950 kN，圓環+輻射撐體系軸力最大處位于第2層圓環處，最大軸力值為23 930 kN，桁架支撐體系軸力最大值為9 171 kN。

圖8 圓環+角撐體系軸力

圖9 圓環+輻射撐體系軸力

圖10 桁架支撐體系軸力

4.3 基坑支護體系彎矩

由圖11～圖13可以得知，當基坑開挖至基底時，圓環+角撐體系彎矩最大處位于第2層圓環處，最大彎矩值為5 718 kN·m，圓環+輻射撐體系彎矩最大處位于第2層圓環處，最大彎矩值為5 450 kN·m，桁架支撐體系彎矩最大值為2 231 kN·m。

由匯總表2，在護壁體系相同的條件下，開挖至坑底后，3 種支撐體系的最大位移、軸力、彎矩、立柱樁彎矩經過對比可以得出以下結論[6]：

1）桁架支撐體系的最大位移最小，且符合一級基坑對基坑的位移要求。

圖11 圓環+角撐體系彎矩

圖12 圓環+輻射撐體系彎矩

圖13 桁架支撐體系彎矩

2）桁架支撐體系的最大軸力最小，僅為前2 種支撐形式的1/3和1/2。

3）桁架支撐體系的最大彎矩最小，小于前2 種支撐體系的1/2。

4.4 工程造價比較

為了更定量地分析對比3 種支撐體系的支撐效果，支撐體系所設護壁樁和止水帷幕均相同，即只需比較3 種支撐體系的支撐梁、立柱樁等工程量，如表3所示。假設混凝土C30的價格為350 元/m3，混凝土C40的價格為400 元/m3，不同規格的鋼筋價格為5 000 元/t，對于護壁樁、止水樁、腰梁、圈梁、圍檁等相同工程量的項目，假設總造價為2 000 萬元，總造價匯總于表4中。

由表3、表4對比得出，3 種支撐體系的支撐梁工程量相當，總造價相當[7-9]。

表3 3 種支撐體系的工程量對比表

表4 3 種支撐體系的造價對比表

5 結語

結合某深基坑支護工程實例，介紹了內支撐支護體系的3 種布置形式在深基坑支護中的應用，通過內力協同計算，分析在不同支撐體系下，從支撐體系的位移、彎矩、軸力、造價等方面進行對比分析，得出以下結論[10,11]：

1）在深基坑中應用內支撐技術，相同護壁體系的條件下，不同的支撐布置形式對基坑的支護效果有不同的影響。

2）在相同護壁條件下，應用桁架式支撐體系，其計算位移、軸力、彎矩、立柱樁彎矩均較小。

3）在內支撐技術的應用中，充分利用基坑形狀，盡量布置角撐及桁架支撐，以達到較為合理的受力狀態。

4）在內支撐技術的應用中，支撐梁的長度不宜過長，立柱間的間距不宜過大。

5）在相同護壁條件下，應用內支撐技術，不同的支撐布置形式都有不同的造價，但總造價相當。需在造價相當的條件下，選取支護效果最好的支撐形式。