深基坑環(huán)梁支撐支護結(jié)構(gòu)方案選型研究

許聯(lián)　陳學根　于肖昆

【摘 要】基坑支護不僅要保證基坑本體和周圍建筑物的安全，還要保證地下主體結(jié)構(gòu)的安全施工。文章利用BSC有限元軟件，結(jié)合鎮(zhèn)江黃浦置業(yè)深基坑工程實例，比較分析了內(nèi)切單圓形環(huán)梁、內(nèi)切雙圓形環(huán)梁、內(nèi)切橢圓形環(huán)梁3種方案的優(yōu)點和缺點，并發(fā)現(xiàn)對支撐的優(yōu)化設(shè)計可以提高基坑的穩(wěn)定性和安全性，減小其變形。對于設(shè)計方案的確定需要考慮結(jié)構(gòu)的受力和變形及安全、造價、施工條件等多方面的因素。

【關(guān)鍵詞】深基坑;環(huán)梁支撐;變形分析;優(yōu)化設(shè)計

【中圖分類號】TU473 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）01-0096-03

1 項目背景

經(jīng)濟的發(fā)展推動了國內(nèi)城市建設(shè)的迅速發(fā)展，各種建筑物屹立于大地之上，中國的基坑技術(shù)更是不斷發(fā)展，蓬勃向上。基坑的支撐方式出現(xiàn)了很多新型的形式，環(huán)梁支撐支護結(jié)構(gòu)是基坑開挖中的一種新型支護方式。

陳雨蒙[1]結(jié)合基坑工程案例，對基坑環(huán)梁支護進行有限元模擬，通過計算結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)，內(nèi)支撐的支護形式對基坑變形的控制效果具有重要影響，并總結(jié)出最優(yōu)的環(huán)梁支撐布置形式。

段景章等人[2]對環(huán)梁設(shè)計方法的發(fā)展歷史和設(shè)計過程進行了討論，總結(jié)出最適合環(huán)梁支護結(jié)構(gòu)計算的設(shè)計方法和施工工藝。通過數(shù)值模擬分析了不同開挖順序下內(nèi)支架的變形和內(nèi)力變化，以及時間效應(yīng)對基坑側(cè)邊的影響、土方開挖尺寸對圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形影響等。

李欣[3]使用理正軟件和MIDAS/GTS三維有限元軟件計算福州的兩環(huán)桁架。通過將有限元的計算結(jié)果與工程實際的監(jiān)測結(jié)果進行對比，驗證了采用有限元法模擬環(huán)梁支撐在工程設(shè)計中應(yīng)用的可行性。

在基坑支護設(shè)計過程中，不僅設(shè)計了土體的穩(wěn)定性計算，同時還包含了土與支護結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系、地下水滲流等情況，復雜的設(shè)計條件和多方面需要考慮因素使得基坑設(shè)計變得復雜而富有挑戰(zhàn)性。

2 環(huán)梁支撐優(yōu)化的目的和意義

2.1 目的

基坑支護不僅要保證基坑本體和周圍建筑物的安全，還要保證土方開挖過程中地下主體結(jié)構(gòu)的安全施工。本文對環(huán)梁支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化也是同樣的目的。

（1）確保基坑內(nèi)部和周圍建筑物安全。基坑支護的主要目的不僅是保證基坑在開挖過程中的穩(wěn)定性，同時要保證基坑開挖過程中不會對周邊的建筑物產(chǎn)生影響。在基坑設(shè)計過程中，要根據(jù)周邊環(huán)境確定基坑的設(shè)計安全等級，依據(jù)變形控制的要求，確定合適的基坑支護方案。合適的支護方案不僅可以保證基坑支護效果，同時可以最大限度地減少工程材料的應(yīng)用投入。當基坑支護方案確定后，就要對基坑支護結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，以“排樁+內(nèi)支撐”的基坑支護工程為例。當基坑周邊的排樁布置形式確定以后，就要進行內(nèi)支撐的設(shè)計，對于方形基坑而言，環(huán)梁支撐具有較大的開挖工作面和較好的基坑支護效果，因此優(yōu)選環(huán)形支撐。環(huán)形支撐內(nèi)部又包括環(huán)梁、連梁、輻射梁、角撐等多種支護結(jié)構(gòu)，因此需要對這些支護結(jié)構(gòu)的布置形式進行進一步的細化，以保證支護效果。

（2）保證土方開挖的順利實施。基坑開挖的一個重要步驟是土方的開挖和運輸，如果支撐之間的間距較小，不利于挖機的正常施工，影響施工進度。因此，在基坑內(nèi)支撐設(shè)計過程中在考慮支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，留下足夠的開挖作業(yè)面，便于挖機施工和土方外運，保證施工進度。因此，合理的內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、開挖工作面大、材料用料少的特點。

2.2 意義

合理的內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)不僅具有較好的基坑變形控制效果，同時具有基坑支護結(jié)構(gòu)受力合理、土方開挖面大、工程造價低等方面的優(yōu)勢。本文以鎮(zhèn)江市某矩形基坑支護項目為例，通過對比角撐與環(huán)梁支撐對基坑變形控制效果，以期指導基坑支護方案的設(shè)計。

3 工程概況

擬建的基坑工程位于鎮(zhèn)江市，基本形式為樁基。正負零高程相當于黃海高程的8.200 m，樁頂?shù)南鄬Ω叱虨?11.20 m，工程樁的頂部埋在平臺100 mm中，基坑的底層為100 mm厚，基坑深度為10.0 m，面積約5 800 m2，周長約315 m。

3.1 地質(zhì)地層

第一層為雜填土，雜色松散，以粉質(zhì)黏土顆粒和建筑垃圾為主;第二層為素填土，灰黃色稍密，以偏軟狀粉質(zhì)黏土為主;第三層為粉土，灰色中密，土質(zhì)不均勻局部夾雜有粉砂;第四層為粉質(zhì)黏土，灰色土質(zhì)不均勻夾雜有薄層粉土;第五層為風化巖，灰綠色巖體完整程度破碎。土層物理力學參數(shù)見表1。

由地質(zhì)勘查報告可知，擬建深基坑工程勘察深度范圍內(nèi)的地下水類型主要為潛水，勘察過程中未見基巖裂隙水。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[4]規(guī)定，該場地環(huán)境水類型為Ⅱ類。

3.2 基坑特點

周圍環(huán)境比較復雜，基坑開挖深度大，變形和應(yīng)力要求嚴格。周圍建筑物密集，道路通行量大，給施工帶來很大困難，特別是地下管道的具體位置，深度和方向不明確。因此，有必要了解各方面的情況，確保施工期間基坑和周圍結(jié)構(gòu)的安全。

4 圍護方案比選

4.1 設(shè)計原則

基坑支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計受多種因素的影響和限制，即應(yīng)考慮基坑支護系統(tǒng)和周圍結(jié)構(gòu)的安全性，以及地下主體結(jié)構(gòu)的建設(shè)和總體建設(shè)成本。基坑支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一項復雜的系統(tǒng)工程，不僅要保證開挖過程中基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時保證基坑開挖不會對周邊建筑產(chǎn)生影響。

4.2 基坑特點

基坑開挖深度大，變形和受力要求高。基坑的挖掘邊緣線靠近建筑紅線。基坑支護結(jié)構(gòu)不能超過建筑紅線，場地相對較緊;基坑周圍有建筑物、住宅和交通流量大的道路;施工場地有限，不能采用放坡卸載方案。此外，基坑支護方案受到土方開挖、運輸及施工期的限制。

5 環(huán)梁支撐優(yōu)化設(shè)計

5.1 支撐布置分析

利用BSC有限元軟件，為不同的支撐布置方案建立模型，并進行了以下假設(shè)：①材料相同、橫截面尺寸相同;②基坑周圍的荷載均勻分布;③為避免出現(xiàn)大錯誤，禁止迭代。

基坑形狀不規(guī)則，常規(guī)的內(nèi)支撐設(shè)計形式為角撐、環(huán)撐，現(xiàn)對兩種設(shè)計形式利用同濟啟明星BSC軟件進行對比分析。本文涉及兩種方案，即方案A環(huán)撐布置形式和方案B角撐形式，變形計算結(jié)果分別如圖1、圖2所示。

基坑開挖深度為10.0 m，根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[5]的有關(guān)規(guī)定，基坑支護的變形量不得超過開挖深度的2‰。可以看出，當載荷較大時，角撐板圖案大于環(huán)形圖案的變形，并且接近最大允許值20 mm。最終確定選擇內(nèi)環(huán)梁支撐方案。

5.2 環(huán)形支撐分析

在環(huán)撐形式的基礎(chǔ)上，又設(shè)計內(nèi)切單圓形（個別桿優(yōu)化）、內(nèi)切雙圓形（桁架式）和內(nèi)切橢圓形3種支護方案，變形計算結(jié)果分別如圖3、圖4、圖5所示。

（1）經(jīng)過優(yōu)化個別桿的單圓環(huán)變形是環(huán)撐形式的1.2～2.5倍，其變形超過允許最大變形。由于該方案撐竿的密度減小，導致變形量的增大，所以此方案排除。

（2）桁架式雙圓環(huán)支撐雖然增加了支護的整體剛度，減小了變形，但考慮到造價勢必會提高，而且施工空間受到限制，故此方案有待商榷。

（3）橢圓環(huán)布撐的變形計算基本上滿足要求，但長軸和短軸的比值直接關(guān)系到安全問題，且沒有成文規(guī)范不易確定，所以很難進行優(yōu)化控制，工程的難度也相對增加。

6 結(jié)論

本文通過BSC有限元軟件，為不同的支撐布置方案建立數(shù)值計算模型。比較分析了不同的設(shè)計方案。支撐的優(yōu)化設(shè)計可以提高基坑的穩(wěn)定性和安全性，減小變形。當載荷較大時，可以利用環(huán)形剛度增加基坑的整體剛度，從而可以有效減少基坑的變形，提高整體應(yīng)力。然而，由于支撐構(gòu)件密度的增加導致工程成本相對提高，后期土方開挖和地下主體結(jié)構(gòu)的施工不方便。

總而言之，必須結(jié)合工程實際情況和設(shè)計要求，考慮多方面因素，以確定最優(yōu)設(shè)計方案。

參 考 文 獻

[1]陳雨蒙.大型基坑環(huán)梁支護體系有限元數(shù)值模擬分析[D].成都：西南交通大學，2011.

[2]段景章，秦序柱，李建軍.基坑環(huán)梁支護結(jié)構(gòu)的綜合應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2006，35（7）：18-21.

[3]李欣.軟土地基中深基坑雙環(huán)形桁架支撐體系研究[D].昆明：昆明理工大學，2012.

[4]GB 500021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

[5]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].