多種支護結構并用的深大基坑工程設計與分析

黃天榮

（上海城建職業學院土木與交通工程學院，上海 200438）

0 引言

針對深大基坑多種支護結構，馮龍飛等[1]介紹了內撐式和雙排樁2 種支護體系在廣州地鐵深基坑工程中的應用，并探討了支護結構設計及變形控制機理。曾進群等[2]以某人防工程基坑支護設計為例，詳細分析了放坡+噴錨支護、攪拌樁+噴錨支護兩種支護形式結合的基坑支護設計。談永衛[3]針對南昌綠地中央廣場項目，提出了型鋼水泥土攪拌墻+鋼支撐+預應力錨索等多種支護結構結合的基坑工程設計。然而，總體上來看，有關多種支護結構在深大基坑中應用的報道還比較少。對深大基坑多種支護結構進行研究，對豐富基坑工程設計理論、指導工程實踐等均有重要的現實意義。

以某交通樞紐綜合體為例，針對基坑不同的深度、形狀，提出以鉆孔灌注樁與三軸攪拌樁止水帷幕為圍護，且分別與預應力魚腹梁組合支撐、旋噴加勁樁及傳統混凝土（鋼）支撐相結合的3 種支護結構設計，并對基坑底部土體局部加固進行了介紹，最后通過施工監測結果分析，得出不同支護結構的特點，可為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

1.1 周邊環境

某交通樞紐綜合體位于城市東南面，東側為已建的T2 航站樓并鄰近高架，南側、西側現為農田，北面靠近已建機場的空管區（圖1）。其地下空間基坑由三部分組成，東側A 區基坑為軌道交通換乘站，連接兩端盾構區間，基坑面積約19 186 m2，開挖深度約20 m，距離T2 航站樓76 m，距離高架42 m；西側B 區基坑面積約59 550 m2，開挖深度8 m，距濱海大道約104 m。附屬C 區開挖深度7.8 m，基坑面積約3 437 m2。項目基坑總面積達到82 173 m2，屬超大面積深基坑工程。

圖1 基坑總平面布置圖Fig.1 General plan of foundation pit

1.2 地質條件

場地內基本為海濱平原地貌，土層自上而下依次為人工填土、硬殼層黏土、淤積軟土、沖淤積砂土混合層、湖沼相及海相交互黏性土、河流沖積的碎石類土層等，基坑開挖范圍內的土體物理與力學性能指標見表1。

表1 土體物理與力學性能指標Table 1 Physical and mechanical performance index of soil

地下水主要包括第四系孔隙潛水以及承壓水，地下水位標高約為1.33～1.98 m。其中孔隙潛水水量小，而承壓水賦存于沖淤積砂土混合層，對工程影響不大。

2 設計與驗算

2.1 設計方案

針對本基坑深、大、地質條件復雜以及周邊環境敏感等特點，根據“深淺有別，前后有序，分塊設計”的技術思路，經調研與方案比選，形成以下3 種支護結構設計。

1）A 區基坑：面積接近2 萬m2且開挖深度最大，圍護結構采用鉆孔灌注樁并設置三軸攪拌樁止水。由于基坑為狹長矩形，若用傳統支撐會過密而不便開挖，故選擇預應力魚腹梁組合支撐。該類支撐可實現全部裝配化，滿足受力性能且可循環再使用。地基采用三軸攪拌樁裙邊+抽條加固，加固寬度6 m，加固范圍為坑底至坑底以下6 m。因此A 區支護結構為“鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水+預應力魚腹式結合支撐”，見圖2。

圖2 A 區支護結構剖面圖Fig.2 Section of support structure in foundation pit A

2）B 區基坑：考慮到整體受力與方便搭接，圍護結構同樣采用鉆孔灌注樁與三軸攪拌樁。由于該區域面積特別大，較適宜選用無支撐的支護結構，故在基坑邊設置旋噴加勁樁以形成無支撐支護。同時為減少對A 區的疊加影響，施工前放坡開挖2 m 以減少挖深。地基采取雙軸攪拌樁裙邊格柵式加固，裙邊加固寬度5.0 m，加固范圍為坑底至坑底以下2 m。最終形成B 區“鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕+旋噴加勁樁”的支護結構方案，見圖3。

3）C 區基坑：該基坑深度與B 區接近，但面積很小，圍護結構仍采用鉆孔灌注樁與三軸攪拌樁，但首道撐采用混凝土支撐以增強整體性，同時在基坑中部設1 道鋼支撐。地基則采取雙軸攪拌樁格柵加固，加固深度為坑底以下4 m。因此C 區基坑支護結構方案為“鉆孔灌注樁+三軸攪拌樁止水帷幕+傳統支撐”。

圖3 B 區支護結構剖面圖Fig.3 Section of support structure in foundation pit B

2.2 設計驗算

1）基坑安全驗算

以A 區深基坑為例，采用啟明星進行簡化單元計算復核，結果如圖4 所示。

圖4 內力計算結果Fig.4 Calculation results of internal force

圖4 顯示，基坑最大軸力579.6 kN 發生在第2 道支撐，最大水平位移僅為65.9 mm，小于規范要求的控制值100.4 mm。同步通過Midas-GTS 有限元計算也表明，最大水平位移僅為41.25 mm，同樣符合規范要求[4]。B、C 區復核方法類似，本文不再重復。

2）周圍環境影響

基坑緊鄰已建軌道交通結構，故需驗算基坑開挖對軌道交通盾構結構的影響。通過有限元數值模擬計算表明，基坑挖至坑底時，盾構區間結構的最大水平位移值為1.36 mm，最大沉降值為3.42 mm，小于規范要求的預警值1 cm，同時其不均勻沉降率0.07%也小于允許值0.4%，故滿足要求。同樣采用有限元對已建高架進行復核后顯示，基坑挖至坑底時已建高架最大水平位移值約為2.02 mm，最大沉降值為3.29 mm，亦小于預警值1 cm，且其不均勻沉降率0.01%也小于允許值0.4%，故支護結構設計方案符合規范要求[4]。

3 施工分析

1）總體方案

常規基坑施工有“明挖順作”和“逆作法”兩種方案，本項目由于存在樓板大開洞等因素影響，逆作法難以實現。同時項目南側、西側為農田和荒地，可利用空間較多，故采用“明挖順作”。

2）施工步驟

考慮到整體開挖暴露時間長、安全性差，且分區施工可節約工期，故采取先開挖東側A 區，待其內部結構澆筑至地下一層樓板后，再開挖B區、C 區基坑。

3）預應力魚腹梁組合支撐施工

預應力魚腹梁組合支撐是由魚腹梁、對撐、角撐與立柱等標準部件組合而成，并通過主動施加預應力，形成平面預應力支撐系統與立體的結構體系[5]。與傳統支撐相比，該結構可靈活調整預應力，故剛度大、變形控制能力強，是一種新型工法。

4）旋噴加勁樁施工

施工前，應先按第1 道加勁樁設計標高往下30 cm，開挖不小于6 m 寬的溝槽工作面[6]。其施工參數主要包括：攪拌鉆桿的鉆進速度宜為0.3～0.5 m/min，退出速度宜為0.5～0.6 m/min，同時誤差不大于±10 cm/min；攪拌鉆桿（軸）的轉速應為20～50 r/min；同時鉆進、提升各2 次，攪拌共4次；噴漿次數4 次；施工樁徑不得小于設計要求；施工樁長不得小于設計要求；攪拌樁采用“進、退二噴二攪”施工工藝。

4 主要監測結果分析

4.1 圍護結構水平位移

根據最不利工況原則，選取挖至坑底時的測點C1、C2 及C3（位置見圖1）水平位移監測結果，如圖5。

圖5 圍護結構水平位移圖Fig.5 Horizontal displacement of retaining structure

由圖5 可見，基坑開挖至坑底時，由于土體擾動、支撐支擋等綜合作用[7]，水平位移隨著開挖面向深部傳遞。各測點圍護結構水平位移基本在10～30 mm 之間，實際觀測結果介于啟明星計算與Midas 有限元模擬之間，具有較高的吻合度。同時，預應力魚腹梁組合支撐對應測點變形最小，只有10 mm 左右，變形控制效果良好，故其較適用于變形控制嚴格的基坑。旋噴加勁樁支護結構側向位移接近30 mm，為同類測點最大值，這主要是由于旋噴加勁樁通過錨固受力，剛度較小，但其總體變形仍不大，可滿足施工要求。由于采用旋噴加勁樁形成無支撐支護結構極大方便了施工，故其較適合在條件允許、深度不大的大面積基坑中應用。而采用傳統支撐的支護結構變形則介于兩者之間，表明了其對于控制基坑變形仍有一定的優勢。

4.2 周邊地面沉降

提取沉降觀測點S1～S6（位置見圖1）數據，形成周邊地面沉降曲線，如圖6 所示。

圖6 周邊地面沉降圖Fig.6 Settlement map of surrounding ground

由圖6 的S1、S2 曲線可見，基坑開挖后高架建筑周邊地面隨即產生沉降，且隨著時間逐步變大，集中反映了圍護結構側移、土體結構本身蠕變等作用。同時B、C 兩區開挖后，S1、S2 沉降略有加快，表明后期對A 區的附加影響。由于魚腹梁預應力組合支撐結構剛度大，S1、S2 最終地面沉降基本維持在5～7 mm，基坑結構安全可控。

同時圖6 的S3～S5 曲線反映出，B 區基坑開挖后，B 區基坑周邊地面沉降的增加較為明顯，其中B 區基坑長邊中點S5 沉降最大，達到了12 mm，B 區基坑短邊中點S3 沉降次之，數值為10.8 mm，而B 區基坑角點S4 沉降則位于兩者之間，為5.8 mm，體現了基坑開挖過程中地面沉降分布的空間性與不均勻性。C 區基坑情況類似，本文不再重復。

對比S1～S6 曲線可見，采用旋噴加勁樁支護結構的周邊地面沉降要大于魚腹梁預應力組合支撐，但其沉降量仍然較小，與圍護結構水平位移分析結果一致。由于通常基坑開挖的主要影響范圍是在3～5 倍挖深之內，超出范圍會明顯衰減[8-9]，鑒于B 區基坑距離周邊重要建（構）筑物均較遠，故采用旋噴加勁樁支護具有合理性。監測結果也顯示，距離B 區基坑5 倍挖深外的濱海大道監測點S6 沉降量很小，不到3 mm，足見基坑開挖對遠處道路的影響非常小，也表明了旋噴加勁樁支護的設計是可行的。綜上可見，本項目中3 種不同支護結構的設計方案總體上是安全可靠的，具有較好的應用效果。

5 結語

以某交通樞紐綜合體為例，通過3 種支護結構的設計、施工與監測結果的分析，得到以下主要結論：

1）深大基坑的工程設計應因地制宜采取合理的支護結構形式；不同的支護結構形式有各自適用性，設計中應統籌考慮進行多種支護結構形式的選擇與組合。

2）針對基坑面積特別大、部分區域挖深大的特點，提出了因地制宜的3 種支護結構設計。工程應用表明，該方案合理且有較好的應用效果。

3）預應力魚腹梁組合支撐的支護結構變形較小，在嚴格控制變形的深基坑中較適用；旋噴加勁樁在條件允許、深度不大的大面積基坑中具有明顯優勢；而傳統的混凝土（鋼）支撐的支護結構變形介于兩者之間，常規支撐方案對于控制基坑變形仍有一定的優勢。