多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)在軟土地區(qū)深基坑中的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

張穎，馬賀雅

（云南建投第一勘察設(shè)計(jì)有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

隨著城市地下空間的利用程度越來(lái)越高，基坑開(kāi)挖面積和深度不斷加大[1-4]。為了有效控制基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，排樁加鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式應(yīng)用日益廣泛。如何更合理地布設(shè)支撐桿件，達(dá)到既節(jié)約造價(jià)、便于施工又確保支撐體系的安全性，有效地控制基坑變形，是一個(gè)充滿挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

圓環(huán)支撐體系的應(yīng)用可以有效解決該難題，尤其是對(duì)于占地面積大、不規(guī)整的基坑優(yōu)勢(shì)更加明顯。圓環(huán)支撐體系通過(guò)徑向桿件將支護(hù)樁承擔(dān)的側(cè)壓力傳遞給圓環(huán)，充分發(fā)揮拱的受力特點(diǎn)，將基坑產(chǎn)生的土壓力轉(zhuǎn)化為圓環(huán)支撐的軸壓力，更好地利用混凝土材料的受壓特性。圓環(huán)支撐體系可在基坑內(nèi)形成約65.0%的無(wú)支撐空間，有利于加快土方開(kāi)挖速度，便于避讓主體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件施工，縮短了基坑暴露時(shí)間[5-7]。雖然圓環(huán)支撐有上述優(yōu)勢(shì)，但由于其傳力體系復(fù)雜，易受施工精度、挖土進(jìn)度等因素影響，使得在軟土地區(qū)采用圓環(huán)支撐時(shí)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值之間易產(chǎn)生偏差，支撐體系面臨潛在的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

擬建項(xiàng)目位于白龍路與新迎路交叉口東南側(cè)，基坑周長(zhǎng)820 m，基坑面積約38 500 m2，設(shè)置3層地下室，基坑開(kāi)挖深度為15.4～16.7 m，平面呈不規(guī)則狀。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，建（構(gòu)）筑物和市政管線密布，環(huán)境保護(hù)要求高（見(jiàn)圖1），現(xiàn)分述如下：

圖1 基坑周邊環(huán)境Fig.1 The surrounding environment of foundation pit

1） 基坑?xùn)|側(cè)，興昭酒店辦公樓距離基坑邊6.0 m，5 層磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)；新迎小區(qū)7 棟7層民房，最近處距離基坑邊10.0 m，磚混結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。

2）基坑南側(cè)，新迎中學(xué)2 棟教學(xué)樓距離基坑邊29.0 m，5 層框架結(jié)構(gòu)，復(fù)合地基。

3）基坑西側(cè)，新迎路機(jī)動(dòng)車道距離基坑邊最近處6.0 m，臨基坑側(cè)地下分布有市政給排水、供電、供氣和電信等管線。

4）基坑北側(cè)，沃爾瑪超市距離基坑邊6.0 m，4 層框架結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)；白龍路地鐵站，埋深16.0 m，距離基坑35.0 m；項(xiàng)目售樓部距離基坑邊3.0 m，2 層鋼結(jié)構(gòu)，淺基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

根據(jù)詳細(xì)勘察資料：場(chǎng)地內(nèi)普遍分布較厚填土層，其下主要為：第四系沖洪積相和湖沼相沉積地層，以黏性土、粉土、泥炭質(zhì)土層為主，地層物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 地層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

地下水屬孔隙型潛水和承壓水。場(chǎng)地潛水穩(wěn)定水位埋深約0.5～2.0 m，承壓水穩(wěn)定水位埋深為6.5～7.0 m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑工程的規(guī)模、特點(diǎn)和所處的環(huán)境條件來(lái)分析，本基坑工程具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）基坑面積和開(kāi)挖深度大、形狀不規(guī)則，基坑空間效應(yīng)顯著。

2） 基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的土層多為軟弱土層，靈敏度高，受擾動(dòng)后物理力學(xué)性質(zhì)下降明顯，基坑時(shí)間效應(yīng)顯著。

3） 基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)分布多層厚層狀粉土，粉土層內(nèi)賦存的地下水具有承壓性，如地下水控制措施失效，易產(chǎn)生流土和管涌，對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響。

2.1 擋土結(jié)構(gòu)

根據(jù)基坑變形控制要求，擋土結(jié)構(gòu)選用φ1 200@1 600 和 φ1 400@1 900 的灌注樁，由基坑整體穩(wěn)定性和抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果確定擋土結(jié)構(gòu)嵌固深度，按照樁身彎矩包絡(luò)圖對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行分段配筋，基坑支護(hù)典型剖面見(jiàn)圖2。

圖2 基坑典型剖面圖（m）Fig.2 Vertical section of the foundation pit（m）

2.2 支撐結(jié)構(gòu)

由于基坑平面形狀不規(guī)則，采用傳統(tǒng)的角撐+對(duì)撐結(jié)合邊桁架的布置方案，需要設(shè)置大量穿越基坑內(nèi)部的桿件，不利于土方的開(kāi)挖和地下室結(jié)構(gòu)的施工。因此，結(jié)合基坑平面形狀和5 棟塔樓的分布位置，采用三圓環(huán)的支撐平面體系，最大限度形成無(wú)支撐覆蓋區(qū)域，為基坑工程的土方開(kāi)挖和主體施工創(chuàng)造便利條件（圖3），具體布置原則如下：

圖3 多圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.3 Multi-circular supporting structure and monitoring points layout

1）在基坑中部新迎小區(qū)陽(yáng)角部位設(shè)置對(duì)撐桁架，將基坑劃分為東西兩個(gè)區(qū)域，西區(qū)布置直徑144.2 m 的圓環(huán)，東區(qū)布置直徑103.0 m 的圓環(huán)，兩圓環(huán)相交區(qū)域設(shè)置環(huán)梁軸力轉(zhuǎn)換桿件，確保環(huán)梁推力的分解和傳遞。基坑南側(cè)角部設(shè)置1 個(gè)直徑50.0 m 的獨(dú)立圓環(huán)，其與大圓環(huán)之間采用對(duì)撐桁架進(jìn)行連接，減小應(yīng)力集中。

2）基坑角部設(shè)置角撐，角撐和對(duì)撐的連桿結(jié)合圓環(huán)徑向桿件設(shè)置，在達(dá)到局部區(qū)域受力平衡的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)圓環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定和水平力的傳遞提供有效的途徑。在環(huán)形支撐體系結(jié)構(gòu)剛度較小的區(qū)域和東西兩環(huán)梁相交區(qū)域，增設(shè)200 mm厚的鋼筋混凝土板，提高支撐體系的可靠性。

3）支撐體系的平面布置完全避開(kāi)了5 棟塔樓的豎向構(gòu)件，塔樓可在不拆撐的情況下持續(xù)向上施工主體結(jié)構(gòu)，縮短了項(xiàng)目總工期，桿件混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，截面參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 支擋結(jié)構(gòu)參數(shù)表Table 2 Retaining structure parameter table

2.3 截水帷幕

采用樁間和樁后設(shè)置2 排φ650@400 單軸水泥土攪拌樁隔斷坑內(nèi)與坑外地下水的水力聯(lián)系。

3 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 環(huán)梁軸力監(jiān)測(cè)

第1 道支撐梁分區(qū)澆筑完成，達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后，采用島式開(kāi)挖法進(jìn)行土方開(kāi)挖。土方開(kāi)挖首先保證南側(cè)小圓環(huán)投影范圍內(nèi)的出土，并按照西北角和東南角、西南角和東北角對(duì)稱開(kāi)挖的方案，南北向?qū)畏秶鷥?nèi)土方安排在最后，支撐梁施工順序與土方開(kāi)挖順序相同。支撐工作面范圍內(nèi)的土方開(kāi)挖時(shí)間持續(xù)了25 d，YL1-1～YL1-5監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的支撐軸力持續(xù)增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)軸力變化見(jiàn)圖4。

圖4 第1 道支撐軸力Fig.4 Axial force of the first supporting structure

第2 道支撐梁下方土體開(kāi)挖后，第1 道支撐上布置的YL1-1～YL1-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的支撐軸力持續(xù)增加，見(jiàn)圖4。第2 道支撐梁下方土體開(kāi)挖后，布置的YL2-1～YL2-5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的支撐軸力持續(xù)增加，YL2-3 監(jiān)測(cè)到的軸力20 500 kN，YL2-4監(jiān)測(cè)到的軸力15 000 kN，YL2-2 監(jiān)測(cè)到的軸力14 000 kN，均未超過(guò)設(shè)計(jì)值。

經(jīng)分析可知，第1 道環(huán)梁最大軸力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值差異較大，YL1-3～YL1-5 實(shí)測(cè)值均遠(yuǎn)大于計(jì)算值，第2 道圓環(huán)支撐軸力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較吻合。第1 道環(huán)梁和第2 道環(huán)梁軸力監(jiān)測(cè)值和計(jì)算值對(duì)比一覽表見(jiàn)表3。

表3 最大軸力計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比Table 3 Comparison of calculated and measured maximum axial force

首道環(huán)梁支撐軸力實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)超計(jì)算值的主要原因是：盲目趕工，土方開(kāi)挖未按照對(duì)稱、分層、分段開(kāi)挖的原則組織，導(dǎo)致首道支撐不平衡、快速加載。第2 道支撐以下方的土方開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)嚴(yán)格控制施工流程，在負(fù)二層地下室結(jié)構(gòu)和換撐板施工養(yǎng)護(hù)完成后拆除第2 道支撐，在負(fù)一層地下室結(jié)構(gòu)和換撐板施工養(yǎng)護(hù)完成后拆除第1道支撐的施工流程，使支撐內(nèi)力在可控范圍內(nèi)增長(zhǎng)，確保了基坑工程的安全使用。

3.2 土體深層水平位移監(jiān)測(cè)

基坑西側(cè)和東側(cè)中段，支撐體系剛度較小，屬于基坑抗水平變形薄弱區(qū)域。相應(yīng)區(qū)域布置的深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，土體深層水平位移最大值發(fā)生在坑底附近，且與泥炭質(zhì)土等軟弱土層的分布深度存在較好的相關(guān)性，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 SC3 深層土體水平位移Fig.5 Horizontal deformation of SC3 deep soil

監(jiān)測(cè)點(diǎn)SC4 布置基坑?xùn)|側(cè)興昭酒店處，測(cè)得的最大深層土體水平位移值達(dá)到78.5 mm，分區(qū)內(nèi)底板澆筑完成后位移仍有發(fā)展，直到地下室底板完全封閉后變形才趨于停止，分區(qū)底板封閉后至地下室墊層完全封閉期間的最大土體水平位移增量達(dá)18.5%，顯示了高靈敏度軟土受擾動(dòng)后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低會(huì)強(qiáng)化基坑的時(shí)空效應(yīng)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也驗(yàn)證了，坑底暴露時(shí)間短的區(qū)域其深層土體水平位移總量較小這一規(guī)律。

3.3 周邊建筑物沉降監(jiān)測(cè)

基坑?xùn)|側(cè)興昭酒店辦公樓距離基坑邊最近處為6.0 m，辦公樓平面呈較規(guī)則的矩形。通過(guò)布置在建筑軸線和角點(diǎn)處的6 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)F43～F48）獲得了建筑沉降數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)反映建筑整體沉降量較大，差異沉降量控制滿足設(shè)計(jì)要求的20.0 mm 的控制值，興昭酒店辦公樓豎向位移監(jiān)測(cè)成果見(jiàn)圖6。

圖6 興昭酒店辦公樓豎向位移Fig.6 Vertical displacement of Xingzhao Hotel office building

基坑?xùn)|側(cè)新迎小區(qū)27 棟垂直于基坑邊，位于新迎小區(qū)陽(yáng)角部位。通過(guò)布置在建筑軸線和角點(diǎn)處的8 個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（編號(hào)F50～F57）獲得了建筑沉降數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)反映建筑物豎向位移與距離基坑邊的距離密切相關(guān)，差異沉降量控制滿足設(shè)計(jì)要求的20.0 mm 的控制值。

4 施工過(guò)程中主要工程問(wèn)題處理

4.1 基坑側(cè)壁漏水的處理

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，在基坑南側(cè)和東南側(cè)粉土層中出現(xiàn)兩處涌水量較大的漏水點(diǎn)。對(duì)此，首先暫停漏水點(diǎn)處土方開(kāi)挖，同時(shí)采用砂袋圍堰反壓控制漏水情況進(jìn)一步擴(kuò)大，然后在漏水點(diǎn)樁后側(cè)進(jìn)行雙液灌漿處理，漏水點(diǎn)隨即被有效封堵。因?qū)β┧c(diǎn)處理較及時(shí)，且該區(qū)域新迎中學(xué)教學(xué)樓距離漏水點(diǎn)較遠(yuǎn)，坑壁涌水未對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)造成不良影響。

4.2 土方無(wú)序開(kāi)挖的處理

在開(kāi)挖第一道支撐下方土體的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)一味地追求施工進(jìn)度，未按照“分層、分段、對(duì)稱”的原則組織土方開(kāi)挖[10-11]，導(dǎo)致先開(kāi)挖區(qū)域深層水平位移和地面豎向位移急劇變化，監(jiān)測(cè)到支撐體系內(nèi)力大大超過(guò)設(shè)計(jì)值，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)持續(xù)報(bào)警。經(jīng)基坑支護(hù)施工（設(shè)計(jì)）單位多次書(shū)面交涉，各方對(duì)后續(xù)施工達(dá)成一致意見(jiàn)：由基坑支護(hù)施工（設(shè)計(jì)）單位統(tǒng)一協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)土方開(kāi)挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工。隨后的施工過(guò)程中，各方落實(shí)“分層、分段、對(duì)稱”開(kāi)挖，“先撐后挖、限時(shí)封閉、先換撐后拆撐”的施工原則，較好地控制了支撐內(nèi)力和周邊環(huán)境變形的發(fā)展，確保了基坑支護(hù)工程的安全，確保了土方和主體結(jié)構(gòu)施工的順利實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

1）軟土地區(qū)采用圓環(huán)支撐體系時(shí)，應(yīng)該充分考慮周邊環(huán)境控制要求、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、施工及工期等多方面因素，并應(yīng)計(jì)入施工荷載的影響。

2）圓環(huán)采用分離式布置時(shí)，圓環(huán)間采用對(duì)撐桁架進(jìn)行連接，避免局部應(yīng)力集中。圓環(huán)采用相交布置時(shí)，環(huán)梁相交區(qū)域的應(yīng)力條件復(fù)雜，需設(shè)置環(huán)梁軸力轉(zhuǎn)換桿件，確保拱推力的分解和傳遞。

3）軟土地區(qū)采用圓環(huán)內(nèi)支撐體系時(shí)，要求設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工，施工服從設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)成果反饋的信息進(jìn)行必要調(diào)整，保障工程的安全。

4）軟土地區(qū)采用圓環(huán)內(nèi)支撐體系時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制土方開(kāi)挖的順序和速率，使土體應(yīng)力在可控的狀態(tài)下作用于支撐體系上。環(huán)形內(nèi)支撐應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性，支錨剛度小的部位集中了較大的應(yīng)力和彎矩，可通過(guò)設(shè)置現(xiàn)澆混凝土板對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

5）軟土地區(qū)基坑工程應(yīng)縮短坑底土體開(kāi)挖后暴露的時(shí)間，避免高靈敏度軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞后產(chǎn)生持續(xù)蠕變，對(duì)基坑周邊環(huán)境的持續(xù)不利影響。