敏感環境長條形深基坑內支撐設計及數值分析

張道欣 蔣錄珍 郭建明 安軍海

摘 要： 為探究長條形深基坑在敏感環境下采取何種內支撐布置型式可以保證緊鄰既有建筑及基坑的安全和穩定，以某基坑工程為背景，利用MIDAS GTS NX 對基坑進行考慮土體-結構相互作用的三維上下協同分析，對比了不同支護下的周邊建筑控制指標，并且與監測報警值以及現場監測數據進行了對比。結果表明，對撐+角撐型式內支撐較其他類型更為適用;內支撐布置型式對基底隆起的變化形態有顯著影響，但對于基底隆起量的影響較小;角撐型和雙圓形環梁型內支撐在使用時應增加薄弱點處的剛度。采用對撐+角撐型內支撐既能保證基坑的安全又能較好地控制緊鄰既有建筑的變形，對類似工程的設計、施工和變形控制有一定的參考價值。

關鍵詞： 地下工程;深基坑;內支撐設計;有限元分析;監測分析

中圖分類號：TU942 文獻標識碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06009

Design and numerical analysis of internal support for long

strip deep foundation pit in sensitive environment

ZHANG Daoxin1， JIANG Luzhen1， GUO Jianming2， AN Junhai1

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Jike Engineering Project Management Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：

In order to explore what kind of internal support layout can ensure the safety and stability of adjacent existing buildings in the sensitive environment of long strip deep foundation pit， taking an actual project as the background，

MIDAS GTS NX was used to analyze the three-dimensional interaction of soil and structure in the foundation pit，and the deformation control indexes of the surrounding buildings and foundation pit under various types of internal support were compared， which were also compared with the monitoring alarm value and field monitoring data. The results show that internal support of the opposite brace and angle brace type is more suitable than other types; the layout of the internal support has a significant effect on the change of the basement uplift， but has little effect on the amount of the uplift; it is suggested to increase the stiffness of the weak point when using the corner brace type support and the double circular ring beam type inner support. The opposite brace and angle brace type internal support can not only ensure the safety of foundation pit， but also better control the deformation of adjacent existing buildings， which has certain reference value for the design， construction and deformation control of similar projects.

Keywords：underground engineering; deep foundation pit; internal support design; finite element analysis; monitoring analysis

隨著施工環境愈加敏感復雜，深基坑設計已由強度控制轉向變形控制，并對變形控制指標提出了更嚴格的要求[1-2]。內支撐支護結構憑借剛度大、變形小、構造明確等優點得到青睞，尤其是在對變形控制異常嚴格的超深基坑工程中應用廣泛[3]。WANG等[4]利用有限元分析軟件對內支撐支護結構和雙排樁斜撐樁錨聯合支護結構進行了對比分析，發現內支撐支護結構對相鄰建筑物的沉降變形控制更好。DAI等[5]、YANG[6]、李科增等[7]均研究了地連墻和內支撐相結合的支護方案，發現該支護方式安全性高、適應性強、穩定性好。

內支撐布置方案多種多樣。龔曉南等[8]發現不同的內支撐方案會對基坑變形產生不同影響。姜忻良等[9]以天津銅鑼灣廣場深基坑工程為研究背景，討論了雙環梁支護體系的適用范圍以及內力和位移變化規律。侯新宇等[10]依托蘇州某地鐵換乘站深基坑，研究了3種不同內支撐方案的優缺點。李明[11]、董桂紅等[12]考慮到井字形內支撐支護方案出土效率低的缺點，結合實際工程情況，設計了圓環桁架內支撐支護結構。曾萌等[13]通過改變斜撐的布置方式，研究了不同環形支撐平面布置方案對桿件內力及位移的影響。張明聚等[14]結合北京某地鐵車站深基坑工程，利用FLAC3D研究了鋼支撐預加軸力對基坑穩定性的影響。考慮到鋼支撐滯后架設會導致基坑超挖，胡之鋒等[15]結合實際工程分析了不同程度以及不同位置處的鋼支撐滯后架設對內支撐內力的影響。陳江等[16]通過調整內支撐的豎向間距和平面布置，對杭州市某深基坑進行了系統優化。馬將[17]構建了基坑變形預測模型，對采用內支撐支護的某基坑進行高精度預測。因此，對采用內支撐的基坑工程，在設計階段應對內支撐的選型、受力和變形進行細致分析，防患于未然。

筆者采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX對河北省某醫院深基坑工程進行施工過程全真模擬，分析不同內支撐布置型式的優缺點，根據分析結果對內支撐選型和設計提出相應的建議，為類似工程的設計、施工和變形控制提供參考。

1 工程概況

河北省某醫院深基坑工程位于石家莊市，基坑長83.35 m，寬33.95 m，深26.35～28.50 m，為典型的長條形超深基坑，如圖1所示。該項目的設計及施工難點在于對緊鄰既有建筑的影響控制。基坑周邊存在大量建筑且均緊鄰基坑邊緣，最小距離僅2.60 m。而且，各建筑結構形式不同，受力變形各異，如三號病房樓、醫技病房樓和門診樓為混凝土框架結構建筑，均設有2層地下室，急診周轉樓為鋼結構建筑，二號病房樓為老舊磚結構建筑。由于項目位于院區內部，考慮到病人和儀器設備的特殊性，不僅需要保證建筑不出現裂縫等重大安全問題，更需要嚴格控制建筑的變形量和變形速率。同時，該場地附近有大量的地下管線、綜合管廊[18]等設施，在施工時要格外注意這些生命線工程。總的來說，該基坑處于一個非常復雜敏感的施工環境，施工難度非常大，危險性也非常高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX建立的考慮土體-結構相互作用的三維上下協同分析模型如圖2所示。根據規范[19]要求，模型水平尺寸取3倍基坑開挖深度;結合工程經驗，模型豎向尺寸取 1倍樁基深度。考慮到周邊建筑以及土層性質的影響，部分計算區域有所放大，最終有限元計算模型的尺寸為280 m×200 m×65 m。

項目擬采用樁錨撐聯合支護方案，為選取合適的內支撐布置型式，設計了對撐+角撐型、角撐型、雙圓形環梁型及橢圓形環梁型4種型式，各型內支撐如圖3所示。

2.2 土體及結構參數選取

土體采用能夠考慮土剛度與應力狀態相關性的修正摩爾-庫倫本構模型，土體物理力學各參數取值如表1所示。根據巖土工程勘察報告，地下水類型屬第四系孔隙潛水，地下水穩定水位埋深大于50 m，遠大于基坑開挖深度，可不考慮其對基坑及建筑的影響。

內支撐、冠梁、圍檁、腰梁、立柱、立柱樁、框架梁、框架柱、構造柱、圈梁采用1D梁單元模擬，錨索采用1D植入式桁架單元模擬，護坡樁等效為地下連續墻并采用2D板單元模擬，樓板、磚墻、地下室側墻采用2D板單元模擬。上述結構單元均采用彈性本構模型，具體參數取值如表2所示。

2.3 施工過程模擬

為較真實地還原工程施工過程，減小計算誤差，嚴格按照實際施工工況進行模擬，基坑開挖及支護順序如表3所示。

3 結果分析

3.1 周邊建筑變形分析

為確保周邊建筑的安全和穩定，對門診樓等5棟建筑均進行了詳細的監測，限于篇幅，本文僅選取具有代表性的部分監測點進行分析，監測點平面布置如圖1所示。

各工況下的建筑豎向位移如圖4所示。由圖4可知，急診樓和門診樓在采用不同內支撐型式時的變形差別不大且變形量均較小。原因如下：首先，兩棟建筑均處于基坑短邊一側，較長邊而言，短邊方向受基坑開挖影響較小;其次，如圖3所示的4種內支撐型式在基坑東西兩側布置方式類似，剛度差別不大，但是二號病房樓和醫技病房樓在不同內支撐型式下的響應表現出較大差異，可以明顯發現使用角撐型和雙圓形環梁型時的建筑變形過大，不符合規范[20]要求。因此，單就控制建筑變形而言，對撐+角撐型和橢圓形環梁型更為適用。

3.2 護坡樁深層水平位移分析

開挖完成后，護坡樁深層水平位移隨深度的變化曲線如圖5所示。角撐型內支撐在控制護坡樁變形方面表現較差，在其支護下護坡樁最大水平位移為38.26 mm，遠大于監測報警值25 mm。由圖5可知，使用雙圓形環梁支護時，5～16 m深度范圍的樁身變形量均大于報警值的60%，在實際工程中此變形是十分危險的，必須立即進行危險報警。使用對撐+角撐型和橢圓形環梁型內支撐支護下的護坡樁深層水平位移變化趨勢基本一致，呈現中間大兩端小的弓形分布，且均滿足變形控制的要求。

3.3 基底隆起分析

為展示不同內支撐布置型式下的基底隆起情況，將4種支撐下的有限元結果陳列如圖6所示。使用對撐+角撐型、角撐型、雙圓形環梁型及橢圓形環梁型內支撐時，基底最大隆起量分別為9，9，8.93和8.75 mm，即雖然基底隆起的形態高度依賴于內支撐型式，但其大小與內支撐型式相關性不大。

3.4 方案選取

從內支撐結構受力和傳力機理角度而言，角撐型和雙圓形環梁型內支撐在垂直于基坑長邊方向上的內支撐布置缺失或不足，導致傳力途徑不暢通，使得角撐型內支撐的長邊中點部位和雙圓形環梁型內支撐與基坑長邊相切的部位為明顯的薄弱點，在土壓力作用下，該部位容易產生超過規范限值的危險變形。因此，在實際工程中，若條件允許，上述兩種內支撐布置型式不宜優先采用。而對撐+角撐型和橢圓形環梁型內支撐在垂直于基坑長邊方向上布設了合理的內支撐，使得內支撐體系共同受力以抵抗變形，整體性好，在實際工程中宜優先考慮。

但根據規范[21]要求，基坑支護結構在設計和施工時除應做到安全適用和確保質量外，還需滿足經濟合理和技術先進的要求。由圖3可知，首先，橢圓形環梁需要使用更多的建筑材料用于施作內支撐、立柱及立柱樁等支護結構，這將大幅增加工程造價;其次，橢圓形環梁的構造更加復雜，施工難度更大，不利于工程快速推進。因此，經綜合評定，認為對撐+角撐型內支撐更適用于此類敏感環境長條形超深基坑工程，故建議河北省某醫院深基坑工程采用該類型內支撐。

4 結 語

依托河北省某醫院深基坑工程，利用有限元方法探究了多種內支撐布置型式在敏感環境長條形深基坑的適用性，研究結果表明：

1）相對于角撐型、雙圓形環梁型及橢圓形環梁型內支撐，對撐+角撐型內支撐更適用于此類敏感環境長條形超深基坑工程，既能保證基坑的安全又能較好地控制緊鄰既有建筑的變形;

2）內支撐布置型式對基底隆起的變形形態有顯著影響，但對于基底隆起量的影響較小;

3）考慮到角撐型和雙圓形環梁型內支撐在垂直于基坑長邊方向上的內支撐布置缺失或不足，存在明顯的受力薄弱點，較易發生破壞，若在實際工程中采用上述兩種內支撐布置型式，建議增加薄弱點處的剛度。

本文考慮的敏感環境僅為基坑周邊的各類復雜建筑，今后可考慮交通荷載、降雨入滲、地下水等因素對內支撐布置型式的影響，提出更加合理的內支撐布置型式及設計建議以用于實際工程。

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