復雜環境下大直徑圓環內支撐深基坑支護應用研究

中鐵四局集團有限公司設計研究院，安徽 合肥 230000

1 工程概況

淮安東站交通樞紐工程地下空間項目的地下一層為換乘大廳，兩層通高，地下二、三層為社會停車場。基坑東側為在建的淮安高鐵東站站房，距離基坑邊約14.9m；南側為規劃中的順達路，距用地紅線距離小于31.5m；西側距用地紅線和規劃中的高鐵路約16.4m；北側距同期建設的預留軌道交通1號線淮安東站約8.1m，和規劃中的枚皋路相連。基坑開挖深度為15.8～17.5m，基坑開挖面積約為58936m2，基坑周長約為1005m，該基坑側壁安全等級為一級，基坑現場如圖1所示。該處地貌屬于徐淮黃泛平原區，地貌單元屬于沖積扇三角洲，各土層分布及特征如表1所示。

表1 土層分布及特性

圖1 基坑圍護結構整體圖

該地區對工程有影響的地下水為潛水和承壓水。潛水主要位于②1層砂質粉土中，受大氣降水控制，水位變化幅度為3.5m左右；雨季期間水位會增高。承壓水主要埋藏于③1層砂質粉土和③4層粉砂中（③1和③4層具聯通性），水量較豐富，接受側向徑流補給，徑流以側向為主，排泄方式以徑流為主。第Ⅱ層承壓水主要埋藏于③6a層中砂和③7層粉砂中，接受側向徑流補給，徑流以側向為主，排泄方式以徑流為主，局部為人工開采。

2 基坑工程重難點及方案設計

2.1 基坑工程重難點

該基坑開挖面積約為58936m2，基坑周長約為1005m，開挖深度為15.8～17.5m，屬于深基坑工程。項目地下水豐富，有兩層高水頭承壓水，地層以粉土粉砂為主，滲透系數大，而且物理性質指標差，基坑等級為一級。地層局部有淤泥質土，如果沒有可靠的支護措施，基坑開挖時的坍塌和漏水風險極大。基坑周邊環境復雜，應嚴格控制地層沉降，東側緊鄰已建高鐵軌道和在建站房；北側距在建地鐵站僅為5m，且地鐵區間盾構很快會通過該區域。高鐵軌道和地鐵建筑變形控制要求極高，如不進行控制極易造成地層變形過大，從而影響安全。基坑南側和西側開挖深度內存有較厚的淤泥質粉質黏土，需要采用較大剛度的支護結構確保基坑開挖對周邊環境產生較小的影響。同時，現場施工環境錯綜復雜，采用多家單位同時作業。另外，根據國家高鐵線網規劃，連鎮高鐵于2019年12月通車運行，淮安東站屆時將同步投入使用，建設工期要求十分緊迫。而且復雜的工程地質、水文條件是該基坑工程設計與施工中必須重點考慮并妥善處理的問題之一。

2.2 基坑總體方案設計

該工程周邊環境較為復雜，整個場地下設3層地下室，基坑面積約為58936m2，預估基坑開挖深度最大為17.5m左右，屬于超大面積一級深基坑，具有基坑面積大、開挖深度大、周圍環境復雜等特點。經過多次方案比選，確定該基坑東側和南側采用圍護樁+TRD止水帷幕結合內支撐支護，北側和東側采用地下連續墻結合內支撐支護。支護剖面如圖2所示。

圖2 支護結構剖面圖（標高單位：m；長度單位：mm）

2.3 圓環支撐設計

基坑東西長約為256m，南北寬約為225m，基坑平面形狀接近矩形，較為規則，基坑采用具有拱形效應的環形支撐，通過拱形效應將內力大部分轉化為軸力的形式，以充分發揮混凝土材料的抗壓特性。基坑中心布置3道完整的同心圓環支撐，直徑分別為187.3m、203.3m、223.3m；基坑四周采用角撐和連系梁將圍護結構水平力傳至環形支撐，支撐桿件均指向圓環中心，圓心角為4°～6°；靠近基坑角部及局部區域，利用傳統角撐+對撐的布置形式。

2.4 圓環支撐內力及變形特征

此次計算采用理正深基坑支護結構設計軟件V7.5進行內支撐桿件受力及變形計算，計算結果如圖3所示。采用空間整體協同有限元計算方法，考慮了支護結構、內支撐結構以及土空間整體協同作用的線彈性有限元計算方法。計算表明，基坑主要為水平向坑內變形為主，最大位移為38.63mm。

圖3 理正三維整體協同計算位移云圖（單位：mm）

當基坑開挖至坑底時，由于環梁特殊的受力特性，基坑側壁水土壓力大部分經過支撐結構轉化為環梁軸力，軸力計算結果如圖4所示。第一層支撐最大軸力為8592.7kN，最大彎矩為3669kN·m；第二層支撐最大軸力為31328.4kN，最大彎矩為7703kN·m。從圖4中可以看出三道環撐受力狀態均以軸力為主，因此環形內支撐可以充分發揮混凝土材料截面抗壓優點。對于壓力最大值，內側兩道環梁軸力分布沒有較大的差異，最外側一道環形內支撐軸力較大值出現在鉆孔灌注樁支護的一側，說明地下連續墻剛度要優于鉆孔灌注樁，可以承受更大一部分的土壓力。

圖4 軸力計算結果云圖（單位：kN）

環形內支撐受力以軸力為主，環撐結構同時也存在部分彎矩和剪力，因此理論中的完全受壓狀態在實際應用中是不存在的。剪力計算結果要小于軸力，最大值一般位于結構的交點。除此之外，計算結果顯示彎矩也是普遍存在于支撐結構中的，其中環撐彎矩的正負最值都集中出現在基坑邊中部位置處，彎矩最大值達到7703kN·m。另外，冠梁、環撐、支撐聯系梁之間節點處彎矩也偏大，對于節點這種彎剪軸復合受力狀態，在設計截面尺寸和配筋時，必須預留足夠的強度安全儲備。

3 監測結果

該基坑工程監測主要是對深層水平位移、內支撐軸力、立柱沉降和地表及鄰近建筑物位移等內容進行監測，其中設置22個深層水平位移監測點，內支撐結構每層共布設36個內力監測點，立柱共布設60個沉降監測點，基坑周邊地表沉降監測點共布設38個。

根據監測資料可知，從基坑開挖至地下結構澆筑完成，基坑圍護墻頂最大累計水平位移為57.6mm；支撐最大軸力為32381.9kN；立柱最大沉降為9.3mm，隆起最大為10.8mm；周邊地表最大沉降為9.7mm。整個施工過程中各項指標均在控制范圍內，工程達到了預期效果。

4 結論

（1）通過對淮安東站交通樞紐工程地下空間項目站前廣場深基坑工程周邊環境和地質水文條件的分析，確定了以3道同心圓環內支撐結合地下連續墻和鉆孔灌注樁的支護方式，工程使用效果表明圓環支撐提供了較大的基坑平面自由空間，為施工提供了極大的便利。

（2）由內力分析結果可知，圓環支撐受力以軸力為主，充分發揮了混凝土的抗壓性能，但圓形支撐并不是理想中的完全受壓狀態，同時也存在部分剪力與彎矩，支撐節點處于復合受力狀態，設計時應考慮足夠的安全儲備。

（3）基坑監測結果表明，基坑在使用過程中，其各項指標均在可控范圍內，基坑圍護結構水平位移、周邊地表沉降等與理論計算值較為接近，局部水平位移實際值大于計算值，但均未超過限值，整體較為合理。