多圓環支撐結構在軟土地區深基坑中的設計研究

章萬勝

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司,天津 300074)

0 引 言

為適應城市地下空間利用水平的不斷提升，控制周邊環境受到的基坑開挖影響，排樁加鋼筋混凝土內支撐方式的應用日漸廣泛，圓環支撐體系則屬于該方式的典型應用，能夠實現基坑變形的有效控制、支撐體系安全性的更好保障。為更好開展軟土地區深基坑支護，正是本文圍繞多圓環支撐結構開展具體研究的原因所在。

1 工程概況

以某建筑工程作為研究對象，工程設有3層地下室，基坑周長、基坑面積分別為820 m、38 500 m2，基坑平面呈不規則狀，存在15.4～16.7 m的開挖深度。基坑周邊環境復雜，環境保護要求較高，市政管線和建筑物密布，周邊存在包括磚混結構建筑、框架結構建筑、機動車道、市政管線、地鐵站。圍繞工程地質和水文地質條件進行分析可以發現，較厚填土層普遍分布于場地內，主要存在第四系沖洪積相和湖沼相沉積地層，以粉土、黏性土、泥炭質土層為主，地下水屬于承壓水和孔隙型潛水，場地承壓水、潛水穩定水位埋深分別為6.5～7.0 m、0.5～2.0 m，工程場地屬于典型的軟土地區[1]。

2 基于多圓環支撐結構的深基坑設計

2.1 基坑特點分析

結合工程實際分析基坑特點可以發現，基坑主要三方面特點。第一，基坑形狀不規則、開挖深度和面積較大，且存在顯著的基坑空間效應；第二，軟弱土層會受到基坑開挖直接影響，靈敏度較高的軟弱土層受擾動后會出現明顯下降的物理力學性質，同時存在顯著的基坑時間效應；第三，多層厚層狀粉土分布于基坑開挖深度范圍內，存在具有承壓性的粉土層內賦存地下水，如地下水控制措施無法發揮預期效用，流土和管涌情況將出現，周邊環境也會受到負面影響。

2.2 支撐結構設計

為應對形狀不規則的基坑，角撐+對撐結合邊桁架的傳統基坑支護布置方案需要使用大量桿件，這類桿件需要穿越基坑內部，土方開挖、地下室結構施工的順利開展會受到嚴重負面影響。基于基坑平面形狀和工程實際，工程采用了多圓環支撐結構(三圓環)，無支撐覆蓋區域因此得以最大限度形成，土方開挖和主體施工由此獲得了有力支持，圖1為多圓環支撐結構和監測點平面布置示意圖，圖2為基坑典型剖面圖[2]。

圖1 多圓環支撐結構和監測點平面布置示意圖

圖2 基坑典型剖面圖

基于圖1桿系布置及檢測點進行分析可以發現，工程設置對撐桁架于基坑中部陽角部位，基坑由此被劃分為東西兩個區域。西區、東區分別布置144.14 m、102.83 m直徑的圓環，環梁軸力轉換桿件設置于兩圓環相交區域，以此分解和傳遞環梁推力。設置50.0 m直徑的獨立圓環于基坑南側角部，采用對撐桁架連接大圓環，應力集中可由此減少。設置角撐于基坑角部，結合圓環徑向桿件設置角撐和對撐的連桿，以此保證局部區域受力平衡實現，同時水平力的傳遞和圓環系統的穩定可獲得途徑支持。增設鋼筋混凝土板(厚200 mm)于東西兩環梁相交區域和存在較小環形支撐體系結構剛度的區域，多圓環支撐結構的支撐可靠性和安全性因此進一步提升。工程完全避開建筑的豎向構件進行支撐體系的平面布置，建筑向上施工主體結構可在不拆撐的情況下持續開展，工程工期因此縮短，具體采用C35等級的混凝土桿件。此外，為基于截水帷幕隔斷坑外與坑內地下水的水力聯系，工程針對性設置了 650@400單軸水泥土攪拌樁2排[3]。

3 基坑監測結果及施工問題處理

3.1 基坑監測結果

基于圖1所示的監測點布置(監測點布置圖)，工程針對性開展了基坑的環梁軸力監測、土體深層水平位移監測、周邊建筑物沉降監測。基于環梁軸力監測可以發現，在澆筑完成第1道支撐梁分區后，土方開挖基于島式開挖法進行，此時需保證澆筑強度達到設計要求。南側小圓環投影范圍內的出土需在開挖過程中得到保障，并采用東南角和西北角、東北角和西南角對稱開挖的方案，最后開挖南北向對撐范圍內土方，基于土方開挖順序控制支撐梁施工順序。工程共開展25d土方開挖(支撐工作面范圍內)，監測點YL1-1～YL1-5存在持續增加的支撐軸力。在開挖第2道支撐梁下方土體后，監測點YL2-1～YL2-5存在持續增加的支撐軸力，YL2-3、YL2-4、YL2-2分別檢測到20 500 kN、15 000 kN、14 000 kN的軸力，對應的設計值分別為23 371 kN、17 475 kN、22 535 kN，可見實測結果均處于設計值范圍內。開展針對性分析可以確定，存在實測值與計算值相差較大的第1道環梁最大軸力，相較于計算值，監測點YL1-3～YL1-5存在偏大的實測值，第2道圓環支撐軸力的計算值與實測值基本吻合。之所以出現偏差，主要原因是由于盲目趕工，工程未能嚴格遵循分層、分段、對稱的土方開挖原則，不平衡的首道支撐快速加載引發了很多問題。第2道支撐下土方開挖對施工流程進行了針對性優化控制，因此得到在可控范圍內增長的支撐內力，基坑工程的安全使用得到了保障。

基于土體深層水平位移監測可以發現，支撐體系剛度較小的基坑東側和西側中段屬于基坑抗水平變形薄弱區域，坑底附近存在最大土體深層水平位移，這種位移與軟弱土層的分布深度關聯較為密切，圖3為深層土體水平位移示意圖。基于圖片進行分析可以確定，存在78.5 mm的最大深層土體水平位移值，且位移發展在分區內底板澆筑完成后仍然存在，變形停止出現于完全封閉地下室底板后，封閉分區底板至完全封閉地下室墊層期間存在18.5%的最大土體水平位移增量，基坑的時空效應因擾動高靈敏度軟土帶來的強度降低而強化；基于周邊建筑物沉降監測可以發現，周邊建筑存在較大的整體沉降量，但具體值處于20.0 mm的控制值內，分析數據可發現建筑距離基坑邊的距離與其豎向位移聯系緊密。

圖3 深層土體水平位移示意圖

3.2 施工問題處理

在軟土地區深基坑多圓環支撐結構施工中，工程針對性處理一系列施工問題，主要包括基坑側壁漏水、土方無序開挖，問題的出現源于追求施工進度和開挖不當及開挖速率過快等，地層本身因素與施工問題的出現也存在密切關聯。在工程的基坑開挖過程中，兩處涌水量較大的漏水點出現于基坑東南側和南側的粉土層中，為針對性處理基坑側壁漏水問題，施工單位立即停止了漏水點處土方開挖，為規避漏水擴大，針對性開展了沙袋圍堰反壓控制，并采用雙液灌漿處理漏水點樁后側，漏水點的有效封堵得以實現，快速及時的漏水點處理使得周邊環境及建筑物未受到不良影響；在基坑第一道支撐下方土體的開挖過程中，施工單位過于追求施工進度，具體的土方開挖未能嚴格遵循“對稱、分段、分層”原則開展，因此先開挖區域出現了急劇變化的地面豎向位移和深層水平位移，以及遠超過設計值的支撐體系內力監測值。基于上述問題，施工單位開展了多次書面交涉，最終工程施工單位對現場土方開挖與支護結構施工進行了統一協調，“對稱、分段、分層”原則在后續施工中得以嚴格落實，同時施工嚴格遵循了“先換撐后拆撐、限時封閉、先撐后挖”原則，周邊環境變形發展及支撐內力控制得以較好實現，施工安全和質量也得到了較好保障，深基坑多圓環支撐結構施工最終得以高質量順利完成。

4 結束語

綜上所述，多圓環支撐結構可較好用于軟土地區深基坑工程中。在此基礎上，本文涉及的支撐結構設計、基坑監測結果、施工問題處理等內容，則結合實例提供了可行性較高的多圓環支撐結構設計與應用路徑。為更好應對軟土地區深基坑，多圓環支撐結構的應用還需要關注局部應力集中問題的規避、土方開挖速率和順序的控制，以此應對軟土地區深基坑工程，但由于多圓環支撐結構的成本相對較高，地質條件較好的一般工程不宜采用這類結構。