深基坑內(nèi)支撐支護體系在工程中的應(yīng)用

耿秋紅

（山西三建集團有限公司，山西 長治 046000）

0 引言

當(dāng)前城市建筑分布密度高，且高層或超高層建筑居多，對于深基坑支護要求較高。支護體系的應(yīng)用可以保證基坑邊坡穩(wěn)定，為基坑施工安全、有序開展提供技術(shù)保障，還不影響基坑既有建筑物、地下管線、周邊物體的安全和正常使用。內(nèi)支撐支護體系因技術(shù)可行性較高、技術(shù)發(fā)展較為成熟，被廣泛應(yīng)用。本文以該支護體系的具體應(yīng)用為例進行分析，詳細(xì)如下：

1 深基坑內(nèi)支撐支護體系的優(yōu)缺點

內(nèi)支撐支護體系主要由內(nèi)支撐體系與擋土結(jié)構(gòu)兩個部門組成，在基坑開挖過程中產(chǎn)生的土壓力與水壓力由擋土結(jié)構(gòu)承擔(dān)，并將側(cè)向壓力傳遞至內(nèi)支撐，以避免地下水滲漏問題的發(fā)生[1]。通常情況下，支撐結(jié)構(gòu)布置分為水平支撐體系與豎向斜支撐體系兩類。

該體系的優(yōu)點如下：①適用范圍廣，即使在軟弱地層基坑施工中，也可發(fā)揮其作用，應(yīng)用于鄰近施工環(huán)境有密集建筑的工程中，內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)也可有效減少基坑變形，該體系中的構(gòu)件承載力性能只受材料強度、尺寸以及形式影響，不受周圍土質(zhì)制約；②不受基坑開挖深度影響，可根據(jù)基坑開挖深度與土壓力值編制施工方案，技術(shù)操作便捷、經(jīng)濟性高。

該體系的缺點如下：需要較大作業(yè)空間，對土方開挖及主體結(jié)構(gòu)施工造成影響；下層支撐結(jié)構(gòu)拆除時，會造成基坑鄰近地層位移；內(nèi)支撐內(nèi)力易受外部環(huán)境影響。如寬度為25m的基坑，外部環(huán)境溫度由30℃降低至20℃，則支撐結(jié)構(gòu)會縮短，而基坑的變形量增大；溫度上升至30℃，變形無法恢復(fù)，基坑內(nèi)的支撐內(nèi)力增大。為此，若在高溫環(huán)境下施工，需對內(nèi)支撐構(gòu)件做好涂漆或冷卻處理。

2 深基坑內(nèi)支撐支護施工方案的確立

編制支撐支護方案前，需對工程現(xiàn)場進行全面勘察，若環(huán)境復(fù)雜，則需提前做好處理為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造穩(wěn)定的施工環(huán)境。但因建筑群分布密度高，對于土地的利用率高，施工難度也有所增大。為弱化施工環(huán)境對內(nèi)支撐支護工藝的負(fù)面影響，保證施工質(zhì)量，需開展方案比選工作。施工單位需就前期勘察中獲取的有關(guān)地質(zhì)土壤與水文資料對各方案進行比較分析，充分發(fā)揮內(nèi)支撐支護工藝的優(yōu)勢。同時，方案比選時，需明確施工作業(yè)流程，劃分作業(yè)區(qū)段，對支護施工進行實況模擬，保障方案適用性和可操作性[2]。此外，對于施工中易出現(xiàn)的安全隱患進行排查，編制應(yīng)急方案，組織各項目部開展研討會議，對方案進行論證。

3 實例分析深基坑內(nèi)支撐支護體系在工程中的應(yīng)用

某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?xùn)|側(cè)為在建的高鐵東站站房，距離基坑邊約14.9m；南側(cè)為規(guī)劃中的市政道路，距用地紅線距離小于31.5m；西側(cè)距用地紅線和規(guī)劃中的高鐵路約16.4m；北側(cè)距同期建設(shè)的預(yù)留軌道交通1號線東站約8.1m。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(cè)壁安全等級為一級。該處地貌屬于徐淮黃泛平原區(qū)，地貌單元屬于沖積扇三角洲。

3.1 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(shù)大，而且物理性質(zhì)指標(biāo)差，基坑等級為一級。地層局部有淤泥質(zhì)土，基坑開挖時的坍塌和漏水風(fēng)險極大。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)嚴(yán)格控制地層沉降，東側(cè)緊鄰已建高鐵軌道和在建站房；北側(cè)距在建地鐵站僅為5m，且地鐵區(qū)間盾構(gòu)很快會通過該區(qū)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(cè)和西側(cè)開挖深度內(nèi)存有較厚的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，需要采用較大剛度的支護結(jié)構(gòu)確保基坑開挖對周邊環(huán)境產(chǎn)生較小的影響。同時，現(xiàn)場施工環(huán)境錯綜復(fù)雜，采用多家單位同時作業(yè)。另外，根據(jù)國家高鐵線網(wǎng)規(guī)劃，高鐵于2019年12月通車運行，建設(shè)工期要求十分緊迫。而且復(fù)雜的工程地質(zhì)、水文條件是該基坑工程設(shè)計與施工中必須重點考慮并妥善處理的問題之一。

3.2 基坑總體方案設(shè)計

該工程周邊環(huán)境較為復(fù)雜，整個場地下設(shè)3層地下室，基坑面積約為58936m2，預(yù)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(huán)境復(fù)雜等特點。經(jīng)過多次方案比選，確定該基坑?xùn)|側(cè)和南側(cè)采用圍護樁+TRD止水帷幕結(jié)合內(nèi)支撐支護，北側(cè)和東側(cè)采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐支護，支護剖面如圖1所示。

圖1 地下連續(xù)墻支護剖面

3.3 圓環(huán)支撐設(shè)計

基坑?xùn)|西長約為256m，南北寬約為225m，基坑平面形狀接近矩形，較為規(guī)則，基坑采用具有拱形效應(yīng)的環(huán)形支撐，通過拱形效應(yīng)將內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)化為軸力的形式，以充分發(fā)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(huán)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(jié)構(gòu)水平力傳至環(huán)形支撐，支撐桿件均指向圓環(huán)中心，圓心角為4°～6°；靠近基坑角部及局部區(qū)域，利用傳統(tǒng)角撐+對撐的布置形式。

3.4 圓環(huán)支撐內(nèi)力及變形特征

此次計算采用理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件V7.5進行內(nèi)支撐桿件受力及變形計算。采用空間整體協(xié)同有限元計算方法，考慮了支護結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)以及土空間整體協(xié)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(nèi)變形為主，最大位移為38.63mm。

當(dāng)基坑開挖至坑底時，由于環(huán)梁特殊的受力特性，基坑側(cè)壁水土壓力大部分經(jīng)過支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為環(huán)梁軸力，軸力計算結(jié)果如圖2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。三道環(huán)撐受力狀態(tài)均以軸力為主，因此環(huán)形內(nèi)支撐可以充分發(fā)揮混凝土材料截面抗壓優(yōu)點。對于壓力最大值，內(nèi)側(cè)兩道環(huán)梁軸力分布沒有較大的差異，最外側(cè)一道環(huán)形內(nèi)支撐軸力較大值出現(xiàn)在鉆孔灌注樁支護的一側(cè)，說明地下連續(xù)墻剛度要優(yōu)于鉆孔灌注樁，可以承受更大一部分的土壓力。

圖2 軸力計算結(jié)果云圖（單位：kN）

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

3.5 監(jiān)測結(jié)果

該基坑工程監(jiān)測主要是對深層水平位移、內(nèi)支撐軸力、立柱沉降和地表及鄰近建筑物位移等內(nèi)容進行監(jiān)測，其中設(shè)置22個深層水平位移監(jiān)測點，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)每層共布設(shè)36個內(nèi)力監(jiān)測點，立柱共布設(shè)60個沉降監(jiān)測點，基坑周邊地表沉降監(jiān)測點共布設(shè)38個。根據(jù)監(jiān)測資料可知，從基坑開挖至地下結(jié)構(gòu)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(biāo)均在控制范圍內(nèi)，工程達到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

綜上所述，建筑工程深基坑施工中，需從基坑開挖至基礎(chǔ)竣工，對各項數(shù)據(jù)進行跟蹤監(jiān)測，而基坑及周邊地基的變形量也必須在可控范圍內(nèi)。需注意的是，內(nèi)支撐支護體系的設(shè)計及施工必須對工程現(xiàn)場的地質(zhì)、水文情況、周邊環(huán)境等進行綜合考量，通過方案比選最佳方案。同時，做好施工過程管控，竣工后及時監(jiān)測，以保證深基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、安全。