基于自穩式鋼支撐基坑支護結構的基坑開挖研究

王建勝

(中鐵十六局集團有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著經濟快速發展，區域建筑密度越來越高，建筑建設過程對周邊區域及建筑影響越來越顯著[1]。基坑開挖是建筑建設的基礎，操作不當將對周邊建筑產生較大影響，造成地表與建筑物出現沉降[2]，當沉降量達到一定值后，將導致地表或建筑物使用功能損傷，嚴重將造成經濟損失或生命安全威脅。基于此，對基坑開挖方法的研究成為建筑領域關注的熱點[3]。

支護結構是一種針對建筑基坑采用的加固保護構造[4]，能夠保障基坑開挖與周邊環境的安全性，是基坑開挖的重要組成部分。目前，普遍采用的支護結構主要包括樁、墻式支護結構及實體重力式支護結構和組合式支護結構[5]。但這些支護結構受到建筑規模的影響，其穩定性有待加強。

自穩式鋼支撐基坑支護結構是一種組合式支護結構，其利用多種技術組合保障基坑安全的同時，還具有施工便捷、工期短、效益高、能耗低等優勢，得到廣泛應用，是當前支護結構中具有較大優勢的支護結構之一。自穩式鋼支撐基坑支護結構與傳統鋼支撐支護結構相比，可在無支撐條件下進行直立開挖，既大幅降低材料消耗又能節省施工時間，同時無大量廢棄混凝土產生，具有綠色環保功效。基于此，本文提出在自穩式鋼支撐基坑支護結構的基礎上，對建筑基坑開挖進行研究，分析其對周邊環境的影響。

2 建筑基坑開挖研究

2.1 工程概況

某地鐵車站采用雙層三跨側式站臺設計[6]，周邊存在大量建筑，車站基坑施工采用明挖與局部蓋挖法相結合的方式[7]。車站總長與站臺寬度分別為308.5 m 和8.1 m ＋8.1 m，設有 A、B、C、D 四個出口。車站中心里程、起點里程、終點里程分別為DK18＋210.9、DK18＋060.1和 DK18＋369.7，站臺中心區域頂板覆土厚2.7 m。

2.2 基坑支護結構設計

車站標準段基坑與盾構井段基坑的深度與寬度分別為(16.5×30.9)m和(17.2×20.0)m，整體面積達8 602.7 m2。首先對蓋挖段進行開挖，以該區域為主進行后續研究。

依據?建筑基坑支護技術規程?，本車站主體基坑達到一級基坑標準(基坑深度>12 m)，施工采用自穩式鋼支撐基坑支護結構。自穩式鋼支撐基坑支護結構以具有可回收特性與自穩特性的基坑支護組合技術為基礎，將支護結構與斜樁組合使用[8]，依照施工區域土層結構與基坑開挖深度等因素融合數種不同專利技術，最大限度利用軟土地區時空效應理論，實行分段開挖及分段澆筑施工。自穩式鋼支撐基坑支護結構具有四種支護模式[9]，可根據施工區域土層結構與基坑開挖深度選取相應支護模式，如圖1所示。

圖1 自穩式鋼支撐基坑支護結構支護模式

在基坑深度低于6 m時，可采用單排圍護樁與單排注漿鋼管支撐相結合的支護模式(模式一)。基坑深度處于6 m至7 m之間時，若施工區域淺層有較好土層，同樣可使用單排圍護樁與單排注漿鋼管支撐相結合的支護模式(模式一)；若施工區域土層為淤泥質，則采用雙排圍護樁與單排后拉注漿鋼管支撐相結合的支護模式(模式二)。當基坑深度大于7 m時，根據土層結構可分別采用雙排圍護樁與單排前撐注漿鋼管支撐相結合的支護模式(模式三)和雙排圍護樁與雙排注漿鋼管支撐相結合的支護模式(模式四)。

結合車站基坑深度與所處區域土層結構，本項目選取模式四對車站基坑支護結構進行設計。

2.3 建筑地基開挖對鄰近地表與建筑物影響

建筑基坑開挖主要研究其對鄰近地表與建筑的影響，可通過建筑地基開挖后鄰近區域地表沉降進行描述[10]。

車站基坑采用自穩式鋼支撐基坑支護結構進行開挖后，地表沉降上限計算公式為:

式中:?kmax為地表沉降上限(mm)；Ge為基坑深度(m)；ρ為結構系統剛度(N/m)；EI為自穩式鋼支撐基坑支護結構抗彎剛度(kN·m2)；ηw為水的重度(kN/m3)；g為鋼支撐豎向間距均值(m)；x和y均表示待定系數。

其能夠描述建筑基坑開挖后地表沉降上限、基坑深度和支護結構系統剛度之間的相關性[11－12]。

待定系數x、y值隨基坑寬度與深度變化而變化，其與Ge之間關系為:

式中:r為支護結構鋼支撐水平間距(m)；f為支護結構插入深度(m)；u為懸臂挖深(m)；k為支護結構鋼支撐沉降值(mm)。

式(3)和式(4)的判定函數均高于0.97，具有較高精度，在式(1)內加入x與y計算公式，得到:

r、f、u、k具體取值如表1所示。

表1 r、f、u、k 與基坑寬度關系擬合結果

隨著基坑寬度變化，支護結構鋼支撐沉降值的提升幅度較為顯著[13]；而鋼支撐水平間距、支護結構插入深度、懸臂挖深的上升趨勢并不顯著，均值分別在4.68、22.49和－0.43左右。由此得到地表沉降上限、基坑深度和支護結構系統剛度之間的相關性為:

基坑寬度同支護結構鋼支撐沉降值之間的相關性為:

將式(6)與式(7)結合，得到地表沉降上限表達式:

3 實例分析

3.1 試驗環境

為了驗證所提方法的科學有效性，進行試驗分析，試驗環境如圖2所示。

圖2 試驗環境

3.2 試驗參數

基坑土體主要物理參數如表2所示。

表2 試驗參數

3.3 觀測點選取

為研究建筑地基開挖對鄰近區域地表沉降的影響，針對某地鐵站的中心區域，分別布設建筑物觀測點、鋼支撐觀測點、地表觀測點，觀測點具體位置如圖3所示。

圖3 觀測點選取

在研究區域內共設置7個建筑物觀測點，分別用J1～J7表示；在地鐵站中心區域與車站A區域基坑之間設置7個地表觀測點，分別用D1～D7表示；在車站A區基坑支護結構鋼支撐上設置3個觀測點，分別用Z1～Z3表示。該試驗持續時間為1年，于2018年7月采用本文方法進行支護，并將未采用本文方法之前的數據進行記錄。

3.4 試驗結果分析

3.4.1 支護結構抗壓承載力

車站基坑采用自穩式鋼支撐基坑支護結構，其抗壓承載力對基坑開挖過程具有重要影響，采用支護結構承載力檢測技術檢測各支護結構鋼支撐極限承載力，檢測結果如表3所示。

表3 各支護結構鋼支撐觀測點檢測結果

由表3中數據可知，自穩式鋼支撐基坑支護結構極限承載力均達到1 100 kN，并且存在一定上升空間。較高的極限承載力可增強基坑穩定性，改善基坑沉降現象，保障基坑開挖安全性能。

3.4.2 基坑開挖對周邊地表沉降的影響分析

在基坑與建筑物之間設定7個觀測點，各觀測點位置地表沉降情況如圖4所示。

圖4 基坑開挖后周邊地表沉降變化曲線

分析圖4可以看出，在相同條件下，隨著分步開挖距離基坑中心距離的變化，7個觀測點豎向位移量不斷發生變化。其中，D1和D2觀測點的沉降變化較小，其他觀測點位置變化較大，這是由于在D1和D2增加了本文所述支護結構，故其沉降變化較小，驗證了所提方法的有效性。

3.4.3 基坑開挖對周邊建筑物沉降影響

車站基坑與周邊建筑物距離約為11.1 m，試驗分析了基坑開挖周期內對周邊建筑物的影響[14]，主要分析6個觀測點的變化情況。試驗結果如表4所示。

表4 周邊建筑物沉降變化 mm

由表4可知，觀測點J3和J4沉降變化不顯著，剩余四個觀測點均表現出地表顯著下降現象，如圖5所示。

圖5 建筑物各觀測點沉降變化

由圖5可知，建筑物沉降不顯著的兩個觀測點J3和J4均為距離車站基坑最遠的觀測點。2018年7月至2018年8月期間，周邊建筑物出現顯著下降，這是由于該期間主要工作為降低基坑內地下水位，為基坑開挖做準備，基坑內地下水位的下降導致基坑外部鄰近區域地下水位也有所下降，因此基坑周邊建筑物在該期間內出現顯著沉降現象。

4 結論

本文基于自穩式鋼支撐基坑支護結構的建筑基坑開挖研究，通過研究發現:自穩式鋼支撐基坑支護結構具有較高極限承載力；基坑開挖對鄰近區域地表沉降影響存在時空效應，在地下水位較高的條件下距離較近的周邊建筑物受基坑開挖影響沉降顯著。