超大徑深比三圓環(huán)內(nèi)支撐支護設(shè)計與實踐

孟 娟，黃鶴鵬

（1.江蘇省地質(zhì)局，江蘇 南京 210018； 2.江蘇華東地質(zhì)建設(shè)集團有限公司，江蘇 南京 210007）

0 引言

圓環(huán)內(nèi)支撐具有以下優(yōu)點：1）把基坑四周產(chǎn)生的水土壓力通過連梁、環(huán)內(nèi)桁架，轉(zhuǎn)化為作用于圓環(huán)內(nèi)支撐上的環(huán)向壓力，即所謂的拱效應(yīng)，從而發(fā)揮了混凝土抗壓性能好的特點，利于控制基坑變形和周邊建（構(gòu)）筑物的安全；2）基坑平面范圍內(nèi)，無內(nèi)支撐面積達到70%左右，基坑圍護結(jié)構(gòu)成本降低35%；3）為挖土機械化施工提供多點作業(yè)條件，工期縮短20%［1-3］。因為圓環(huán)內(nèi)支撐的上述優(yōu)點，從而得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了保證圓環(huán)內(nèi)支撐基坑本身和周邊建（構(gòu)）筑物的安全，眾多學(xué)者對拱效應(yīng)發(fā)揮的圓環(huán)半徑/開挖深度（簡稱徑深比）進行了研究，結(jié)果表明：充分發(fā)揮拱效應(yīng)的徑深比不能超過6［4-5］。

隨著地下空間開發(fā)項目的日益增多，規(guī)模上向著更大、更深的方向發(fā)展，徑深比超過6的圓環(huán)內(nèi)支撐越來越多。對徑深比超過6的超大徑深比圓環(huán)內(nèi)支撐，拱效應(yīng)能否發(fā)揮以確保順利挖土、下部結(jié)構(gòu)安全施工和周邊建（構(gòu)）筑物安全是值得探討的問題。作者依托南京市某遷建工程的基坑支護工程，介紹了超大三圓環(huán)內(nèi)支撐的設(shè)計、運營效果三維數(shù)值模擬預(yù)測、施工要點及實際運營效果，供同行遇到超大徑深比圓環(huán)內(nèi)支撐設(shè)計時借鑒參考，使圓環(huán)內(nèi)支撐得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況、周邊環(huán)境和工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況、周邊環(huán)境

場地東側(cè)為吉慶路，東側(cè)用地紅線距吉慶路1.5 m；南側(cè)地下室外墻距用地紅線4.5 m，紅線外為明輝路；西側(cè)地下室外墻距用地紅線為3.5 m，紅線外為浦鎮(zhèn)大街；北側(cè)地下室外墻距用地紅線5.2 m，紅線外為景觀道路、景觀河。場地內(nèi)擬建兩幢樓——1號樓與2號樓，1號樓在場地西邊，高98 m；2號樓在場地東邊，高35 m（見圖1）；1號樓與2號樓皆設(shè)兩層地下室。基坑近似長方形，東西長260 m，南北長140 m，周長767 m，面積33 000 m2，基坑最大開挖深度10.20 m（見圖2），基坑安全等級一級。

圖2 CD段圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，場地巖土層工程地質(zhì)特征如下：

①1雜填土，灰色～褐灰色，松散，層底埋深0.9 m～3.8 m。

①2素填土，灰黃～灰色，軟～可塑，層底埋深2.2 m～6.7 m。

①3淤泥質(zhì)填土，灰～灰黑色，流塑，層底埋深3.1 m～5.3 m。

②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，灰色，軟～流塑，層底埋深16.2 m～19.2 m。

近年來，電法勘探在地下水勘查中得到了廣泛的應(yīng)用，電剖面法在尋找地下低阻異常體時具有快速、直觀的優(yōu)點；高密度電法作為一種陣列勘探方法，具有數(shù)據(jù)地質(zhì)信息豐富、解釋方便等特點，在地下水資源勘察，工程地質(zhì)調(diào)查，壩基及橋墩選址，采空區(qū)及地裂縫探測，礦井水害防治等眾多工程勘察領(lǐng)域均取得了明顯的地質(zhì)效果。

②2粉質(zhì)黏土夾粉土，灰色，軟塑，局部流塑，層底埋深21.1 m～25.4 m。

②3粉土夾粉質(zhì)黏土，灰色，稍～中密，飽和，層底埋深26.9 m～30.6 m。

②4粉質(zhì)黏土與粉土、粉砂互層，灰色，軟塑，局部流塑、稍密，層底埋深33.1 m～35.3 m。

②5粉砂，灰色，密實，局部中密，礦物組成為石英、長石，層底埋深43.9 m～45.8 m。

③4e中粗砂混卵礫石，灰色，密實，卵礫石含量（質(zhì)量分數(shù)）5%～25%，層底埋深46.2 m～48.7 m。

⑤1強風化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，紫紅色，風化強烈，極軟巖，質(zhì)量等級為Ⅴ級，層底埋深48.6 m～50.5 m。

⑤2中風化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，紫紅色，極軟巖，質(zhì)量等級為Ⅴ級，未鉆穿。

潛水含水層由①層、②1層、②2層組成，穩(wěn)定水位埋深在場地面以下0.6 m～1.6 m，年變化幅度1.0 m；承壓水含水層主要為②3層、②4層、②5層與③4e層。

2 圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 圍護結(jié)構(gòu)形式

基坑圍護結(jié)構(gòu)形式采用常規(guī)φ900＠1 100 mm，φ1 000＠1 200 mm鉆孔灌注樁+φ850＠1 200 mm三軸水泥土攪拌樁（見表1），降水采用基坑內(nèi)布置158口降水井方式。

表1 基坑圍護結(jié)構(gòu)特征表

內(nèi)支撐采用瀕臨的圓環(huán)內(nèi)支撐形式，其參數(shù)如表2所示。

表2 圓環(huán)內(nèi)支撐參數(shù)表

為了提高圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度、方便土方運輸，圓環(huán)內(nèi)支撐與瀕臨的支護樁之間、1號樓單圓環(huán)內(nèi)支撐與2號樓雙圓環(huán)內(nèi)支撐之間設(shè)置了棧橋：厚度為350 mm，混凝土強度等級C35；配筋為HRB400級鋼筋Φ18＠150，雙層雙向，短向鋼筋放于外皮，長向鋼筋放于里皮；鋼筋保護層厚度25 mm，桿件鋼筋保護層厚度為30 mm；棧橋行車寬度為10 000 mm，棧橋邊緣距離兩側(cè)圓環(huán)內(nèi)支撐皆為3 517 mm（見圖1）。

2.2 圍護結(jié)構(gòu)計算

由勘察報告知：AB，BC，CD，DA段僅CD段發(fā)育了0.5 m厚的①3淤泥質(zhì)填土（見圖2），因此，只提供CD段圍護結(jié)構(gòu)計算結(jié)果。計算結(jié)果按照文獻［6］，依托《北京理正深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件》得到：

1）9種工況下嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算如表3所示。

表3 不同工況下嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算表

由表3可見，土反力滿足要求。

2）三角形法、指數(shù)法和拋物線法得到的地表最大沉降量為28 mm，42 mm和20 mm。

3）支護樁底抗隆起驗算Ks=3.637≥1.800，抗隆起穩(wěn)定性滿足。

4）基坑抗隆起驗算Ks=2.204≥2.200，基坑底抗隆起穩(wěn)定性滿足。

5）用圓弧滑動簡單條分法計算嵌固深度，安全系數(shù)Ks=1.365≥1.350，對應(yīng)的嵌固深度h0=11.500 m，而實際嵌固深度hd為16.100 m，嵌固深度滿足整體滑動穩(wěn)定性要求。

3 圍護結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬預(yù)測

巖土層性質(zhì)復(fù)雜性、計算模型局限性，依靠理論分析很難準確預(yù)測基坑圍護結(jié)構(gòu)和周邊土體在施工中變化。另外，1號樓基坑圓環(huán)半徑R=51.378 m，2號樓基坑內(nèi)圓環(huán)半徑R=61.949 m、外圓環(huán)半徑R=69.949 m，按圓環(huán)內(nèi)支撐豎向范圍開挖深度H=8.45 m計（見圖2），則1號樓基坑圓環(huán)內(nèi)支撐徑深比為6.1，2號樓基坑內(nèi)圓環(huán)內(nèi)支撐徑深比為7.3，外圓環(huán)內(nèi)支撐徑深比為8.3，三圓環(huán)徑深比皆超過6，屬超大徑深比。此時，拱效應(yīng)能否發(fā)揮很難用理論方法分析，而數(shù)值模擬則提供了一個很好的解決方法［7-8］。采用PLAXIS有限元分析軟件對基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)運營效果和周邊土體變形情況進行了三維數(shù)值模擬預(yù)測。

3.1 計算模型

以CD段基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計剖面確定各土層的計算厚度；鑒于CD段①3層僅0.5 m厚，且AB，BC，DA段剖面無①3層，因而將①3層并入①2層以簡化建模。土體采用HS彈塑性本構(gòu)模型，土層計算參數(shù)如表4所示。表4中，重度來自勘察報告；黏聚力、內(nèi)摩擦角來自勘察報告的固結(jié)快剪指標；三軸固結(jié)排水剪切試驗的參考割線模量固結(jié)試驗的參考切線模量、與模量應(yīng)力水平相關(guān)的冪指數(shù)m、三軸固結(jié)排水卸載-再加載試驗的參考卸載再加載模量卸載再加載泊松比v、參考應(yīng)力pref和剪脹角Ψ的取值參考文獻［9］。PLAXIS中用折減系數(shù)Rinter來描述接觸面強度參數(shù)與所在土層的摩擦角和黏聚力之間的關(guān)系。

表4 地層計算參數(shù)表

圖3長（X）、寬（Y）和高（Z）分別為400 m，300 m和100 m的三維模型，采用10節(jié)點的三角形單元模擬，支護樁按線彈性材料考慮，采用板單元模擬，內(nèi)支撐采用梁單元模擬。模型邊界條件：三維模型左右兩側(cè)X方向位移為0，前后兩側(cè)Y方向位移為0，頂部邊界自由，底部邊界三個方向位移均為0。模型網(wǎng)格劃分后共生成273 540個單元，389 618個節(jié)點。

圖3 基坑PLAXIS有限元分析計算模型圖

3.2 模擬結(jié)果分析

最不利工況5，開挖至基坑底時圍護墻變形數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，最大深層水平位移發(fā)生在距離單圓環(huán)內(nèi)支撐最近的CD段斜邊段上，即圖4☆處，對該部位需要重點監(jiān)測；圍護墻最大深層水平位移為20.86 mm；相應(yīng)地，圍護墻頂最大變形也發(fā)生在該處，模擬計算結(jié)果為圍護墻頂最大水平位移為12.44 mm，圍護墻頂最大沉降為8.01 mm。

圖4 開挖至基坑底時圍護墻水平位移云圖

最不利工況5，開挖至基坑底時土體的豎向位移數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，基坑底最大回彈為30.12 mm；基坑周邊最大地表沉降為10.90 mm，最大地表沉降發(fā)生在距離圖4☆處基坑邊緣約5 m位置處。

圖5 開挖至基坑底時土體豎向位移云圖

三維數(shù)值模擬結(jié)果匯總?cè)绫?所示。為便于比較，表5列出了文獻［10］中基坑及圍護結(jié)構(gòu)監(jiān)測值、規(guī)范要求的報警值。由表5可知，工況5時基坑變形PLAXIS有限元計算結(jié)果，無論絕對值還是相對值，均小于文獻［10］規(guī)定的報警值，即基坑開挖引起的圍護墻體變形及對周圍環(huán)境的影響均在允許范圍之內(nèi)，也小于實際監(jiān)測值。說明基坑支護工程采用圓環(huán)內(nèi)支撐，盡管徑深比屬超大徑深比，但拱效應(yīng)仍能有效發(fā)揮。另外，由于土層分布的不均勻性，對發(fā)育淤泥層或離冠梁近的部位，如離單圓環(huán)內(nèi)支撐最近的CD斜邊段部位，采用圓環(huán)內(nèi)支撐時，應(yīng)提高連梁的密度，減小連梁之間的距離，以便控制變形量，而不是與其他部位一樣的連梁間隔距離11 384 mm。

表5 工況5時三維數(shù)值模擬結(jié)果值與規(guī)范報警值比較表

4 施工要點

1）圓環(huán)內(nèi)支撐施工時，單圓環(huán)內(nèi)支撐、內(nèi)圓環(huán)內(nèi)支撐以圓心半徑畫弧線，外圓環(huán)內(nèi)支撐或有障礙物等原因無法以圓心點畫弧線時，采用全站儀坐標定點（弧線）多點連成弧線；鋼筋定長、定角度后折彎成弧形。

2）模板以小塊組合成弧形達到設(shè)計要求，圓環(huán)內(nèi)支撐一次澆筑成型，強度同步發(fā)展。

3）對稱、分層進行土方開挖，滿足圓環(huán)內(nèi)支撐對稱受力的基本要求，發(fā)揮拱效應(yīng)。

4）棧橋面均布施工荷載不得超過20 kPa，土方車及挖土機滿載不超過50 t，其他車輛滿載不超過40 t，車輛或機械運行速度應(yīng)小于5 km/h。

5）采用上述施工要點后，沒有發(fā)生搶險事故，說明徑深比盡管突破了拱效應(yīng)要求的6，但是，圓環(huán)內(nèi)支撐拱效應(yīng)仍然發(fā)揮了作用。

5 結(jié)語

1）借助于可以作為土方開挖平臺，又可以起內(nèi)支撐作用的棧橋，基坑圓環(huán)內(nèi)支撐徑深比突破了拱效應(yīng)要求的6，圓環(huán)內(nèi)支撐+棧橋的基坑圍護體系可為超大徑深比的基坑工程提供借鑒。

2）超大徑深比的基坑最大水平位移發(fā)生在距離圓環(huán)內(nèi)支撐最近或發(fā)育淤泥的冠梁段，即在圓環(huán)內(nèi)支撐與冠梁近的區(qū)間，應(yīng)加強連梁的密度、提高連梁的配筋，同時，施工時應(yīng)加強對此區(qū)間的監(jiān)測，此為類似基坑工程提供了參考。