緊鄰建筑群雙圓環內支撐深基坑設計與變形分析

羅軍，張盧明，胡建

（核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610051）

常規內支撐支護體系在城市建筑密集區的深基坑工程中已經得到了廣泛應用[1-3]。雙圓環內支撐體系由于具有變形控制較好和施工便利的優點，近年來在軟土層中得到了逐漸的應用，一般采用單層結構，最大設計基坑深度8～10m[4-6]，本文在南充市緊鄰建筑群的一個二元結構深基坑工程中首次設計采用了雙層雙圓環內支撐支護體系，設計最大基坑深度15m，獲得了成功。雙圓環較大的空間極大方便了基坑工程施工，通過對基坑上部邊坡放坡與錨噴支護，進一步降低了主動土壓力，中下部則采用雙層雙圓環內支撐結構，較好地控制了基坑周邊的變形，同時也確保了緊鄰基坑周邊建筑物的安全。

1 工程概況

順慶區人民醫院改擴建項目位于南充市主城區，主建筑為1 棟4-16F 門診和住院綜合大樓，其余為停車位等附屬設施，采用鉆孔灌注樁基礎。項目含兩層地下室，基坑開挖底面標高為-16.5～-12.75m；基坑挖深為11.0～14.80m，基坑開挖面積8225.0m2，支護周長425.0m。

該工程施工場地狹窄，基坑周邊建構筑物較多，被多棟建筑物緊密環繞。經調查，場地周邊2 倍基坑深度范圍內被19 棟既有房屋包圍（一般位于紅線外0～3.5m），且多數修建于上世紀八九十年代，建筑基礎形式多為淺基礎，且結構形式多為磚混結構，未見有地下室，部分建筑墻體已開裂，周邊復雜的環境對基坑變形控制提出了很高的要求。基坑周邊環境及支撐平面布置圖見圖1。

圖1 基坑周邊環境及支撐平面布置圖

圖2 基坑支護典型剖面圖（圖中尺寸標注單位為mm）

2 工程地質條件

擬建場地原始地貌屬嘉陵江Ⅱ級階地，地層具有明顯的二元土巖組合結構，主要地層及設計物理力學參數見表1。

表1 基坑地層概況及設計參數表

地下水類型按其賦存條件及水動力特性可分為松散堆積層中孔隙潛水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要富存于粉土和卵石中。勘察期間屬于枯水期，鉆孔實測地下水位埋深為2.5～4.8m，標高為272.0～273.5m，場地內地下水位略有起伏，孔隙潛水主要接受大氣降水、周邊居民生活用水的補給，受季節和人為因素影響大，地下水水位年變幅約1.0～2.0m。基巖裂隙水水量較小，分布不均勻，地下水位年變幅約0.5～1.5m。

3 基坑總體設計

3.1 基坑特點及設計方案

基坑開挖最深約15m，基坑環境復雜，臨近建筑物多，上部雜填土最大厚度約4.6m，總體工程地質條件一般，局部較差。根據該基坑的工程地質條件和基坑工程特點，綜合考慮經濟和安全等因素，確定采用排樁+雙圓環內支撐支護結構。

由于該工程地下室邊線距離與紅線大部分小于5m，最大距離約10m，基坑不可能大面積放坡開挖；同時基坑開挖面積較大，且場地四周均緊鄰已有居民區，僅西北側的儀鳳街有施工通道，采用普通的內支撐支護型式難以解決土方開挖與運輸難題。故采用雙圓環內支撐結構，雙圓環間通過支撐梁進行連接 (見圖1)。為了方便施工，內支撐構件采用鋼筋混凝土結構。

基坑地下水控制采用“截水帷幕+管井降水+監測水井+排水溝、沉淀池”措施，在基坑外圍布置兩圈高壓旋噴樁、25 口監測水井（回灌井），基坑內布置降水井17 口。

3.2 基坑設計要點

支護結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1；采用荷載結構模式，按荷載“增量法”進行計算，整體計算采用MIDAS XD（平面桿系有限元法），邊界條件為分布彈簧邊界。單元計算采用理正深基坑7.5。

1）由于場地上部填土層厚度總體不大，性質尚可，為節約工程造價，將基坑上部2.5m 厚土體放坡并采用錨噴支護。

2）基坑支護樁采用旋挖鉆孔灌注樁，樁直徑和樁間距分別為1.2m、1.5m，采用C30 水下混凝土澆筑，設計樁長22～27 m，總樁數為282 根。

3）雙圓環內支撐中，北環和南環直徑分別為52.3m、39 m。支撐斷面分別為：環撐1.2m×1.0 m、主撐1.0 m×1.0 m、次撐（斜撐）0.8m×0.8 m。

4）為便于施工和節約造價，支撐立柱為鋼格構，共布置了117 個立柱。立柱截面尺寸為0.5m×0.5m，長度為15.5～17.5m。立柱下面的樁采用直徑1.0m 的旋挖鉆孔灌注樁，樁底進入中風化基巖不小于1m，樁長不小于11m，立柱嵌入立柱樁內長度4m。

5）采用筏板、斜撐和負一樓樓板（局部車行道及樓板道鏤空處用鋼對撐）進行換撐。

4 基坑施工過程

1）基坑開挖前，施工支護樁、立柱樁、高壓旋噴樁以及降水井；2）1：1 放坡開挖上部2.5 m 厚土層，并施工錨噴結構和第一道內支撐；3）第一道支撐驗收合格后，分層對稱開挖第一道支撐以下土方至-8.1m 深；4）施工第二道支撐并驗收合格后開挖至坑底后逐次啟動降水井；5）待基礎底板混凝土及底板周邊回填混凝土達到設計要求強度后即開始拆除支撐構件。

5 計算與監測結果對比分析

該工程總共布置232 個監測點，其中支護樁頂水平和豎向位移監測點共26 個；深部水平位移監測點19 個；周邊建筑物豎向位移和傾斜監測點39 個；混凝土內支撐軸力監測點每層各37個，斜撐軸力監測點6 個，對撐軸力監測點8 個；立柱豎向位移監測點24 個；周邊地表豎向位移監測點17 個；地下水位監測點19 個（地下水監測點設置在對應監測水井內）。

限于篇幅，本文主要就基坑位移和支撐軸力進行分析。

5.1 基坑位移和軸力計算值分析

開挖至坑底后，基坑第一層支撐位移如圖3 所所示，從圖3可以看出，第一層支撐水平位移最大值為12.5mm，位于基坑東南角，其余位移基本小于10mm。

圖3 基坑第一層支撐位移

開挖至坑底后，基坑第二層支撐位移如圖4 所所示，從圖4 可以看出，第二層支撐水平位移最大值為15.1mm，同樣位于基坑東南角，其余位移基本小于12mm。

圖4 基坑第二層支撐位移

軸力計算結果（限于篇幅僅列第一層支撐軸力圖）顯示第一層支撐最大軸力為9463kN，位于北側圓環東南角位置（圖5），第二層支撐最大軸力為11877kN，與第一層位置基本接近。

圖5 基坑第一層支撐軸力

5.2 監測值分析

限于篇幅，本文監測值僅分析開挖至坑底階段，即整個基坑開挖最深階段。監測結果表明，基坑變形在可控范圍內。

1）由于兩層內支撐結構的實施，支護樁樁頂位移得到了很好的控制，最大位移為10mm。

2）基坑周邊頂部地面水平位移9.5～11.5mm。在基坑土方開挖過程中，水平位移變化速率均小于1mm/d；土方開挖完畢，基坑運營期間水平位移變化速率小于0.3mm/d，總體趨于穩定。

3）基坑周邊地表沉降最大位移12.8～15.2mm，變化速率一般為0.2mm/d，最大1.5mm/d，降水后期沉降速率明顯減小，并趨于穩定。

4）第一層基坑軸力最大值為9255kN，第二層支撐軸力最大值為11272kN。實際位置與計算位置較為接近。

5.4 對比分析

實際監測結果與計算結果存在一定差異，主要表現在：

1）實測值一般小于計算值，一般小30%左右，原因是由于基坑四周高壓旋噴樁和降水提高了土體抗剪強度，而MIDAS XD軟件未能考慮此作用，故使得實測值比計算值小；

2）支護樁的計算最大位移位于樁頂下約3.5m 處，而實際監測結果位于樁頂下4～6m 處；

3）支撐梁的計算最大位移位于樁與圍檁交接處，一般均大于10mm，實際監測最大位移僅約5mm；

4）基坑周邊地表沉降實測值和計算值相差較大，實測值比計算值小40%左右，兩者差距原因在于計算中未能考慮高壓旋噴樁和降水提高土體抗剪強度作用。

6 結論

從監測結果來看，整個基坑在開挖及運營期間，支護結構及周邊環境是穩定安全的。

1）基坑最大變形在開挖到底部及拆除支撐階段，支護樁樁頂最大位移10mm，周邊地表最大水平位移9.5～11.5mm，最大地表沉降12.8～15.2mm，最大沉降速率1.5mm/d。

2）支護樁的最大位移位于樁頂下4～6m，支撐梁的最大位移僅約5mm。

3）由于設計軟件的局限，計算中未能考慮到高壓旋噴樁加固土體使得土體抗剪強度提高的作用，故實際監測值要比計算值小30%～40%左右。

4）在周邊環境復雜的深大基坑中采用雙圓環內支撐是科學且安全可靠的，支護體系可克服不能使用錨桿的缺點，且有較好的剛度和整體穩定性，也很好地控制了基坑周邊建筑物的變形，便于在狹窄場地施工。