超大規模深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計研究

張海龍

（東風鴻遠工程咨詢有限公司，湖北 襄陽）

引言

隨著城市化進程的加速和基礎設施建設的不斷推進，超大規模深基坑工程在建筑、橋梁、地鐵等領域的應用越來越廣泛[1]。在這些工程中，深基坑支撐結構的設計與計算是至關重要的環節。本文將圍繞超大規模深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計展開研究，主要涉及以下三個方面：內支撐結構設計結構型式選型、深基坑支撐數據計算和支護結構設計要點。

在深基坑支撐數據計算方面，首先，需要對工程地質進行詳細勘察，了解土層分布、力學性質和地下水情況等。結合基坑工程的規模和特點，通過科學計算確定支護樁以及內支撐數據、水平位移等關鍵參數[2]。在支護結構設計方面，需要遵循一定的基本原則和設計步驟。進行基坑壁穩定性分析，確保在施工過程中的安全。其次，要根據工程需要選擇合適的支護結構類型[3]。鋼筋混凝土圓形內支撐計算是深基坑支撐結構設計的核心環節之一。在設計前，需要充分的收據周邊環境資料、工程地質資料、水文地質資料及本地的建筑經驗。

超大規模深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計的研究內容和意義重大。科學的支撐結構設計有助于確保深基坑施工中的安全與穩定，降低工程風險[4]。合理利用資源，提高支護結構的承載能力和使用壽命，有助于降低工程成本和提高經濟效益。此外，本文研究深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計有助于推動相關領域的技術創新與發展。

1 超大規模深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計

1.1 工程概況及周邊環境

某工程擬建建筑物地下4 層，地上4 層，地下4層為機械停車場，地上4 層為商業。本工程占地面積約3 483 m2，場區地面整平標高為68.00 m。地下室周長約為200 m，長約為66 m，寬約為51 m，形狀近似正方形，基坑開挖深度H 約為15.6 m?；又苓叚h境：北側、東側距離現有道路約為5 m，道路下分布有雨污水管線，直徑600 mm，埋深3 m；南側距離現有5F 磚混建筑物約為8 m，建筑物采用條形基礎，埋深1.5 m。西側距離現有2F 磚混建筑物約為7 m，建筑物采用條形基礎，埋深1.5 m。

1.2 工程地質條件及水文地質條件

擬建場地地貌單元屬漢江Ⅰ級階地，鉆探深度范圍內主要地層從上至下依次為雜填土和第四系全新統粉質黏土、粉土、粉砂、圓礫、中砂、粉質黏土和卵石，下臥基巖中風化泥巖，基巖埋深大于50 m。水文地質條件：場區勘探孔揭露深度范圍內地下水類型為上層滯水及承壓水。①層雜填土層賦存有上層滯水，水量較小。④層粉砂、⑤層圓礫和⑥層卵石賦存承壓水，與漢江水力聯系密切，并互相補給，水位隨季節變化而變化?？辈炱陂g測得地下水承壓水水位埋深4.62～5.75 m，標高為63.05～63.25 m，水量豐富，基坑降水深度達13 m。

1.3 支護結構設計要點

超大規模深基坑設計的另一重要組成部分為支護設計，旨在確?？颖诮Y構的穩定性，維護工程安全等，同時不影響周邊建筑和道路管線正常使用。支護結構選型時需要考慮以下因素：①支護結構對周邊環境的影響；②工程地質條件和水文地質條件；③施工對周邊環境的影響；④造價經濟合理。

本基坑工程周邊環境復雜，可使用空間有限，有建筑物和管線分布，地下水位較高，水量豐富，不宜采用樁錨體系。本基坑降水深度較大，容易引起周邊建筑物和道路、管線的沉降、開裂，為減少基坑內降水對周邊環境的影響，支護結構采用C35 地下連續墻（咬合樁）支護，兼具止水帷幕。綜合分析，本項目支護結構采用C35 地下連續墻（咬合樁）+二道C35 鋼筋砼內支撐，內支撐分別設置于現地面下-5 m、-10 m 位置?；觾炔捎霉芫邓?，地下連續墻外圍設置回灌井、觀測井，見圖1。

圖1 支護結構示意圖

1.4 鋼筋混凝土內支撐架設

本基坑長約為66 m，寬約為51 m，形狀近似正方形。內支撐平面布置可以采用水平對撐、角撐，但支撐結構穿越主體結構，對主體結構的施工影響較大。場地狹小，空間有限，內支撐結構也影響土方開挖及車輛運輸。且采用水平對撐、角撐造價較高。本基坑采用二道圓形混凝土支撐，可以最大限度地發揮混凝土結構的受壓能力，同時形成中部開闊的空間。相比于水平對撐、角撐，無支撐面積最大，便于土方開挖和主體結構施工，減少工期，見圖2。

圖2 內支撐平面布置示意圖

第一道鋼筋砼支撐位于-5 m，圓環支撐直徑46 m。第二道與第一道支撐中心距離為5 m。內支撐混凝土等級為C35，支撐截面尺寸見表1。

表1 支撐截面尺寸一覽表 單位：mm

在進行支撐架設時，按照以下工藝流程進行操作：測量定位→土方開挖至支撐底面→圍檁施工→立柱施工→支撐施工→達到設計強度后→土方開挖。進行下一層支撐施工。

2 圓形內支撐計算

2.1 水土壓力

作用在支護結構上的土壓力可根據支護結構側向變形控制要求分別按靜止、主動、被動土壓力進行計算。對巖土工程和周邊環境條件復雜或重要的基坑工程，宜采用土與結構共同作用的方法和合理的數值計算方法計算土壓力。

①靜止土壓力標準值可采用以下公式（1）進行計算：

式中：eoz——計算點處靜止土壓力標準值（kPa）；γi、hi——計算深度以上第i 層土層的天然重度和厚度；qz——主動側深度z 處由于超載引起的豎向土壓力標準值（kPa）；k0——計算點處靜止土壓力系數。

靜止土壓力系數宜采用室內k0試驗或現場原位試驗確定。有成熟工程經驗時可按當地經驗確定。

②主動、被動土壓力標準值可采用朗肯理論公式計算。地下水位以上應采用總應力法；地下水位以下的土、水壓力可采用總應力和有效應力兩種方法計算。對黏性土和粉土宜采用總應力法；對粉、細砂宜采用有效應力法， 有經驗時也可采用總應力法；對中、粗砂及卵礫層應采用有效應力法。

③水土壓力合算時可采用公式（2）、（3）進行計算；水土壓力分算時可采用下公式（4）、（5）進行計算：

式中：eaz、epz——深度z 處的主、被動土壓力強度標準值（kPa），eaz＜0 時取eaz=0；qz——主動側深度z 處由于超載引起的豎向土壓力標準值（kPa）；paz、ppz——主、被動側深度z 處的由上覆土層自重引起的豎向土壓力標準值（kPa）；pwaz、pwpz——主、被動側深度z 處的孔隙水壓力（kPa）；z——計算點的深度（m），主動側自坑頂起算，被動側自坑底起算；n——主動側或被動側計算點以上的土層數；γi、hi——計算深度以上第i層土層的天然重度和厚度；ka——主動土壓力系數，ka= tan2（45°-φk/2），土水分算時應采用有效應力參數φ'k計算；kp——被動土壓力系數，＝ tan （45 ＋φ/2），土水分算時應采用有效應力參數φ'k計算；ck、c'k——計算深度處土的總應力、有效應力黏聚力標準值（kPa）；φk、φ'k——計算深度處土的總應力、有效應力內摩擦角標準值（度）。

2.2 內支撐計算的原則

內支撐支護結構宜采用符合樁（墻）與撐協同工作原則的方法計算，也可按“彈性抗力法”計算。對于特別重要的基坑工程可采用空間有限元方法計算校核。按“彈性抗力法”計算時，應注意以下問題：①支護樁支護結構的內力和變形。②內支撐結構（包括冠梁和圍檁）作為平面鋼架采用有限元計算時，應合理設置附加約束。③支護樁與內支撐分別計算時，內支撐結構的位移應與支護樁的位移相協調。二者相差過大時，應調整支撐剛度系數的取值，重新進行支護樁計算，并利用所得到的支護樁對內支撐的作用力的新值重新對內支撐進行計算。④應計算拆除下層支撐后上層支撐力的變化[5]。

3 計算結果

內支撐支護結構就其本質而言是排樁－內支撐空間結構問題，應該用空間有限元計算[6]。但空間計算十分復雜，難以在設計中實施?！皬椥钥沽Ψā钡乃枷胧菍⒅ёo結構與內支撐分離考慮。第一步，先將內支撐作為支護樁的彈性支座，對支護樁進行計算，得到樁的位移、內力和彈性支座的支承力；第二步，將上述彈性支座的支承力反向，作為內支撐所受的荷載，將內支撐（含冠梁或圍檁）作為平面剛架進行計算，得到內支撐的位移和內力。為驗證本文提出的方法的有效性，通過天漢軟件計算支護樁和內支撐的軸力、剪力、彎矩和位移，并用理正軟件進行驗證。

3.1 支護樁計算結果

通過天漢軟件對基坑周邊周邊四個剖面進行計算，支護樁最大彎矩約為900 kN*m，最大剪力約為500 kN，發生在基坑深度2/3 位置處。位移約為22～29 mm，發生在樁頂處。理正軟件通過空間有限元法進行驗證計算，基坑最大位移約為31 mm，彎矩、剪力與天漢軟件計算結果基本相近。

3.2 內支撐計算結果

支撐體系采用桿件平面法，見表2 和表3。

表2 圓環支撐設計值計算結果

表3 輻射撐設計值計算結果

通過計算結果分析得知：①支護樁變形位移與支撐變形位移基本一致，都為20～30 mm 左右，說明支護樁與支撐協同一致工作，計算結果比較準確，支撐剛度取值比較合理。②第一道支撐受到的內力值小于第二道內力。第一道支撐設置于1/3H 處，第二道支撐設置于2/3H 處，計算結果也與支護樁的受力變形基本一致。③圓形支撐可以充分發揮混凝土結構的受壓性。④本設計計算理論的科學性、先進性。

結束語

本文系統地研究了超大規模深基坑鋼筋混凝土圓形內支撐結構設計的關鍵環節，主要涉及支護結構設計要點、深基坑支撐數據計算和鋼筋混凝土內支撐架設三個方面。通過不斷深入研究和探索，這將有助于推動深基坑工程技術的發展和創新，提高我國在基礎設施建設領域的國際競爭力，并為我國的城市化建設和經濟發展做出更大的貢獻。