漫灘地層小尺寸方形深基坑內支撐方案研究

中圖分類號：TU318.1;TQ178

文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）10-0207-04

Research on internal support scheme ofsmall size square deep foundation pit in floodplain stratum

FAN Yongge1， CHEN Dong2， WANG Zhide3 （1.Kunming Xinzhi Investment Development Co.，Ltd.，Kunming 650599，China; 2. Yunnan Vocational and Technical College of Transportation，Kunming 65o5O4，China; 3.Wuhan Universityof Technology，Wuhan 43oo70，China）

Abstract：The internal supportof thedeep foundation pitofasmall-sized square interval airshaft inthe Yellow River floodplain stratum adopts the diagonal bracing design scheme.The supporting structure adopts the calculation and designof the Lizheng deep foundationpit.Thehorizontal displacementof theretaining pile inthe excavation constructionof the foundation pit exceedsthe limit risk.In this paper，the problems existing in theconstructionof foundation pit and the measured results are analyzed，and the horizontal displacement deformation law of retaining pileunder diferent internal supportschemes iscalculatedby three-dimensional finite element method.Theresults show that the calculation results of Lizheng deep foundation pit show that the third support adopts steel support or concrete support scheme，and the horizontal deformationvalue of foundation pit retaining pile meets the requirements of thecode.The field measurement results show thatthe horizontal displacementof the foundationpitretaining pile exceeds the standard limit of 32.36% ，and the maximum deformation is located at the third steel support. The axial force value of the support is only 24% of the theoretical calculation value，and the steel support does not play an efective supporting role.Combined with the problems existing in the construction of steel waist beam and stel support，itisconsidered thatthere isdisspation between horizontalsoil pressureand inclinedsupport，which leads tothe failure of inclined steel support to effectively restrain the horizontal deformation ofretaining pile.

Key words：square air shaft;deep foundation pit;Internal support;field monitoring

地鐵區間風井常設置于線路縱坡的最低點兼作聯絡通道使用，該類風井基坑平面尺寸小，基坑開挖深度大，為便于施工作業，內支撐多數采用斜支撐設計，支護結構受力與狹長型車站基坑存在一定差異。廣大學者對該類基坑進行了一些研究，莫道圣、賈榮谷等15以現場監測為研究手段，分析了不同基坑開挖深度下支護結構相關變形規律，并與數值計算結果進行對比分析；彭長勝、姜志威等對軟土地區超深風并基坑設計的重難點進行分析，給出了圍護樁結構方案、止水降水方案等關鍵技術的處理措施；方穎、劉俊巖等80對斜支撐的應用技術進行詳細分析，并采用數值分析方法對斜支撐的相關參數變化對基坑支護結構的影響進行分析。目前內支撐方案對小尺寸方形區間風井圍護結構變形影響研究尚不清晰，本文結合實際工程案例，對小尺寸方形區間風井內支撐設計方案、施工中存在的問題進行研究，為類似工程設計施工提供借鑒

1工程概況

濟南地鐵某區間風井位于槐蔭區，風井周邊環境現狀為農田、拆遷建筑，暫未實現規劃，無控制性建筑物及外部環境風險源，風井基坑周邊環境條件較好。區間風井為地下三層、三跨箱型結構，基坑平面接近方形，尺寸為 25.5m×25.8m ，基坑開挖深度約 27m

區間風井位于沖積平原地貌單元，微地貌為黃河故道高地，地勢較為平坦。表層地層為第四系全新統黃泛沖積粉土、砂土、粘土，第四系中上更新統褐黃～棕紅色粘土；下部基巖為石炭系石灰巖。

表1內支撐設計方案Tab.1Internal support design scheme mm

2基坑圍護結構方案設計

2.1 支撐方案設計

根據周邊環境條件、地質條件、工程經濟性以及本地區工程經驗做法，基坑圍護結構參數為 O1200mmQ 1500mm 鉆孔灌注樁，樁底嵌入中風化石灰巖按不小于 3m 控制；坑外止水結構選用 ∞850mm@600mm 三軸攪拌樁，樁底進入粘土3層 2m 根據規范要求，基坑圍護樁最大水平位移限制為 50mm ，地表沉降限值為 67.5mm （取 0.25% 倍基坑深度）。

圖1內支撐平面布置圖 Fig.1Internal support plane layout

基坑內支撐方案是影響圍護樁水平變形的重要因素，支撐方案從基坑安全、工期、施工便易性、工程造價等方面考慮，選擇最優內支撐設計方案[11-16]。風井基坑平面尺寸接近為正方形，內支撐多采用四角斜支撐布置方案，根據工程經驗及理論分析，支撐方案有2種選擇，如表1所示，支撐平面布置如圖1所示。

2.2 圍護結構受力分析

采用理正深基軟件進行兩種內支撐方案受力[]變形計算，結果如表2、表3所示。計算結果顯示，兩種方案各道支撐延米軸力值相差不大，第三道支撐軸力值相比明顯偏大，為支護結構受力的重點構件，從支撐軸力計算值來看，兩種內支撐方案均滿足規范要求。

表2不同內支撐方案軸力設計值

Tab.2Designvaluesof axial force fordifferentinternal s upportschemes kN/m

方案1相比方案2地表沉降最大值增加了 3.7mm 圍護樁水平位移最大值增加了 2.9mm ，圍護樁彎矩、剪力最大值略微增大。混凝土支撐相比鋼支撐具有剛度大、控制變形能力強等特點，第三道支撐為基坑支護結構受力的重點構件，采用混凝土支撐可更好地控制支護結構的變形。兩種支護方案地表沉降、圍護樁水平位移理論計算值均小于規范要求的控制值，均可作為基坑支護結構設計方案；綜合分析，選擇內支撐方案1為設計方案。

表3支護結構變形及地表沉降值

Tab.3Deformationand surfacesettlementvalues ofsupportstructures

3基坑開挖存在的問題分析

3.1支撐架設存在的問題

鋼支撐均采用斜支撐設計，支撐于鋼腰梁上，水平土壓力通過鋼腰梁傳遞至斜鋼支撐上，土壓力方向垂直鋼腰梁，與斜鋼支撐呈 45^° 夾角，故鋼支撐受王壓力后，產生一個與鋼腰梁平行的反作用力，該力將引起鋼腰梁與圍護樁之間產生滑移。為解決這一問題，在圍護樁之間設置抗剪鍵，將斜支撐產生的反作用力傳遞至圍護樁，避免鋼腰梁滑移，保證支護結構受力的連續性，抗剪鍵設計如圖2所示。

圖2鋼腰梁抗剪鍵設計 Fig.2Design of shearkeys for steel waistbeams

現場施工中由于圍護樁定位不精確，造成抗剪鍵無法按照設計間距進行地面焊接拼裝，需基坑開挖至支撐位置，測量定位后在坑內焊接組裝，嚴重影響施工進度。施工單位為解決這一問題，將鋼腰梁與圍護樁之間預留約 150mm 空間，兩者之間澆筑細石混凝土充填密實，如圖3所示。由于抗剪鍵外置，鋼支撐與圍護樁需通過后期澆筑混凝土傳力，鋼支撐與圍護樁之間土壓力傳遞存在消散現象，造成實測鋼支撐軸力偏小，支撐無法有效控制基坑變形。

圖3鋼腰梁施工現狀圖

3.2 降水井施工存在的問題

基坑降水方案設計4口降水井僅進入粘土3不透水層，未對中風化石灰巖內基巖裂隙承壓水采取降壓措施。當基坑開挖深度至 22m 時，基巖裂隙承壓水沖破粘土3層，基坑發生突涌事故，事故造成基坑最大積水深度約 1.2m 突涌事故發生后圍護樁水平位移變形速率明顯加快，為快速控制基坑變形，在基坑深度 21m 處緊急架設第四道鋼支撐，坑外沿基坑四周打設8口降水井，降低圍護樁外側地下水位，減小支護結構水壓力。

4實測結果分析

4.1 圍護樁水平位移變形

圍護樁水平位移變形曲線如圖4所示。

由圖4可知，圍護樁水平位移變形值隨基坑開挖深度增加呈線性增長，基坑開挖超過 0.5H 后，變形速率明顯增大。當基坑開挖深度 H=16m 時，圍護樁水平位移最大值為 16.79mm ，當基坑開挖深度 H=22m 時，圍護樁水平位移最大值達到 35.3mm ，超過最大水平位移限值的 70% ，接近黃色報警階段；隨基坑發生突涌事故破壞坑內被動土壓力平衡，進一步引起圍護樁水平位移增大，至第四道鋼支撐架設完成，圍護樁最大水平位移值已達 52.79mm ，超過最大水平位移限值，進入紅色報警階段。隨完成第四道鋼支撐架設、坑外降低地下水水位的處理措施，圍護樁水平位移變形逐漸趨于穩定，至底板施工完成，圍護樁最大水平位移值為 66.18mm ，超出最大限值 32.36% 。

4.2 支撐軸力

支撐軸力與基坑開挖深度關系如圖5所示。

由圖5可知，支撐軸力隨基坑開挖而增大，基坑開挖深度大于 10m 后，第一道混凝土支撐軸力穩于定 1000kN 附近，后續未出現明顯增大現象。基坑開挖至 22m 時，第二、三道鋼支撐軸力出現明顯突變增大，增大約 220kN ，這與基坑發生突涌時間一致；因基坑內涌水，造成基坑內土體被動王壓力消散，破壞了其與基坑外側主動土壓力之間的平衡關系，使開挖面之下圍護樁承擔水平土壓力大大增加，進而導致支撐軸力增大。第四鋼支撐架設后，第二道支撐軸力呈減小趨勢，第三道支撐軸力于1000kN 附近波動，支撐軸力并沒有隨圍護樁變形增加而增大。

結合圍護樁水平位移變形分析，當基坑開挖至 22m 至第四道支撐架設完成，圍護樁水平變形由 32.9mm 增加至 52.79mm ，第三道支撐軸力卻于 1000kN 處上下波動，小于理論計算設計值 4160kN ，說明支撐未能產生有效支撐作用；究其原因，應為支撐均采用斜支撐設計且鋼腰梁未貼合圍護樁施工，兩者之間填充較厚混凝土，抗剪鍵難以發揮其實際作用，導致地層水平土壓力與傾斜鋼支撐之間傳力存在耗散，鋼支撐與鋼腰梁組成的鋼框架無法有效約束圍護樁水平變形，造成圍護樁水平位移變形不斷增大，支撐軸力卻未有明顯增加的現象；傾斜鋼支撐預加軸力也存在加不上現象，造成了無法通過主動預加軸力控制基坑變形。

5 結語

（1）根據理正深基計算結果，第三道支撐采用鋼支撐或混凝土支撐的方案均適用于小尺寸方形風井深基坑設計，第三道采用混凝土支撐方案時基坑安全性好，采用鋼支撐時施工方便、工程經濟好、基坑變形大于混凝土支撐方案；

（②）深基坑中基巖裂隙承壓水存在較大風險，降水井實施需降低該層地下水承壓性，避免基坑開挖發生突涌事故，引起基坑變形增大；

（3）實測結果顯示，基坑圍護樁水平位移超過規范限值 32.36% ，最大變形位于第三道鋼支撐處，該支撐軸力值僅為理論計算值的 24% ，鋼支撐未發揮有效支撐作用。從鋼腰梁施工存在的問題分析，圍護樁水平位移超限原因既有鋼腰梁與圍護樁之間填充較厚混凝土，抗剪鍵難以發揮實際作用的問題，也存在鋼支撐均采用斜支撐設計，地層水平土壓力與傾斜鋼支撐之間傳力存在耗散問題，鋼支撐與鋼腰梁組成的鋼框架體系無法有效約束圍護樁水平變形；

（4）基坑施工中存在較多不可控因素，鋼支撐、鋼腰梁施工質量難以達到設計效果，深基坑支護結構第三道支撐為控制基坑變形的主要構件，建議優先采用混凝土支撐，以提高支護結構抗變形能力，降低基坑發生風險的概率。

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