某基坑工程支護設計與變形分析

趙 摯 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

某基坑工程支護設計與變形分析

趙 摯 南

(天津市勘察院， 天津 300191)

通過對工程項目概況的了解，結合工程的地質狀況，在分析了開挖對周圍小區(qū)和地鐵干線影響的狀況下，對平?jīng)鼋值?2街坊商辦地塊項目進行基坑開挖和支護進行了設計。鑒于基坑工程深度大，周圍環(huán)境復雜，并且緊鄰地鐵隧道，為了減少開挖對周圍環(huán)境的影響，合理的進行施工。根據(jù)當?shù)氐牡刭|狀況及基坑的特點，采用明挖順做法進行施工，圍護體采用地下連續(xù)墻、灌注樁結合止水帷幕兩種形式。對在深基坑施工過程中的支護結構及周圍的環(huán)境變形進行監(jiān)測方案的設計，并就施工對周圍環(huán)境的影響進行分析。結果表明可滿足該工程的穩(wěn)定性要求和對周圍環(huán)境的影響，為進一步研究其他基坑和類似工程提供借鑒。

基坑支護設計；監(jiān)測；環(huán)境影響分析；數(shù)值模擬

土木工程具有地質條件的不確知性、土性參數(shù)的不確定性以及荷載條件的多樣性等特點[1-3]，因此，監(jiān)測工作顯得十分必要[4-7]。以前的學者多對建筑基坑及地鐵深基坑施工監(jiān)測進行了較為廣泛的研究，左殿軍等[8]通過ABAQUS研究了深基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，得出地表沉降和襯砌位移隨著開挖深度的增加而增加；張陳蓉等[9]基于位移控制理論，對板式支護體系由于基坑開挖而導致周圍土體位移場變化規(guī)律進行了探討，為研究周圍土體的變形提供了一定的借鑒；木林隆等[10]通過基于小應變的基坑開挖計算理論公式以及與有限元的對比，得出開挖深度越小對樁基的影響越??；而近年來針對緊鄰地鐵的基坑分析研究也在進行著，王樹和等[11]通過建立三維非線性模型，分析了不同管線與基坑距離、管線埋深、土釘長度、土釘間距等因素作用下，地下管線位移分布和變化規(guī)律；蔡武林[12]通過運用數(shù)值模擬軟件，研究了深基坑對鄰近地鐵隧道的影響，與現(xiàn)場監(jiān)測對比發(fā)現(xiàn)效果良好；黃兆緯等[13]分析了地鐵上蓋基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，并采用了土體加固和分級開挖對地鐵隧道的變形進行分析研究，結果表明效果良好；郭典塔等[14]通過研究基坑對隧道結構力學行為的影響，提出優(yōu)化結構剛度、施工工藝和加強監(jiān)測來控制基坑開挖的影響；張世民等[15]在杭州市蕭山區(qū)彩虹大道某深基坑開挖過程中，對基坑下穿地鐵隧道位移和收斂進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該地鐵隧道以豎向變形為主，開挖期間需嚴格控制；本項目的基坑工程開挖面積較大，周圍環(huán)境復雜，緊鄰地鐵，以此基坑工程為研究對象，對基坑開挖過程中基坑的支護結構以及周圍環(huán)境進行監(jiān)測，對類似工程具有一定的工程實踐意義[16-19]。

1 研究內容

對平?jīng)鼋值?2街坊商辦地塊項目進行基坑圍護設計及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響進行分析評估。具體內容如下：

(1) 基坑圍護的設計及施工安全性評估；

(2) 基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析；

(3) 減小基坑開挖對周邊環(huán)境影響的保護措施。

2 工程概況及周圍環(huán)境

擬建建筑物地上主要有2幢23層辦公樓、1幢16層辦公樓、1幢10層辦公樓及5幢2～3層商業(yè)，擬建場地整體下設三層局部二層地下車庫，樁筏基礎。本工程地下設置三層地下室(北側局部設置二層地下室)。地下二層基坑挖深11.80 m，地下三層基坑挖深16.10 m(主樓挖深16.9 m)?；涌偯娣e約26 779 m2，外圍周長約811 m；地下二層基坑面積約3 531 m2，周長約444 m；地下三層基坑面積約23 248 m2，周長約774 m。本工程基坑安全等級為一級?；又苓叚h(huán)境總體情況如圖1所示。

基坑北側：為長陽路，下為已建地鐵十二號線，道路下分布有污水管、雨水管、配水管、供電線和信息管線。長陽路以北沿街為10幢磚混房屋(商鋪)。

基坑東側北段：鄰近遼陽路道路下分布有雨水管、供水管和燃氣管。

基坑東側南段：靠近遼海小區(qū)

基坑南側：鄰近霍山路，道路下分布有雨水管、配水管、燃氣管、供電線和信息管線。霍山路以南為改擴建上海市市東中學。

圖1 擬建場地環(huán)境示意圖

基坑西側：鄰近荊州路，道路下分布有燃氣管、雨水管、配水管和信息線。荊州路以西為中國現(xiàn)代國之寶藝術館。

本工程周邊地下室外墻與紅線退界約為5.1 m～11.9 m，地下室外墻與周邊道路下管線最近距離約為7.4 m。

3 支護方案選型分析

3.1 支護總體設計

靠近地鐵側采用小坑分區(qū)(見圖2)，南北向寬度控制在17 m，東西寬度為60 m左右，最大程度減少對地鐵的影響；基坑其余部分采用大坑分區(qū)(A區(qū)、B區(qū)、C區(qū))，基坑面積控制在1萬m2以內，減少基坑開挖對周邊環(huán)境特別是遼海小區(qū)的影響。

本工程分區(qū)后，各分區(qū)面積適中，支撐長度對傳力的不利影響降低，故建議采用明挖順作法。

圖2 本工程分區(qū)平面布置方案

3.2 支護體設計

本工程開挖深度約16.1 m(主樓16.9 m)/11.8 m，周邊環(huán)境條件復雜。根據(jù)上海地區(qū)已實施的大量基坑工程的成功實踐經(jīng)驗，類似基坑工程的圍護體一般采用地下連續(xù)墻、灌注樁結合止水帷幕兩種形式。

結合本工程主體結構特點、基坑的開挖深度、面積及周圍環(huán)境因素，本工程基坑外圍及小坑分隔墻建議采用地下連續(xù)墻的圍護形式，大坑分隔墻可采用灌注樁結合止水帷幕或地下連續(xù)墻的圍護形式。圍護結構設計參數(shù)見表1。

表1 圍護結構設計參數(shù)表

3.3 支撐設計

對于順作施工方案，基坑應設置臨時水平支撐。對靠近地鐵的小坑分區(qū)，第一道為鋼筋混凝土對撐，第二、三道支撐采用鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)，既可以加快施工速度，又可以有效施加預應力，有效控制變形。

3.3.1 水平支撐系統(tǒng)設計

本基坑第一道支撐分布范圍布置施工棧橋。本支撐平面布置見圖3、圖4(圖中陰影區(qū)域為棧橋范圍)。

圖3 第一道支撐平面布置示意圖

圖4 第二、三道支撐平面布置示意圖

支撐混凝土強度等級為C35。支撐中心標高、桿件截面尺寸等詳見表2、表3。

表2 A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)支撐截面參數(shù)表

表3 DEF區(qū)支撐截面參數(shù)表

3.3.2 豎向支撐系統(tǒng)設計

本工程中采用臨時鋼立柱及柱下鉆孔灌注樁作為水平支撐系統(tǒng)的豎向支承構件。

地下二層臨時鋼立柱采用由等邊角鋼4L140×14綴板焊接而成的型鋼格構柱，地下三層臨時鋼立柱采用由等邊角鋼4L160×16綴板焊接而成的型鋼格構柱，截面為480 mm×480 mm，型鋼型號為Q235B，鋼立柱插入立柱樁(鉆孔灌注樁)中不少于3 m，鋼立柱在穿越底板的范圍內需設置止水片。立柱樁采用?800灌注樁，立柱樁應充分利用工程樁。

3.4 基坑降排水

本工程建議采用真空深井對地下三層基坑進行疏干降水，基坑開挖前即要進行基坑降水，超前降水時間控制在20 d以上，降水深度應達到開挖面以下1.0 m。地下二層基坑已采用攪拌樁封底，無需設置降水井。

井管采用?273 mm鋼管，壁厚不小于4 mm，成孔直徑不小于?700 mm，疏干井井深23 m，布置在地下三層區(qū)域內。

4 設計計算

4.1 計算原則和假定

(1) 豎向開挖過程的基坑圍護按支承在彈性地基上的梁系結構進行內力和變形分析，模擬實際的施工工序，對不同工況計算內力和變形。

(2) 確定圍護結構的入土深度時，根據(jù)坑底土層的工程力學指標進行墻體的抗傾覆和整體穩(wěn)定性以及墻前基底土體的抗隆起和抗管涌穩(wěn)定性驗算。

(3) 坑外土體土壓力按朗肯土壓力模式計算，水土分算，C、φ值取固結快剪峰值指標。

(4) 地面附加荷載普遍取20 kPa；遼海小區(qū)住宅按每層15 kPa計。

(5) 地下水位：地下水位按地表下0.5 m計。

4.2 圍護體剖面計算結果

本工程采用同濟啟明星基坑分析軟件(Frws7.2版本)計算，計算工況模擬施工流程，具體見附錄。主要計算結果見表4、表5。

表4 基坑內力及變形計算結果匯總

表5 基坑穩(wěn)定性系數(shù)計算結果匯總

注：KL為基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于2.2)；Kq為墻底部土體的抗隆起穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于2.5)；Kc為圍護墻結構的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)(一級基坑不小于1.2)；Ko為圍護墻結構的圓弧整體穩(wěn)定性安全系數(shù)(不小于1.25)。

從計算結果可知，計算各項指標均能滿足一級基坑的設計要求。

5 基坑開挖對周邊環(huán)境影響分析

根據(jù)本項目的周邊環(huán)境，本工程基坑開挖的主要保護對象為地鐵、道路和道路下埋管線。因圍護形式及保護對象的不同，根據(jù)分析需要，選取3個斷面(挖深11.8 m、16.1 m、16.9 m)進行計算分析：計算斷面1分析對象為普遍區(qū)域，保護對象為道路及管線；計算斷面2分析對象為北側區(qū)域，保護對象為地鐵；計算斷面3分析對象為南側區(qū)域，保護對象為遼海小區(qū)天然地基住宅。計算結果見圖5、圖6。

有限元計算所得圍護結構變形及鄰近管線位移結果見表6～表9。

表6 基坑東側計算結果

圖5 水平位移云圖

根據(jù)上述計算，可以看出對應于基坑周邊管線、地鐵與本工程的距離，因基坑開挖施工造成的基坑周邊管線、地鐵及在建住宅沉降量均滿足保護要求。

圖6 垂直位移云圖

表9 基坑南側(斷面三)計算結果

綜合上述并結合類似工程經(jīng)驗，本工程基坑施工對周邊環(huán)境的影響均在規(guī)范控制標準內[20-21]，滿足對周邊環(huán)境的保護要求。

6 結 論

(1) 根據(jù)對基坑穩(wěn)定性、圍護墻體位移及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響分析表明：靠近地鐵側采用地下連續(xù)墻+一道鋼筋混凝土支撐和二道鋼支撐軸力自動伺服系統(tǒng)的圍護方案，其它側采用地下連續(xù)墻(內部分隔墻采用灌注樁結合止水帷幕)+三道鋼筋混凝土水平支撐的圍護方案，靠近遼海小區(qū)天然地基住宅側坑邊12 m范圍內墊層加厚至200 mm，可滿足基坑自身的穩(wěn)定性及對周邊環(huán)境的保護要求。

(2) 由于基坑開挖深度深，在土方開挖和支撐過程中嚴格遵循時空效應理論，采用分層分塊開挖的方法，限時完成支撐施工；基坑開挖至坑底設計標高后，及時(8 h內)澆筑墊層，以控制基坑變形、保護環(huán)境安全。

(3) 在基坑內均勻布置深井井點進行施工超前降水，疏干加固土體，以提高土體抗剪強度，改善施工條件。降水標高應達到最終坑底開挖面以下0.5 m～1.0 m。

(4) 建議施工過程中應對圍護結構和周邊環(huán)境進行全程施工監(jiān)控，并采取必要的工程措施和管理手段，使基坑施工過程中對環(huán)境影響降至最低程度[22-23]。

[1] 逄鐵錚,方勇生,覃衛(wèi)民，等.廈門梧村隧道明挖深基坑施工監(jiān)測分析[J].巖石力學與工程學報,2013,32(A1):2751-2757.

[2] 印長俊,魏鵬程,方 雷，等.湘潭市某復合土釘墻基坑支護設計及監(jiān)測分析[J].湘潭大學自然科學學報,2014,36(1):45-50.

[3] 屈 偉,陳秋鑫,周 峰，等.不同開挖深度基坑支護設計與監(jiān)測分析[J].建筑科學,2015,31(3):126-130.

[4] 張小榮.軟土地區(qū)深基坑工程支護設計與監(jiān)測分析[J].地球,2014(5):195-196.

[5] 王秀麗,舒麗紅,何春保，等.某緊鄰地鐵深基坑支護設計及監(jiān)測分析[J].鐵道建筑,2016(2):80-83.

[6] 馮龍飛,楊小平,劉庭金，等.緊鄰地鐵隧道深基坑支護技術及監(jiān)測分析[J].隧道建設,2013,33(6):515-520.

[7] 張 立,柴壽喜,陳 盼，等.回填土場地基坑開挖對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測分析[J].桂林理工大學學報,2013,33(4):677-683.

[8] 左殿軍,史 林,李銘銘,等.深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計算分析[J].巖土工程學報,2014,36(S2):391-395.

[9] 張陳蓉,俞 劍,黃茂松.基坑開挖對鄰近地下管線影響的變形控制標準[J].巖土力學,2012,33(7):2027-2034.

[10] 木林隆,黃茂松.基于小應變特性的基坑開挖對鄰近樁基影響分析方法[C]//第八屆全國基坑工程研討會論文集.[出版地不詳]：[出版者不詳]，2014.

[11] 王樹和,鄭 政,張舉兵,等.土釘墻支護基坑對鄰近地下管線的影響[J].水利與建筑工程學報,2015,13(6):19-24.

[12] 蔡武林.深基坑開挖對臨近地鐵車站及區(qū)間影響的數(shù)值模擬分析[J].水利與建筑工程學報,2016,14(6):222-226.[13] 黃兆緯,黃 信,胡雪瀛,等.基坑開挖對既有地鐵隧道變位影響及技術措施分析[C]//第八屆全國基坑工程研討會論文集.[出版地不詳]：[出版者不詳]，2014.[14] 郭典塔,周翠英,謝 琳.緊鄰地鐵區(qū)間隧道基坑開挖對隧道結構的影響淺析[J].現(xiàn)代隧道技術,2014,51(4):88-95.

[15] 張世民,馮 婷,李哲輝,等.下穿地鐵深基坑開挖影響的監(jiān)測分析[J].武漢大學學報(工學版),2016,49(5):674-682.

[16] 李煥煥,高路皓,高 治，等.厚軟土地區(qū)深基坑支護設計與監(jiān)測分析[J].施工技術,2015,44(8):114-117.

[17] 黃志全,張瑞旗,王安明，等.基于FLAC3D的樁錨支護結構變形分析[J].水利與建筑工程學報,2015,13(2):68-72.

[18] 吳麗華,陶玥辰.深基坑支護降水設計及變形監(jiān)測分析[J].中國建材科技,2014,23(3):112-114,117.

[19] 郭 楠,陳正漢,楊校輝，等.蘭州地鐵深基坑圍護結構選型分析[J].水利與建筑工程學報,2015,13(6):65-69.

[20] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范：GB50497—2009[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009:21-22.

[21] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部．城市軌道交通工程監(jiān)測技術規(guī)范：GB50911—2013[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2013:52-53.

[22] 唐 仁,林本海.基坑工程施工對鄰近地鐵盾構隧道的影響分析[J].地下空間與工程學報,2014,10(S1):1629-1634,1639.

[23] 莊 妍,張 飛,鄭玉梅，等.快速公交車輛基地基坑支護設計與監(jiān)測分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2015,37(6):60-64.

Support Design and Deformation Analysis of Foundation Pit Engineering

ZHAO Zhinan

(TianjinInstituteofGeotechnicalInvestigationandSurveying,Tianjin300191,China)

Based on the project profile and its geological conditions, after analyzing the influence of the excavation in the surrounding area and the main subway line, this paper designed the pit excavation and support about 22 square building of the Pingliang street. Because of the great depth of foundation pit engineering, the complex surrounding environment, and engineering close to the subway tunnel, it need to be constructed carefully. According to the local geological conditions and the characteristics of the foundation pit, we adapt Open Cut Methods Construction Technology, and fender construction were raised by using Underground Diaphragm Wall and Bored Pile combined with Water Proof Curtain. The design of the monitoring scheme for the deformation of supporting structure and surrounding environment during the progress of constructing the deep pit is carried out. At the same time, the effect of construction on the neighboring environment is analyzed. The results show that the scheme can meet the stability requirements and the influence to the surrounding environment is acceptable, and provide reference for further study of other foundation pit engineering and similar projects.

supporting design of foundation pit; monitoring; environmental impact analysis; simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.029

2017-02-01

2017-03-02

趙摯南(1988—)，男，天津人，助理工程師，主要從事管線測量方面的工作。 E-mail：362615644@qq.com

TU433

A

1672—1144(2017)03—0142—06