一種剛度調平設計方法在基坑支護工程的實際運用

楊 堅

（廣州珠江外資建筑設計院有限公司 廣州 510060）

0 引言

基坑工程［1］在建筑行業(yè)內屬于高風險的領域。同時它也是一個系統(tǒng)性的工程，涉及土力學、工程力學等自然學科，混凝土結構［2］、組合結構、鋼結構［3］等工程學科，以及施工管理、工法的方方面面。

以工程實例為背景，引入了一種剛度調平的方法，優(yōu)化基坑支護設計，在保護建筑周邊環(huán)境不受危害的同時，縮短了基坑施工周期，也降低了基坑的整體造價。

1 工程實例

1.1 工程概況

某項目位于廣州市海珠區(qū)，總建設用地面積5 039 m2，可建設用地面積 2 964 m2?；用娣e為2 478 m2，短邊 44.20 m，長邊 57.60 m，周長為 200 m，±0.00 m 相對于絕對標高8.45 m，施工期間自然地面平整至7.45 m。底板面標高為-9.16 m，底板厚0.50 m。塔樓部分采用筏板基礎，基坑普遍開挖深度為8.76 m，局部深度達11.06 m 及12.50 m。

1.2 周邊環(huán)境

場地內周邊環(huán)境平坦開闊。基坑北側為1 棟6 層住宅樓，住宅樓距基坑邊約6～8 m；基坑東側為規(guī)劃路；基坑南側為市政路，有市政給水管、污水管及電信光纖通過，基坑邊距最近居民樓約20 m；西側基坑為市政道路，有市政給水管、煤氣管及電力管通過，2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16～25 m（見圖1）。

圖1 場地區(qū)位Fig.1 Site Location

1.3 地質條件

場地屬珠江三角洲沖積平原地貌單元。場區(qū)地形平坦開闊，自然地面高程7.63～8.05 m。

場區(qū)內覆蓋層自上而下依次為：雜填土、淤泥、粉質黏土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖。

場地北側距離珠江約500 m，水力聯系密切。地下水主要為第四系孔隙水及風化裂隙水。本場地含水層分布連續(xù)，總厚度變化不大，水量較大，為弱～中等透水層。綜合判定為Ⅱ類場地環(huán)境，B 類滲透性地層。土層主要物理力學參數如表1所示。

表1 土層主要物理力學參數Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layer

場地整體而言，南區(qū)相對北區(qū)較差，西區(qū)相對東區(qū)較差，如圖2所示。

圖2 工程地質剖面Fig.2 Engineering Geological Section

2 基坑支護設計

2.1 基坑結構類型選型

按《建筑基坑支護技術規(guī)程》［4］，本項目基坑安全等級為一級。適用于安全一級基坑的結構類型主要為支擋式結構：錨拉式結構［5］、支撐式結構、懸臂式結構、雙排樁。由于本工程開挖深度接近10 m，采用懸臂式結構及雙排樁顯然不合理。因此本基坑結構類型選擇集中在：錨拉式結構、支撐式結構之間比選。

由于場地存在較厚的淤泥層、軟塑粉質黏土層，錨拉式結構的錨桿性能發(fā)揮效率較低；且基坑北側為一棟6 層住宅樓、西側有2 棟33 層住宅樓距基坑邊約16～25 m。采用錨拉式結構會影響到周邊建筑的基礎，存在較大風險。

采用支撐式結構可以直接平衡兩端圍護結構上所受的水土壓力，構造簡單，受力明確，有效地控制基坑變形。不過基坑內部存在支撐結構，不利于大規(guī)模的機械化開挖，施工工期較長。

本項目由于外部條件的限制不能采用錨桿支護，后續(xù)工作重點是排樁+內支撐［6］體系的優(yōu)化分析。

2.2 圍護結構選型

結合地質條件和開挖深度，基坑圍護結構可以考慮旋挖樁、地下連續(xù)墻［7］，SMW 工法樁［8］、預制管樁［9，10］。

旋挖樁樁徑選擇較多，工藝成熟，剛度較大，施工速度較快，與主體結構關系??；地下連續(xù)墻有良好的抗?jié)B能力，剛度大、整體性好，基坑開挖過程中安全性高，但造價偏高，前期需結合主體設計，設計周期較長且相對較難把握；SMW工法樁是將H 型鋼插入三軸攪拌樁中，形成可擋土止水的圍護結構，但本身剛度較小，對周邊環(huán)境影響較大；預應力管樁工藝成熟，施工周期短，但在城區(qū)施工僅限靜壓法，擠土效應明顯，且管樁不能穿透強風化巖層，嵌固樁長受限。

結合包括工期、造價在內的各方面因素，本項目選定采用旋挖樁。

2.3 止水帷幕

本項目采用雙軸攪拌樁止水。攪拌樁直徑為550mm，攪拌樁中心距400 mm，采用四噴四攪的施工方法。

2.4 剛度調平方法在優(yōu)化支護設計中的運用

結合上述比選分析，擬定采用旋挖樁（排樁）+內支撐的基坑支護方案（見圖3）。方案傳力途徑直接明確，通過滿足一定嵌固深度，樁間距、樁徑的旋挖樁，平面內合理布置的鋼筋混凝土支撐（對撐、角撐），通過具備一定剛度的冠梁、腰梁連接一個剛度很大的結構體系。

圖3 排樁+內支撐支護結構典型剖面Fig.3 Pile Wall and Strut Structural Typical Section

在周邊環(huán)境超載情況及場地條件一定的前提下，排樁+內支撐的基坑支護結構可以近似地按經典的結構力學設計。

在基坑設計引入剛度調平方法：根據基坑深度、平面形狀、周邊超載、場地地質情況的變化需求，分區(qū)域設計了不同截面的支撐、不同樁徑樁間距的排樁。通過進行多方案比較、反復計算以及優(yōu)化構造等方面的把控，得出安全、經濟、合理的方案。

方案1 按常規(guī)做法布置了φ1 000@1 200 灌注樁+2 道混凝土內支撐的支護方案（見圖4）。基坑受力均勻變形及構件內力均較小，可見基坑整體的剛度較大，有一定的富余度。但沿基坑深度設置了2 道內撐，層間凈空較小影響挖掘機械進出，出土較慢?；拥某杀据^高、施工周期長。

圖4 方案1 基坑平面布置Fig.4 Excavation Layout of the Plan 1

在方案1 的基礎上，為降低基坑成本、縮短施工周期，取消了腰梁及第2 道支撐（見圖5）。

圖5 方案1、方案2 基坑剖面對比Fig.5 Section Comparison of Excavations

但場地南區(qū)地質條件較差，基坑南部、中部變形超過限值，局部基坑的剛度不足。為滿足支護結構剛度需求，將基坑南部（PA 段-AD 段-AF 段）的支護樁加強為φ1 200@1 400，同時增大該部分樁的入巖深度，加強對撐（MN 段、FG 段加設八字撐）（見圖6）。

圖6 方案2 基坑平面布置Fig.6 Excavation Layout of the Plan 2

方案2 可以滿足規(guī)范及設計的各方面要求。但按施工單位的需求：車輛出入口設置在場地的西南角，同時取消對撐，讓施工車輛通過坡道直接到達坑底。這樣可大大縮短土方運輸的時間。

取消中間對撐，必然導致基坑中部剛度下降，如何調整基坑各構件的剛度滿足這種需求，便成為其中難點。設計通過調整支護結構的尺寸剛度，在方案2的基礎上：將基坑中部（LP 段、MH 段）的支護樁加強為φ1 200@1 400，同時增大該部分樁的入巖深度。將基坑四角的角撐設置為板撐，加強基坑角撐剛度，為支護樁和冠梁提供有力支撐；根據剛度需求，將LP段、FH 段冠梁截面加強至1 800 mm×1 000 mm。通過這一系列調整剛度措施，設計滿足規(guī)范、施工等各方面需求的實施方案（見圖7、圖8）。

圖7 實施方案基坑平面布置Fig.7 Implementation Plan of the Excavation

圖8 實施方案基坑典型剖面Fig.8 Implementation Plan Profile of the Excavation

考慮到項目場地用地緊張，基坑四角的角撐采用水平剛度更大的板撐，加強支撐剛度的同時，設計亦考慮了水平堆載豎向荷載，為鋼筋等建筑材料提供了場地便利。

3 計算分析

3.1 設計工況

場地平整、施工地坪硬化后，進行止水樁、圍護樁、立柱樁施工。

坑內采用輕型井點降水；開挖土方至第1 道支撐梁底下0.3 m，施工冠梁及第1 道支撐，待第1 道腰梁強度達到70%后，開挖土方至基坑底，施工基礎、底板及負1 層樓板，待樓板達到設計強度的70%后，拆除第1 道支撐：施工地下室頂板。

3.2 設計參數

基坑的安全等級為一級，基坑側壁的重要性系數取1.1；地面超載取20 kPa，西側出土口處取40 kPa，南側地面超載取60 kPa；地下水位基坑外側取地面以下2 m，基坑內側取開挖面以下1.0 m；計算軟件采用理正深基坑計算軟件。

3.3 計算結果

設計同時采用了單元法和整體計算進行計算分析。單元法基坑設計的主要計算數據如表2、圖9所示。

表2 各剖面支護計算結果匯總Tab.2 Summary of Calculation Results

圖9 變形內力包絡圖Fig.9 Deformation Internal Force Envelope Diagram

從單元法計算結果來看，基坑圍護構件的變形，內力，基坑整體穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定性、抗隆起等方面均符合規(guī)范要求。而基坑整體計算有限元分析各方面的結果（見圖10）均與單元法設計結果吻合，驗證了2 個計算方法的合理性。本項目基坑最大計算位移20.60 mm，樁身計算彎矩分別小于樁身抵抗彎矩，冠梁、支撐體系受力亦符合規(guī)范要求。

合理的基坑支護結構設計能有效地控制基坑及周邊建筑物的沉降，保證基坑的安全，同時可很好地節(jié)約工程造價，縮短施工周期。

圖10 整體計算基坑變形Fig.10 Overall Calculation of Foundation Pit Deformation

4 施工驗證

在項目施工過程中，按設計及相關規(guī)范的要求，對基坑及周邊進行觀測，為信息化施工提供基礎參數。在整個施工過程中，坑頂水平、垂直位移，深層水平位移（測斜），周邊建構筑物、周邊道路沉降、傾斜，支撐軸力，地下水位值均未超過報警值（見圖11）?；又ёo效果良好，滿足設計要求，項目現已通過主體驗收。

圖11 實測水平位移曲線圖Fig.11 Measured Horizontal Displacement Curve

5 結論

一種剛度調平方法靈活運用在基坑支護結構方案選型和設計計算的過程中，改善了基坑設計中構件剛度單一化的情況。實施項目基坑整體受力均勻，變形合理的同時節(jié)省了工程造價和縮短了施工周期，為今后類似工程提供了一定的借鑒和參考。