軟土地區(qū)淺基坑換撐優(yōu)選分析

張 會 新

(上海市政工程設計研究總院集團有限公司，上海 200092)

0 引言

日益突出的城市停車問題促使地下車庫建設的發(fā)展，在城市中心區(qū)開挖基坑越來越多，施工條件日益嚴苛。軟土地區(qū)較厚的淤泥或淤泥質軟土對支護和周邊保護對象的位移控制不利[1]，基坑支護成本較高。綜合平衡需求和經(jīng)濟成本，基坑開挖深度6.0 m左右的地下1層基坑不斷涌現(xiàn)。板式支護體系結合內支撐的支護型式因所需施工場地較小，且變形控制效果好等優(yōu)點，在周邊環(huán)境要求嚴苛的基坑工程中得到廣泛的應用。

在進行正式結構施工時，需要拆除支撐并用正式結構轉換原支撐的受力體系，來維持原圍護結構的功能[2,3]。一般深基坑工程借助主體結構樓板換撐，部分工程設置臨時鋼支撐作為換撐[4,5]；對于基坑開挖深度6.0 m左右的基坑，一般設置一道內支撐，頂板距離支撐較近，而底板換撐通常因拆撐后懸臂較大產(chǎn)生較大的變形，對周邊環(huán)境的保護不利。許多工程事故因換撐工況形式選擇不合理而引起。本文以寧波東部新城中央商務區(qū)(民安路—驚駕路)景觀提升工程為依托，對地下1層基坑進行分析，并對不同換撐方式進行優(yōu)選，對類似工程具有一定的指導或參考意義。

1 概況

1.1 工程概況

本工程位于民安路與江澄北路交叉口，江澄北路道路上分布有雨水、污水、路燈等市政管線，南、北兩側分別鄰近寧波市規(guī)劃局和寧興財富國際廣場?；涌偯娣e約3 802.8 m2，基坑周長約264 m，大面積基坑開挖深度6.1 m。工程平面圖如圖1所示。

1.2 工程地質

擬建場區(qū)地層分為6個大層和若干亞層；主要涉及①-1層雜填土、①-3層淤泥質黏土、②-2層淤泥、②-3層淤泥質黏土、③層粉砂夾粉質黏土、④層粉質黏土和⑤-1層黏土。工程地質剖面如圖2所示，土層物理力學指標如表1所示，抗剪強度指標計算取值根據(jù)表格按0.85折減。

表1 土層物理力學指標表

1.3 水文地質

擬建場地地下水類型有淺部土層中潛水，下部③,⑤-1T層中的承壓水。潛水賦存于淺部黏性土層和淺部粉性土層中，地下水位埋深為0.4 m～1.8 m之間，高程為1.48 m～2.55 m。承壓水賦存于淺部③層中的微沉壓水，中部⑤-1T層中的承層壓水，③層微承壓水穩(wěn)定水位標高為1.36 m～1.57 m。本工程基坑開挖深度為6.1 m，根據(jù)地層情況復核，西側基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性較差，③層砂土易發(fā)生突涌，設置減壓井降壓。

2 基坑支護措施

2.1 工程特點

本工程基坑開挖深度適中，淤泥或淤泥質軟土較厚，地下水位高，周邊環(huán)境復雜，特別是東側鄰近共同溝，保護要求高。

2.2 基坑支護方案

本工程采用鉆孔灌注樁結合一道鋼筋混凝土內支撐支護，支撐布置采用邊桁架+對撐+角撐的形式，水平間距8 m，圈梁、主撐截面分別為1 000×800，800×800。支撐與頂板凈距0.3 m，小于0.7 m[6]，局部結構主梁上翻，與支撐位置沖突。支撐平面布置圖如圖3所示。

2.3 圍護及換撐優(yōu)選

根據(jù)本工程鄰近共同溝側基坑安全等級為一級，變形控制要求0.4%h，即24.4 mm。

1)底板換撐。

考慮施工方便，優(yōu)先考慮底板換撐。滿足位移要求時，采用一般底板換撐，需采用φ1 050@1 250鉆孔灌注樁；而如在底板換撐的基礎上，設置上翻反力牛腿，以減小懸臂高度，則采用φ900@1 100鉆孔灌注樁即可滿足位移控制要求。底板換撐示意圖如圖4所示。

2)斜撐換撐。

斜撐換撐在大面積方形基坑中應用較多，先施工側墻至頂板位置，預留后澆帶；分別在結構外墻和底板上預埋鋼板，設置型鋼和鋼筋混凝土傳力帶形成換撐。型鋼換撐通常采用H型鋼或鋼管支撐，間距一般3.0 m～6.0 m。斜撐換撐示意圖如圖5所示。采用斜撐換撐時，圍護樁采用φ100@900鉆孔灌注樁即可滿足位移控制要求。

3)頂板換撐。

頂板換撐可有效減小圍護樁懸臂，位移控制最好，采用φ100@900鉆孔灌注樁即可滿足位移控制要求。

由于頂板與支撐凈距較小，局部上翻梁與支撐位置沖突，無法直接采用頂板換撐?？紤]到上翻梁為局部區(qū)域，可采用上翻梁二次澆筑的方式處理。上翻梁與支撐沖突位置，頂板設置U形箍筋，箍筋伸出頂板不小于0.25 m，避開支撐位置，箍筋按正常設置，澆筑與頂板同厚度梁截面形成換撐，支撐拆除后，與支撐沖突位置采用U形箍筋與預留箍筋焊接，新舊混凝土接觸面洗凈鑿毛后刷混凝土界面劑，粗糙面凹凸差不小于6 mm(見圖6)。

4)優(yōu)選分析。

對不同換撐形式計算，結果如圖7所示。一般底板和反力牛腿換撐，拆撐后樁頂位移迅速增大，一般底板換撐最大位移23.4 mm，反力牛腿換撐對位移控制有一定的效果，最大位移22.2 mm；斜撐換撐和頂板換撐在圍護樁上部提供支點，有效的控制了樁頂位移，拆撐引起的樁頂位移小于5 mm，最大位移出現(xiàn)在坑底附近，約20.7 mm。

根據(jù)對工程施工影響的造價、工期和施工便捷指標的影響，各換撐方案以優(yōu)、良、中、差分別對應1，0.7，0.4和0.1進行無量綱半定量分析，得到數(shù)值越大方案越優(yōu)，對比如表2所示。

表2 換撐優(yōu)選分析

結果表明，頂板換撐最優(yōu)，斜撐換撐最差，一般底板換撐和反力牛腿換撐效果基本接近。因此，本工程采用頂板換撐，局部上翻梁與支撐沖突的位置，采用上翻梁二次施工的方式處理。

典型剖面如圖8所示。

3 計算及監(jiān)測分析

3.1 計算分析

借助有限元軟件對鄰近共同溝側剖面進行計算，以得到基坑開挖對共同溝的影響。模型寬度和高度分別為70 m和35 m，模型側邊和底部設置約束。土體和加固體采用土體硬化模型(HSS模型)，樁、結構均采用板單元彈性構件模擬，支撐和換撐采用錨定桿模擬[7,8]，支撐間距為8.0 m，有效長度15.0 m；換撐間距和有效長度均取1 m，剛度參數(shù)按結構剛度取值?？舆叧d取15 kPa，道路超載取30 kPa。

3.2 計算及實測結果

數(shù)值計算結果云圖如圖9所示，與監(jiān)測實測數(shù)據(jù)對比如圖10所示。從圖9，圖10可以得到：

1)基坑開挖至坑底和頂板換撐拆撐時，圍護樁的最大位移均出現(xiàn)在坑底位置；數(shù)值計算結果與圍護樁測斜和土體測斜變形趨勢基本吻合。

2)開挖到坑底和頂板換撐拆撐時，數(shù)值計算得到最大水平位移分別為23.67 mm和23.77 mm，土體測斜(TC)最大水平位移分別為18.2 mm和21.3 mm，圍護樁測斜(CX)最大水平位移分別為15.1 mm和17.6 mm。

3)樁頂水平位移數(shù)值計算結果與實測結果基本一致，頂板換撐拆撐時，樁頂位移均略有增大。

4)最大豎向位移為坑底隆起，最大豎向位移20.4 mm，坑外最大沉降為20.1 mm。

5)數(shù)值計算得到共同溝的最大水平位移約為18.5 mm，最大沉降約為19.3 mm。實測共同溝位置地表沉降最大為11.5 mm。

4 結論

軟土地區(qū)地下1層基坑換撐是許多工程設計和施工的痛點，本文結合具體工程案例對常用的換撐形式進行介紹和優(yōu)選分析，借助有限元軟件對確定的支護結構進行分析，計算結果與實測數(shù)據(jù)進行對比得到如下結論：

1)頂板換撐對軟土地區(qū)地下1層基坑位移控制效果明顯，局部上翻梁與支撐沖突時可采用上翻梁二次施工處理；反力牛腿可在一定程度上節(jié)省造價，在無頂板換撐條件時可作為備選。2)計算結果和實測數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，圍護變形和共同溝變形均在可控范圍內，說明采用φ700@900灌注樁+1道鋼筋混凝土支撐，采用頂板換撐可有效控制拆撐引起的圍護變形。3)本工程已順利完工，基坑周邊建(構)筑物變形控制滿足基坑開挖對周邊環(huán)境的影響要求，可為類似工程提供借鑒和參考。