敏感環(huán)境長條形深基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)及數(shù)值分析

張道欣 蔣錄珍 郭建明 安軍海

摘 要： 為探究長條形深基坑在敏感環(huán)境下采取何種內(nèi)支撐布置型式可以保證緊鄰既有建筑及基坑的安全和穩(wěn)定，以某基坑工程為背景，利用MIDAS GTS NX 對(duì)基坑進(jìn)行考慮土體-結(jié)構(gòu)相互作用的三維上下協(xié)同分析，對(duì)比了不同支護(hù)下的周邊建筑控制指標(biāo)，并且與監(jiān)測(cè)報(bào)警值以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，對(duì)撐+角撐型式內(nèi)支撐較其他類型更為適用;內(nèi)支撐布置型式對(duì)基底隆起的變化形態(tài)有顯著影響，但對(duì)于基底隆起量的影響較小;角撐型和雙圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐在使用時(shí)應(yīng)增加薄弱點(diǎn)處的剛度。采用對(duì)撐+角撐型內(nèi)支撐既能保證基坑的安全又能較好地控制緊鄰既有建筑的變形，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)、施工和變形控制有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 地下工程;深基坑;內(nèi)支撐設(shè)計(jì);有限元分析;監(jiān)測(cè)分析

中圖分類號(hào)：TU942 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

doi：10.7535/hbkd.2020yx06009

Design and numerical analysis of internal support for long

strip deep foundation pit in sensitive environment

ZHANG Daoxin1， JIANG Luzhen1， GUO Jianming2， AN Junhai1

（1.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China; 2.Hebei Jike Engineering Project Management Company Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China）

Abstract：

In order to explore what kind of internal support layout can ensure the safety and stability of adjacent existing buildings in the sensitive environment of long strip deep foundation pit， taking an actual project as the background，

MIDAS GTS NX was used to analyze the three-dimensional interaction of soil and structure in the foundation pit，and the deformation control indexes of the surrounding buildings and foundation pit under various types of internal support were compared， which were also compared with the monitoring alarm value and field monitoring data. The results show that internal support of the opposite brace and angle brace type is more suitable than other types; the layout of the internal support has a significant effect on the change of the basement uplift， but has little effect on the amount of the uplift; it is suggested to increase the stiffness of the weak point when using the corner brace type support and the double circular ring beam type inner support. The opposite brace and angle brace type internal support can not only ensure the safety of foundation pit， but also better control the deformation of adjacent existing buildings， which has certain reference value for the design， construction and deformation control of similar projects.

Keywords：underground engineering; deep foundation pit; internal support design; finite element analysis; monitoring analysis

隨著施工環(huán)境愈加敏感復(fù)雜，深基坑設(shè)計(jì)已由強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)向變形控制，并對(duì)變形控制指標(biāo)提出了更嚴(yán)格的要求[1-2]。內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)憑借剛度大、變形小、構(gòu)造明確等優(yōu)點(diǎn)得到青睞，尤其是在對(duì)變形控制異常嚴(yán)格的超深基坑工程中應(yīng)用廣泛[3]。WANG等[4]利用有限元分析軟件對(duì)內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)和雙排樁斜撐樁錨聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)相鄰建筑物的沉降變形控制更好。DAI等[5]、YANG[6]、李科增等[7]均研究了地連墻和內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)方案，發(fā)現(xiàn)該支護(hù)方式安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好。

內(nèi)支撐布置方案多種多樣。龔曉南等[8]發(fā)現(xiàn)不同的內(nèi)支撐方案會(huì)對(duì)基坑變形產(chǎn)生不同影響。姜忻良等[9]以天津銅鑼灣廣場(chǎng)深基坑工程為研究背景，討論了雙環(huán)梁支護(hù)體系的適用范圍以及內(nèi)力和位移變化規(guī)律。侯新宇等[10]依托蘇州某地鐵換乘站深基坑，研究了3種不同內(nèi)支撐方案的優(yōu)缺點(diǎn)。李明[11]、董桂紅等[12]考慮到井字形內(nèi)支撐支護(hù)方案出土效率低的缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際工程情況，設(shè)計(jì)了圓環(huán)桁架內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。曾萌等[13]通過改變斜撐的布置方式，研究了不同環(huán)形支撐平面布置方案對(duì)桿件內(nèi)力及位移的影響。張明聚等[14]結(jié)合北京某地鐵車站深基坑工程，利用FLAC3D研究了鋼支撐預(yù)加軸力對(duì)基坑穩(wěn)定性的影響。考慮到鋼支撐滯后架設(shè)會(huì)導(dǎo)致基坑超挖，胡之鋒等[15]結(jié)合實(shí)際工程分析了不同程度以及不同位置處的鋼支撐滯后架設(shè)對(duì)內(nèi)支撐內(nèi)力的影響。陳江等[16]通過調(diào)整內(nèi)支撐的豎向間距和平面布置，對(duì)杭州市某深基坑進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化。馬將[17]構(gòu)建了基坑變形預(yù)測(cè)模型，對(duì)采用內(nèi)支撐支護(hù)的某基坑進(jìn)行高精度預(yù)測(cè)。因此，對(duì)采用內(nèi)支撐的基坑工程，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)對(duì)內(nèi)支撐的選型、受力和變形進(jìn)行細(xì)致分析，防患于未然。

筆者采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX對(duì)河北省某醫(yī)院深基坑工程進(jìn)行施工過程全真模擬，分析不同內(nèi)支撐布置型式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)內(nèi)支撐選型和設(shè)計(jì)提出相應(yīng)的建議，為類似工程的設(shè)計(jì)、施工和變形控制提供參考。

1 工程概況

河北省某醫(yī)院深基坑工程位于石家莊市，基坑長83.35 m，寬33.95 m，深26.35～28.50 m，為典型的長條形超深基坑，如圖1所示。該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及施工難點(diǎn)在于對(duì)緊鄰既有建筑的影響控制?；又苓叴嬖诖罅拷ㄖ揖o鄰基坑邊緣，最小距離僅2.60 m。而且，各建筑結(jié)構(gòu)形式不同，受力變形各異，如三號(hào)病房樓、醫(yī)技病房樓和門診樓為混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑，均設(shè)有2層地下室，急診周轉(zhuǎn)樓為鋼結(jié)構(gòu)建筑，二號(hào)病房樓為老舊磚結(jié)構(gòu)建筑。由于項(xiàng)目位于院區(qū)內(nèi)部，考慮到病人和儀器設(shè)備的特殊性，不僅需要保證建筑不出現(xiàn)裂縫等重大安全問題，更需要嚴(yán)格控制建筑的變形量和變形速率。同時(shí)，該場(chǎng)地附近有大量的地下管線、綜合管廊[18]等設(shè)施，在施工時(shí)要格外注意這些生命線工程?？偟膩碚f，該基坑處于一個(gè)非常復(fù)雜敏感的施工環(huán)境，施工難度非常大，危險(xiǎn)性也非常高。

2 有限元模型

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX建立的考慮土體-結(jié)構(gòu)相互作用的三維上下協(xié)同分析模型如圖2所示。根據(jù)規(guī)范[19]要求，模型水平尺寸取3倍基坑開挖深度;結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，模型豎向尺寸取 1倍樁基深度?？紤]到周邊建筑以及土層性質(zhì)的影響，部分計(jì)算區(qū)域有所放大，最終有限元計(jì)算模型的尺寸為280 m×200 m×65 m。

項(xiàng)目擬采用樁錨撐聯(lián)合支護(hù)方案，為選取合適的內(nèi)支撐布置型式，設(shè)計(jì)了對(duì)撐+角撐型、角撐型、雙圓形環(huán)梁型及橢圓形環(huán)梁型4種型式，各型內(nèi)支撐如圖3所示。

2.2 土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

土體采用能夠考慮土剛度與應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)性的修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，土體物理力學(xué)各參數(shù)取值如表1所示。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，地下水類型屬第四系孔隙潛水，地下水穩(wěn)定水位埋深大于50 m，遠(yuǎn)大于基坑開挖深度，可不考慮其對(duì)基坑及建筑的影響。

內(nèi)支撐、冠梁、圍檁、腰梁、立柱、立柱樁、框架梁、框架柱、構(gòu)造柱、圈梁采用1D梁?jiǎn)卧M，錨索采用1D植入式桁架單元模擬，護(hù)坡樁等效為地下連續(xù)墻并采用2D板單元模擬，樓板、磚墻、地下室側(cè)墻采用2D板單元模擬。上述結(jié)構(gòu)單元均采用彈性本構(gòu)模型，具體參數(shù)取值如表2所示。

2.3 施工過程模擬

為較真實(shí)地還原工程施工過程，減小計(jì)算誤差，嚴(yán)格按照實(shí)際施工工況進(jìn)行模擬，基坑開挖及支護(hù)順序如表3所示。

3 結(jié)果分析

3.1 周邊建筑變形分析

為確保周邊建筑的安全和穩(wěn)定，對(duì)門診樓等5棟建筑均進(jìn)行了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)，限于篇幅，本文僅選取具有代表性的部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示。

各工況下的建筑豎向位移如圖4所示。由圖4可知，急診樓和門診樓在采用不同內(nèi)支撐型式時(shí)的變形差別不大且變形量均較小。原因如下：首先，兩棟建筑均處于基坑短邊一側(cè)，較長邊而言，短邊方向受基坑開挖影響較小;其次，如圖3所示的4種內(nèi)支撐型式在基坑?xùn)|西兩側(cè)布置方式類似，剛度差別不大，但是二號(hào)病房樓和醫(yī)技病房樓在不同內(nèi)支撐型式下的響應(yīng)表現(xiàn)出較大差異，可以明顯發(fā)現(xiàn)使用角撐型和雙圓形環(huán)梁型時(shí)的建筑變形過大，不符合規(guī)范[20]要求。因此，單就控制建筑變形而言，對(duì)撐+角撐型和橢圓形環(huán)梁型更為適用。

3.2 護(hù)坡樁深層水平位移分析

開挖完成后，護(hù)坡樁深層水平位移隨深度的變化曲線如圖5所示。角撐型內(nèi)支撐在控制護(hù)坡樁變形方面表現(xiàn)較差，在其支護(hù)下護(hù)坡樁最大水平位移為38.26 mm，遠(yuǎn)大于監(jiān)測(cè)報(bào)警值25 mm。由圖5可知，使用雙圓形環(huán)梁支護(hù)時(shí)，5～16 m深度范圍的樁身變形量均大于報(bào)警值的60%，在實(shí)際工程中此變形是十分危險(xiǎn)的，必須立即進(jìn)行危險(xiǎn)報(bào)警。使用對(duì)撐+角撐型和橢圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐支護(hù)下的護(hù)坡樁深層水平位移變化趨勢(shì)基本一致，呈現(xiàn)中間大兩端小的弓形分布，且均滿足變形控制的要求。

3.3 基底隆起分析

為展示不同內(nèi)支撐布置型式下的基底隆起情況，將4種支撐下的有限元結(jié)果陳列如圖6所示。使用對(duì)撐+角撐型、角撐型、雙圓形環(huán)梁型及橢圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐時(shí)，基底最大隆起量分別為9，9，8.93和8.75 mm，即雖然基底隆起的形態(tài)高度依賴于內(nèi)支撐型式，但其大小與內(nèi)支撐型式相關(guān)性不大。

3.4 方案選取

從內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)受力和傳力機(jī)理角度而言，角撐型和雙圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐在垂直于基坑長邊方向上的內(nèi)支撐布置缺失或不足，導(dǎo)致傳力途徑不暢通，使得角撐型內(nèi)支撐的長邊中點(diǎn)部位和雙圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐與基坑長邊相切的部位為明顯的薄弱點(diǎn)，在土壓力作用下，該部位容易產(chǎn)生超過規(guī)范限值的危險(xiǎn)變形。因此，在實(shí)際工程中，若條件允許，上述兩種內(nèi)支撐布置型式不宜優(yōu)先采用。而對(duì)撐+角撐型和橢圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐在垂直于基坑長邊方向上布設(shè)了合理的內(nèi)支撐，使得內(nèi)支撐體系共同受力以抵抗變形，整體性好，在實(shí)際工程中宜優(yōu)先考慮。

但根據(jù)規(guī)范[21]要求，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和施工時(shí)除應(yīng)做到安全適用和確保質(zhì)量外，還需滿足經(jīng)濟(jì)合理和技術(shù)先進(jìn)的要求。由圖3可知，首先，橢圓形環(huán)梁需要使用更多的建筑材料用于施作內(nèi)支撐、立柱及立柱樁等支護(hù)結(jié)構(gòu)，這將大幅增加工程造價(jià);其次，橢圓形環(huán)梁的構(gòu)造更加復(fù)雜，施工難度更大，不利于工程快速推進(jìn)。因此，經(jīng)綜合評(píng)定，認(rèn)為對(duì)撐+角撐型內(nèi)支撐更適用于此類敏感環(huán)境長條形超深基坑工程，故建議河北省某醫(yī)院深基坑工程采用該類型內(nèi)支撐。

4 結(jié) 語

依托河北省某醫(yī)院深基坑工程，利用有限元方法探究了多種內(nèi)支撐布置型式在敏感環(huán)境長條形深基坑的適用性，研究結(jié)果表明：

1）相對(duì)于角撐型、雙圓形環(huán)梁型及橢圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐，對(duì)撐+角撐型內(nèi)支撐更適用于此類敏感環(huán)境長條形超深基坑工程，既能保證基坑的安全又能較好地控制緊鄰既有建筑的變形;

2）內(nèi)支撐布置型式對(duì)基底隆起的變形形態(tài)有顯著影響，但對(duì)于基底隆起量的影響較小;

3）考慮到角撐型和雙圓形環(huán)梁型內(nèi)支撐在垂直于基坑長邊方向上的內(nèi)支撐布置缺失或不足，存在明顯的受力薄弱點(diǎn)，較易發(fā)生破壞，若在實(shí)際工程中采用上述兩種內(nèi)支撐布置型式，建議增加薄弱點(diǎn)處的剛度。

本文考慮的敏感環(huán)境僅為基坑周邊的各類復(fù)雜建筑，今后可考慮交通荷載、降雨入滲、地下水等因素對(duì)內(nèi)支撐布置型式的影響，提出更加合理的內(nèi)支撐布置型式及設(shè)計(jì)建議以用于實(shí)際工程。

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