深基坑施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)基坑安全的影響研究

王自勵(lì) 吳慧 李娜 張文學(xué)

0 引言

根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，截至2021 年5 月全國(guó)城鎮(zhèn)化率為63.89%，9 億人口生活在城市，十年間我國(guó)增長(zhǎng)了14.21%。依據(jù)發(fā)達(dá)國(guó)家的先例，發(fā)達(dá)國(guó)家的城市化率大約在80～85%之間。在今后的十年中，我國(guó)基本完成城市化的進(jìn)程。隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步發(fā)展，城市的地上空間和日益增加的人口之間是必須亟待解決的問題。城市空間的拓展不斷的壓縮耕地空間。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，2019 年全國(guó)城區(qū)面積200 569.51km，2011 年城區(qū)面積183 618.02km，8 年時(shí)間城區(qū)面積增加了16 951.49km。十屆全國(guó)人大五次會(huì)議提出“一定要守住全國(guó)耕地18 億畝這條紅線，堅(jiān)決實(shí)行最嚴(yán)格的土地管理制度”，人口聚集地亦是適合種植的耕地區(qū)域，大面積無人區(qū)不適合耕種的窘境。城市建設(shè)用地的矛盾隨著城市化進(jìn)程的不斷深化越來越尖銳，城市沿著地表的拓展空間已經(jīng)達(dá)到極限。為了守住耕地面積，必須從橫向控制城市的發(fā)展。

城市地下空間的開發(fā)是緩解城市土地資源匱乏、增加城市綠化率、改善城市人居環(huán)境、提高居民生活品質(zhì)、解決城市人口快速增長(zhǎng)的唯一出路。地下結(jié)構(gòu)具有好的抗震性能、季節(jié)變化對(duì)溫度的影響不敏感、可以作為人防工程、空間的開發(fā)利用靈活性大、通道設(shè)置靈活且隱蔽性好等特點(diǎn)，有利于推動(dòng)城市的經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。如日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家和城市在發(fā)展中也大量地對(duì)地下空間進(jìn)行了開發(fā)，建成大量的地下商業(yè)街、地下發(fā)變電站、地下交通通道及樞紐。與此相比，我國(guó)各大城市的地下空間開發(fā)利用處于初期階段，除了一線城市的新建城區(qū)對(duì)淺層和部分中層地下空間進(jìn)行了開發(fā)利用以外、其他城市對(duì)地下空間的利用基本維持在轄地下車庫和城市步行街地下商場(chǎng)中，大部分不超過15m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)全國(guó)87 座城市大約有110 多個(gè)地下商業(yè)街在運(yùn)營(yíng)。

城市地下空間的開發(fā)在今后必將是一個(gè)新的熱點(diǎn)。所有地下空間的開發(fā)都避不開一個(gè)話題，基坑施工的安全問題，基坑施工的安全問題大部分都是支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全問題?；又ёo(hù)的安全問題大部分都是由于內(nèi)支撐的失效導(dǎo)致的，內(nèi)支撐體系在支護(hù)結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)某城市軌道交通建設(shè)單位2006 年～2008 年施工事故事件資料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，此時(shí)間段共發(fā)生施工事故129 起，其中由于基坑坍塌事件27 起、透水涌水9 起、地面沉陷9 起、冒頂1 起，共46 起事件，占總事故的35.6%。基坑坍塌、地面沉陷、透水涌水、冒頂?shù)仁录蚨嗷蛏倥c基坑的穩(wěn)定性、基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形機(jī)理

深基坑在開挖前，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)均已施工結(jié)束。常見的豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)有：排樁支護(hù)、鋼樁支護(hù)、地下連續(xù)墻、沉井等形式。豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向支承是隨著施工挖掘深度的增加根據(jù)設(shè)計(jì)而逐步施做完成的。隨著基坑施工深度的增加，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)卸載而導(dǎo)致作用在豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的外力變化，即對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向土壓力，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)支撐和土壓力的共同作用下出現(xiàn)變形。隨著施工深度的增加，橫向支撐體系中的內(nèi)力也隨之發(fā)生變化。橫向支撐體系的內(nèi)力變化對(duì)于基坑開挖的安全起著至關(guān)重要的作用，軸力過小會(huì)因?yàn)闄M向支撐體系和豎向基坑坑壁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)間的作用弱而發(fā)生橫向支承體系滑落，最終導(dǎo)致基坑坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗土壓力而導(dǎo)致的安全事故發(fā)生；軸力過大的情況下有可能會(huì)發(fā)生多種安全隱患。如圖1所示為支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過程。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過程示意圖

深基坑存在與基坑平面幾何形狀、地質(zhì)條件以及支護(hù)形式相關(guān)的坑角效應(yīng)，即在基坑的坑角部位存在硬化現(xiàn)象，坑角部位的位移明顯小于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)邊中部的位移水平；并且此現(xiàn)象隨著基坑深度的增加而變的顯著。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

目前在深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算中，沒有一種較為完善理想的方法對(duì)于多支撐結(jié)構(gòu)的地下支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移進(jìn)行有效計(jì)算的方法。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算中，傳統(tǒng)的使用方法有增量法和有限元法。

增量法考慮了基坑開挖過程中內(nèi)部土體按照施工順序分階段被挖除后架設(shè)內(nèi)支撐后基坑垂直維護(hù)結(jié)構(gòu)和橫向支撐體系的內(nèi)力變化情況。隨著施工階段的變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加且會(huì)發(fā)生重分布的現(xiàn)象。增量法能夠較為真實(shí)地反映施工過程對(duì)于支承結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

另一種常用的方法為有限元法，通過將土體和支承結(jié)構(gòu)以合適的形狀離散通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)系單元體，根據(jù)計(jì)算分析的目的選取合適邊界條件，建立剛度矩陣、組集總剛矩陣、求解節(jié)點(diǎn)位移來解決工程問題。

3 工程地質(zhì)條件及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)某站前下沉式廣場(chǎng)加地下商業(yè)體深基坑地質(zhì)勘察揭示的資料，各層分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土和碎石粉質(zhì)黏土。具體地基土物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 場(chǎng)地各層地基土物理參數(shù)

基坑深度15.6m，采用明挖施工法，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排樁支護(hù)加鋼內(nèi)支撐體系，支護(hù)樁直徑1m，支護(hù)深度與嵌固端深度共30m，設(shè)連梁、腰梁高度1m。

4 監(jiān)測(cè)原則及數(shù)據(jù)

在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)檢測(cè)方案中，充分考慮不影響施工的前提下，檢測(cè)點(diǎn)能反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中所有鋼內(nèi)撐的軸力變化、并能充分反應(yīng)雙排樁支護(hù)，支護(hù)樁體中角樁和部分邊樁的內(nèi)力隨基坑開挖和鋼撐內(nèi)力變化時(shí)的響應(yīng)。

在整個(gè)基坑施工過程中，監(jiān)測(cè)記錄了雙排樁支護(hù)中樁身和內(nèi)力以及位移變化的過程，對(duì)于諸多監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)減少其他因素對(duì)于數(shù)據(jù)的干擾，選取基坑支護(hù)邊部中間位置的檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，作為反應(yīng)雙排樁在施工中各階段樁身的內(nèi)力和樁頂位移隨著施工的變化數(shù)據(jù)?；觾?nèi)力檢測(cè)頻率如圖2 所示。

表2 基坑內(nèi)力檢測(cè)頻率

樁頂?shù)臋z測(cè)數(shù)據(jù)（如圖2 所示）顯示，隨著檢測(cè)時(shí)間的推移樁頂位移逐漸發(fā)展，在發(fā)展到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，樁頂位移曲線趨于平緩，說明此時(shí)樁頂位移不再隨著時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示這個(gè)時(shí)間點(diǎn)會(huì)大概在三個(gè)月左右出現(xiàn)。

圖2 樁頂水平位移檢測(cè)數(shù)據(jù)

通過數(shù)值模擬和檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樁頂水平位移的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值誤差中位數(shù)在2mm 左右，說明數(shù)值模型、邊界條件、加荷方式基本能夠正確的反映實(shí)際基坑支護(hù)內(nèi)力、位移的變化情況。

5 鋼管支撐對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

前后排樁樁身水平位移均沿著深度方向水平位移逐漸減小，而且前后排樁的位移基本一致，說明在承受坑壁土壓力時(shí)雙排樁基可以有效地共同協(xié)調(diào)工作，前后排樁在施工過程中由于是有梁體聯(lián)系，使之形成剛架效應(yīng)，使得在變形過程中兩樁體相互協(xié)調(diào)變形、傳遞支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)土壓力和基坑內(nèi)部鋼管支撐和坑底開挖而發(fā)生的卸荷效應(yīng)。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)，鋼支撐的道數(shù)對(duì)于深基坑雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性起著重要的作用，隨著鋼管支撐數(shù)量的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)沿著基坑深度方向的變形會(huì)得到有效抑制。隨著鋼支撐數(shù)量的增加，鋼管支撐對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)位移控制逐漸減弱。所以根據(jù)基坑的開挖深度設(shè)置合適的道數(shù)的橫向支撐體系顯得尤為重要。隨著鋼管支撐數(shù)量的增加工程費(fèi)用的支出數(shù)量也隨之增加，同時(shí)出現(xiàn)的問題還有施工空間不斷被壓縮和分割，使得在施工過程中，機(jī)械操作觸碰到橫向鋼管支撐結(jié)構(gòu)的概率增加，無形中又增加了導(dǎo)致基坑鋼管支撐破壞的其他風(fēng)險(xiǎn)。解決好這一對(duì)矛盾才能使得施工中安全和造價(jià)達(dá)到最優(yōu)。從深度的樁頂水平位移的變化情況可以看出設(shè)置三道或者四道橫向鋼管支撐，既可以將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移（如圖3 所示）控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。不同鋼管支撐情況下支護(hù)樁樁頂水平位移如圖4 所示。

圖3 樁身水平位移

圖4 不同鋼管支撐情況下支護(hù)樁樁頂水平位移

根據(jù)分析和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在基坑施工過程中設(shè)置不同層數(shù)的鋼支撐，對(duì)地表沉降的控制能力和影響效果亦不同。首先隨著地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離基坑的距離不斷增加，地表沉降逐漸增加在距離基坑約4.2m 的位置達(dá)到最大值，其后隨著距離基坑邊緣的距離不斷增加沉降逐漸減小，最后趨于收斂穩(wěn)定。其次隨著橫向支護(hù)結(jié)構(gòu)道數(shù)的增加對(duì)于地表沉降的控制越明顯，一道、兩道、兩道橫向支撐時(shí)，地表沉降的最大值分別為22.35mm、17.43mm 和9.87mm。由圖5 可以看出三道或者四道支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于地面沉降的控制明顯優(yōu)于一道支撐。但是過多道數(shù)的橫向支撐結(jié)構(gòu)對(duì)于地面沉降控制有限，不能通過過多的增加支撐結(jié)構(gòu)的道數(shù)來控制地面沉降。

圖5 不同道數(shù)橫向支撐下基坑地表沉降

鋼支撐的軸力是影響基坑支護(hù)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，一般通過預(yù)應(yīng)力的形式施加，在基坑開挖過程中，橫向鋼支撐的內(nèi)力是隨著基坑開挖深度的變化而變化的。

一般來說支撐結(jié)構(gòu)的預(yù)加軸力在設(shè)計(jì)軸力的50%到80%之間，過小作用有限，軸力夠高使得后側(cè)土體受到主動(dòng)土壓力作用，向外發(fā)生傾覆或者局部發(fā)生土體剪切破壞。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力在設(shè)計(jì)軸力的0%到50%之間時(shí)，樁體的正彎矩最大值減少了不到5%，負(fù)彎矩最大值減小15%左右，樁頂水平位移減少約15%；預(yù)應(yīng)力在設(shè)計(jì)軸力的50%到90%之間時(shí)，最大正彎矩增加了1%左右，最大負(fù)彎矩減小了30%左右，預(yù)應(yīng)力在此區(qū)間，對(duì)正彎矩幾乎沒有影響，對(duì)于負(fù)彎矩的減小作用非常明顯；樁頂水平位移基本減小為零，甚至出現(xiàn)較小的負(fù)位移，即支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)受主動(dòng)土壓力，在多道支撐體系中適當(dāng)減小首道支撐的預(yù)加軸力，增加其他的各道橫向支撐體系的軸力效果比平均增加效果明顯；最優(yōu)的效果是沿著基坑深度的方向，將設(shè)計(jì)深度一半深度處的支撐結(jié)構(gòu)預(yù)加軸力適當(dāng)加大而降低兩側(cè)橫向支撐體系軸力，對(duì)基坑變形及安全的控制更有利，缺點(diǎn)在于對(duì)施工的控制的要求高，而且隨著基坑開挖深度的增加要實(shí)時(shí)調(diào)整橫向支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并且前期的計(jì)算工作相對(duì)較復(fù)雜，對(duì)控制軸力的計(jì)算需要不斷的在施工做反饋修正。橫向支撐結(jié)構(gòu)不同預(yù)加力下支護(hù)樁位移對(duì)比如圖6 所示。

圖6 橫向支撐結(jié)構(gòu)不同預(yù)加力下支護(hù)樁位移對(duì)比

6 結(jié)語

本文從深基坑施工中控制安全的最主要因素之一——橫向支撐層數(shù)和軸力為出發(fā)點(diǎn)通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析計(jì)算，得出在雙排樁深基坑支護(hù)中，橫向支撐體系對(duì)基坑安全施工的影響。

隨著鋼管支撐數(shù)量的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)沿著基坑深度方向的變形會(huì)得到有效抑制，結(jié)論顯示并非越多越好，設(shè)置三道或者四道橫向鋼管支撐，既可以將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的橫向位移控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

鋼支撐軸向預(yù)加力在設(shè)計(jì)支撐力的50～90%之間時(shí)，對(duì)于支護(hù)樁的正彎矩的影響不大，但是對(duì)于負(fù)彎矩的減小非?？捎^，支護(hù)樁頂不出現(xiàn)水平位移，甚至為負(fù)位移。通過設(shè)置三道或者四道橫向支撐結(jié)構(gòu)、調(diào)整支撐結(jié)構(gòu)預(yù)加力到設(shè)計(jì)支撐力的50～90%之間時(shí)能有效地控制基坑施工的安全水平。

由于篇幅關(guān)系，本文只選擇橫向支撐中的兩個(gè)因素進(jìn)行了分析計(jì)算。對(duì)于深基坑工程具有一定的參考意義。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)于具體問題還需要進(jìn)一步分析，因地制宜，不斷總結(jié)規(guī)律并將相關(guān)規(guī)律經(jīng)過理論分析計(jì)算的驗(yàn)證，形成切實(shí)可靠既有理論支持又有實(shí)踐驗(yàn)證的施工控制方法，將深基坑安全的可靠度進(jìn)一步提高。