鋼筋混凝土圓環(huán)內(nèi)支撐在軟土深基坑支護工程中的設(shè)計探討

劉家國

（深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司，廣東 深圳 518023）

1 引言

基坑支護中的預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)由于周邊環(huán)境、工程地質(zhì)等條件限制，其使用逐漸減少甚至不被允許，而內(nèi)支撐體系大量被采用。內(nèi)支撐平面布置可采用角撐、對撐、圓環(huán)撐等形式，或根據(jù)需要對其進行多種平面組合，而圓環(huán)支撐有其獨特的優(yōu)勢，得到較為廣泛的應(yīng)用；內(nèi)支撐主要采用鋼筋支撐體系和鋼支撐體系[1],而前者更為普遍。

內(nèi)支撐系統(tǒng)設(shè)計計算包括水、土壓力作用下的平面內(nèi)計算和豎向力作用下的平面外計算；也可將圍護體、支撐以及立柱作為一個整體進行空間模型分析，因其計算復(fù)雜，應(yīng)用上存在不足，大部分仍采用相對簡便的平面計算模型進行分析。

支撐平面內(nèi)的內(nèi)力和變形計算是將圍檁和支撐桿件從支護體系中脫離出來，形成一個平衡體系，在周邊的圍檁上添加適當(dāng)?shù)募s束進行求解；對于長度較長的支撐，宜適當(dāng)考慮溫度變化對支撐內(nèi)力的影響。

支撐體系自重和支撐梁頂面或施工堆載平臺的施工活荷載等豎向力作用下，支撐的內(nèi)力和變形可近似按多跨連續(xù)梁進行分析；基坑開挖施工過程中，相鄰立柱隆起或沉降有差異時，支撐會產(chǎn)生次應(yīng)力，應(yīng)予以考慮并適當(dāng)加強。

鋼筋圓環(huán)內(nèi)支撐的圍檁、冠梁與支撐構(gòu)件等采用整體澆筑，以確保其支撐剛度和可靠性，使連接節(jié)點為剛接，支座彎矩可適當(dāng)折減，跨中彎矩宜相應(yīng)增加。

土壓力計算是一個涉及很多因素的復(fù)雜問題，內(nèi)支撐體系與支護樁、土體共同作用，加之受溫度、地下水、施工荷載、差異沉降等因素的影響，內(nèi)支撐設(shè)計計算較為復(fù)雜，本文在簡化計算的基礎(chǔ)上，通過對平面內(nèi)的分析計算進行設(shè)計，平面外的計算進行校核。

2 鋼筋圓環(huán)內(nèi)支撐的特點

2.1 圓環(huán)結(jié)構(gòu)受力合理

圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)中，水、土壓力通過基坑支護結(jié)構(gòu)傳遞給腰梁與邊桁架腹桿、輻射撐等，再集中傳至圓環(huán)，充分利用材料的受壓性能改善對撐、角撐等支護結(jié)構(gòu)中桿件復(fù)雜的受力狀態(tài)；圓環(huán)支撐剛度大、穩(wěn)定性好、變形小，確?；蛹爸苓吔ǎ?gòu)）筑物、環(huán)境安全的效果好，適用于超大面積以及多種平面形式的基坑[2],特別適用于方形、多邊形基坑支護[3，4]。

2.2 便于土方挖運及地下結(jié)構(gòu)施工

圓環(huán)支撐結(jié)構(gòu)可在基坑平面上形成較大面積的無支撐區(qū)域，尤其當(dāng)塔樓處于圓環(huán)內(nèi)、在圓環(huán)區(qū)域布置出土坡道或棧橋后，樁基礎(chǔ)和地下室施工十分方便，可以盆式開挖基坑，相較于對撐、角撐支撐梁下出土，形成開闊的工作面，大幅度提高了土方開挖速度。

2.3 經(jīng)濟效益明顯

因圓環(huán)支撐方便土方和地下結(jié)構(gòu)施工，工效大大提高，尤其在面積較大的基坑支護中，通常具有普通內(nèi)支撐無法比擬的經(jīng)濟優(yōu)勢，可節(jié)約投資、加快總體施工進度，經(jīng)濟效益明顯。

2.4 合理安排地下結(jié)構(gòu)施工節(jié)奏，可順利地進行拆換撐

圓環(huán)支撐因其依靠圓環(huán)結(jié)構(gòu)受力，要求拆換撐時，應(yīng)確保肥槽的回填對稱、均衡，在地下結(jié)構(gòu)施工時，需合理安排施工工序，確保拆換撐的順利實施。

3 圓環(huán)內(nèi)支撐的平面布置形式

基坑平面近似方形或多邊形時，可采用一個圓環(huán)支撐；窄長形基坑，可采用兩個或多個圓環(huán)或與其他支撐進行組合。

4 工程實例

4.1 工程概況

項目位于寶安大道東側(cè)、大洋路與橋和路交會處西北角，場地為濱海潮間帶地貌，后經(jīng)填土后整平。設(shè)3 層地下室，基坑北側(cè)東段有1 棟6 層建筑，周邊地下管線密布；基坑面積約14 520 m2，深15.15 m，支護安全等級為一級。

4.2 工程地質(zhì)概況

（1）素填土：松散，稍濕；主要以黏性土混砂堆填，含有少量建筑垃圾及生活垃圾，層厚1.8～5.10 m，平均3.35 m。

（2-1）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：流塑～軟塑狀，飽和，含少量有機質(zhì)和砂粒，層厚0.8～4.5 m，平均2.17 m。

（2-2）粉質(zhì)黏土：可塑，不均勻，含石英質(zhì)砂粒，含量約為10%～30%。層厚0.9～10.1 m，平均4.77 m。

（2-3）中砂：飽和，松散～稍密，砂為石英質(zhì)，含黏性土約25%，層厚0.8～9.4 m，平均5.26 m。

（3）粉質(zhì)黏土：可塑～硬塑，系混合巖風(fēng)化殘積而成，含少量石英質(zhì)砂粒，層厚0.5～6.1 m，平均3.57 m。

（4）早震旦系大紺山組混合巖，灰色、灰黑色，變余結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖芯表面可見白色條帶，主要成分為黑云母，石英，長石，風(fēng)化程度不等。

4.3 水文地質(zhì)條件

場內(nèi)地下水有上部第四系松散地層孔隙潛水和下部基巖裂隙水，強～中風(fēng)化混合巖裂隙發(fā)育，其富水性及透水性較強，是地下水賦存和運移的較好空間?？辈炱陂g測得混合穩(wěn)定水位埋深為0.8～1.9 m，地下水位受季節(jié)及降雨影響，其變化幅度為1.0～2.0 m。

4.4 基坑支護方案

經(jīng)多方案比選，基坑西北角和東南角采用咬合樁、其余部位采用旋挖灌注樁+兩層鋼筋圓環(huán)內(nèi)支撐支護，圓環(huán)直徑111.2 m。支護咬合樁葷樁和素樁樁徑1.2 m，樁間距2.0 m，咬合0.2 m，嵌固深度8.0m，支護平面如圖1 所示。鋼筋圓環(huán)支撐梁強度等級為C30，冠梁1.0 m×1.2 m，腰梁1.0 m×1.0 m，第一層和第二層徑向支撐梁、角撐梁及聯(lián)系梁分別為0.8 m×1.0 m、1.0m×1.0 m，第一層（標高-1.50 m）和第二層圓環(huán)撐梁（標高-6.50 m）分別為1.0 m×1.6 m、1.0 m×1.8 m。支護樁為樁徑1.2 m，樁間距1.8 m，樁間設(shè)置兩根雙管高壓旋噴樁與支護樁共同形成截水帷幕，旋噴樁與支護樁同長，如圖1、圖2 所示。

圖1 基坑支護平面圖

圖2 基坑支護平面圖

場內(nèi)地下孔隙水主要賦存于第四系地層中，屬潛水，受大氣降水及地表水補給，水位變化因季節(jié)而異，基坑采用咬合樁、支護樁加樁間高壓旋噴樁截水；基坑頂和坑底設(shè)排水明溝，坑底設(shè)集水井，排入相鄰市政管網(wǎng)。從經(jīng)濟、土方開挖的便利性考慮，在坑內(nèi)設(shè)超前集水坑，排除坑內(nèi)土體中的地下水。

4.5 基坑設(shè)計計算

內(nèi)支撐計算基于線彈性體平面桿系有限單元法。獨立進行水平面受荷變形分析和豎直面內(nèi)受荷變形分析，計算中不考慮計算結(jié)果的相互影響[5，6]。豎直平面內(nèi)分析中除特殊截面構(gòu)件，均自動計算構(gòu)件的自重荷載。

基坑頂?shù)某d、圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)水、土壓力等通過支護樁傳遞給內(nèi)支撐體系來平衡，支護體起到擋土、截水的作用，并將水平力通過豎向抗彎的方式全部傳遞給內(nèi)支撐。將第一層、第二層支撐水平荷載（分別為367 kN/m、539 kN/m）施加在冠梁和腰梁上，求得支撐系統(tǒng)的變形和內(nèi)力。

計算得到支護樁的最大計算彎矩為845.5 kN·m，樁的最大位移發(fā)生在支護樁頂以下約5.5 m，為6.7 mm。圓環(huán)支撐梁最大變形為7.8 mm，冠梁最大變形發(fā)生于基坑北側(cè)中部，為9.3 mm，圓環(huán)形梁和支撐均呈壓應(yīng)力狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

立柱樁按所承受的最大豎向力進行計算，相關(guān)參數(shù)為：支撐梁重度25 kN/m3；鋼立柱質(zhì)量為331 kg/m，長度按14.75 m計算。

立柱抗壓承載力標準值為：

立柱樁抗壓標準值：

立柱樁長12 m，樁徑1.2 m，樁側(cè)土體為粉質(zhì)黏土厚3.7 m、全風(fēng)化巖厚4.2 m、強風(fēng)化巖厚4.1 m，側(cè)摩阻力特征值分別為35 kPa、70 kPa、100 kPa，樁的極限端阻力特征值取1 500 kPa。立柱樁承載力特征值為：

抗壓滿足要求。

4.6 咬合樁施工

咬合樁采用搓管鉆機分兩序施工，一序樁（素樁）采用超緩凝，緩凝時間控制在初凝60 h，終凝時間70 h，強度等級為C15；二序樁（葷樁）為鋼筋樁，在相鄰的一序樁終凝之前進行施工，強度等級為C30。

4.7 土方開挖施工

充分利用大直徑圓環(huán)支撐形式，為快速開挖出土創(chuàng)造有利條件，在圓環(huán)支撐內(nèi)設(shè)置縱坡坡率為1∶6、橫坡坡率為1∶1.25、寬8 m 的出土坡道，土方車輛直接進出基坑?？觾?nèi)土方分3 層開挖：第一層土方挖至第一道支撐梁底，第二層土方挖至第二道支撐梁底，第三層土方挖至基坑底，土方開挖前對坑內(nèi)地下水分層進行降水后，其開挖作業(yè)面能夠滿足挖機挖土及泥頭車裝運土方，可減少土方在坑內(nèi)二次倒運，大幅度提高土方挖運施工效率。

4.8 基坑監(jiān)測

對基坑支護結(jié)構(gòu)、周邊建（構(gòu)）筑物、周邊道路及地下管線的沉降位移等進行監(jiān)測。基坑開挖前，測初始值不少于兩次；基坑開挖過程中，每2 d 觀測一次，基坑開挖結(jié)束至地下室底板澆筑完成后每5 d 觀測一次，以后每7 d 觀測一次，直至±0.00 為止；雨天加密監(jiān)測。除支撐軸力和樁身內(nèi)力的預(yù)警值為允許值的65%外，其他各項指標的預(yù)警值為允許值的80%。

構(gòu)件承載能力設(shè)計值分別為第一道支撐梁9 000 kN，環(huán)撐梁18 000 kN；第二道支撐梁12 000 kN，環(huán)撐梁26 000 kN。監(jiān)測最大支撐軸力第一道支撐梁7 214 kN，環(huán)撐梁12 389 kN；第二道支撐梁9 461 kN，環(huán)撐梁18 607 kN。

監(jiān)測表明，因設(shè)計計算及現(xiàn)場測試方法、測試元器件等綜合影響，實測值與計算值有一定差異；各支撐軸力實測值均在設(shè)計預(yù)警值以內(nèi)，圓環(huán)內(nèi)支撐受力狀態(tài)、規(guī)律基本與計算結(jié)果相近，

4.9 換撐及拆撐施工

地下室采用單邊支模工藝，換撐采用地下室結(jié)構(gòu)梁板方式。支撐梁分區(qū)對稱采用繩鋸切割拆除。

5 結(jié)語

軟土地層基坑，若周邊環(huán)境復(fù)雜，對變形和沉降較為敏感，控制基坑的整體剛度和變形尤為重要；土方開挖和塔樓工期緊的項目，采用鋼筋圓環(huán)內(nèi)支撐，受力合理，整體剛度大，支護結(jié)構(gòu)變形小，保護周邊環(huán)境效果好；基坑圓環(huán)中部可提供大面積的無撐區(qū)域，通常可避讓塔樓部位，土方挖運十分便捷，可加快主體結(jié)構(gòu)施工進程；結(jié)合單邊支模工藝，確保了拆換撐工序的有效實施；在軟土基坑中的成功實施，說明大直徑鋼筋圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)是一種安全且較為經(jīng)濟的支護方案。