緊鄰建筑群雙圓環(huán)內(nèi)支撐深基坑設(shè)計(jì)與變形分析

羅軍，張盧明，胡建

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610051）

常規(guī)內(nèi)支撐支護(hù)體系在城市建筑密集區(qū)的深基坑工程中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。雙圓環(huán)內(nèi)支撐體系由于具有變形控制較好和施工便利的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在軟土層中得到了逐漸的應(yīng)用，一般采用單層結(jié)構(gòu)，最大設(shè)計(jì)基坑深度8～10m[4-6]，本文在南充市緊鄰建筑群的一個(gè)二元結(jié)構(gòu)深基坑工程中首次設(shè)計(jì)采用了雙層雙圓環(huán)內(nèi)支撐支護(hù)體系，設(shè)計(jì)最大基坑深度15m，獲得了成功。雙圓環(huán)較大的空間極大方便了基坑工程施工，通過(guò)對(duì)基坑上部邊坡放坡與錨噴支護(hù)，進(jìn)一步降低了主動(dòng)土壓力，中下部則采用雙層雙圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，較好地控制了基坑周邊的變形，同時(shí)也確保了緊鄰基坑周邊建筑物的安全。

1 工程概況

順慶區(qū)人民醫(yī)院改擴(kuò)建項(xiàng)目位于南充市主城區(qū)，主建筑為1 棟4-16F 門(mén)診和住院綜合大樓，其余為停車(chē)位等附屬設(shè)施，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。項(xiàng)目含兩層地下室，基坑開(kāi)挖底面標(biāo)高為-16.5～-12.75m；基坑挖深為11.0～14.80m，基坑開(kāi)挖面積8225.0m2，支護(hù)周長(zhǎng)425.0m。

該工程施工場(chǎng)地狹窄，基坑周邊建構(gòu)筑物較多，被多棟建筑物緊密環(huán)繞。經(jīng)調(diào)查，場(chǎng)地周邊2 倍基坑深度范圍內(nèi)被19 棟既有房屋包圍（一般位于紅線外0～3.5m），且多數(shù)修建于上世紀(jì)八九十年代，建筑基礎(chǔ)形式多為淺基礎(chǔ)，且結(jié)構(gòu)形式多為磚混結(jié)構(gòu)，未見(jiàn)有地下室，部分建筑墻體已開(kāi)裂，周邊復(fù)雜的環(huán)境對(duì)基坑變形控制提出了很高的要求?；又苓叚h(huán)境及支撐平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境及支撐平面布置圖

圖2 基坑支護(hù)典型剖面圖（圖中尺寸標(biāo)注單位為mm）

2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地原始地貌屬嘉陵江Ⅱ級(jí)階地，地層具有明顯的二元土巖組合結(jié)構(gòu)，主要地層及設(shè)計(jì)物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 基坑地層概況及設(shè)計(jì)參數(shù)表

地下水類(lèi)型按其賦存條件及水動(dòng)力特性可分為松散堆積層中孔隙潛水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要富存于粉土和卵石中?？辈炱陂g屬于枯水期，鉆孔實(shí)測(cè)地下水位埋深為2.5～4.8m，標(biāo)高為272.0～273.5m，場(chǎng)地內(nèi)地下水位略有起伏，孔隙潛水主要接受大氣降水、周邊居民生活用水的補(bǔ)給，受季節(jié)和人為因素影響大，地下水水位年變幅約1.0～2.0m?；鶐r裂隙水水量較小，分布不均勻，地下水位年變幅約0.5～1.5m。

3 基坑總體設(shè)計(jì)

3.1 基坑特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案

基坑開(kāi)挖最深約15m，基坑環(huán)境復(fù)雜，臨近建筑物多，上部雜填土最大厚度約4.6m，總體工程地質(zhì)條件一般，局部較差。根據(jù)該基坑的工程地質(zhì)條件和基坑工程特點(diǎn)，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和安全等因素，確定采用排樁+雙圓環(huán)內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)。

由于該工程地下室邊線距離與紅線大部分小于5m，最大距離約10m，基坑不可能大面積放坡開(kāi)挖；同時(shí)基坑開(kāi)挖面積較大，且場(chǎng)地四周均緊鄰已有居民區(qū)，僅西北側(cè)的儀鳳街有施工通道，采用普通的內(nèi)支撐支護(hù)型式難以解決土方開(kāi)挖與運(yùn)輸難題。故采用雙圓環(huán)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，雙圓環(huán)間通過(guò)支撐梁進(jìn)行連接 (見(jiàn)圖1)。為了方便施工，內(nèi)支撐構(gòu)件采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

基坑地下水控制采用“截水帷幕+管井降水+監(jiān)測(cè)水井+排水溝、沉淀池”措施，在基坑外圍布置兩圈高壓旋噴樁、25 口監(jiān)測(cè)水井（回灌井），基坑內(nèi)布置降水井17 口。

3.2 基坑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1；采用荷載結(jié)構(gòu)模式，按荷載“增量法”進(jìn)行計(jì)算，整體計(jì)算采用MIDAS XD（平面桿系有限元法），邊界條件為分布彈簧邊界。單元計(jì)算采用理正深基坑7.5。

1）由于場(chǎng)地上部填土層厚度總體不大，性質(zhì)尚可，為節(jié)約工程造價(jià)，將基坑上部2.5m 厚土體放坡并采用錨噴支護(hù)。

2）基坑支護(hù)樁采用旋挖鉆孔灌注樁，樁直徑和樁間距分別為1.2m、1.5m，采用C30 水下混凝土澆筑，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)22～27 m，總樁數(shù)為282 根。

3）雙圓環(huán)內(nèi)支撐中，北環(huán)和南環(huán)直徑分別為52.3m、39 m。支撐斷面分別為：環(huán)撐1.2m×1.0 m、主撐1.0 m×1.0 m、次撐（斜撐）0.8m×0.8 m。

4）為便于施工和節(jié)約造價(jià)，支撐立柱為鋼格構(gòu)，共布置了117 個(gè)立柱。立柱截面尺寸為0.5m×0.5m，長(zhǎng)度為15.5～17.5m。立柱下面的樁采用直徑1.0m 的旋挖鉆孔灌注樁，樁底進(jìn)入中風(fēng)化基巖不小于1m，樁長(zhǎng)不小于11m，立柱嵌入立柱樁內(nèi)長(zhǎng)度4m。

5）采用筏板、斜撐和負(fù)一樓樓板（局部車(chē)行道及樓板道鏤空處用鋼對(duì)撐）進(jìn)行換撐。

4 基坑施工過(guò)程

1）基坑開(kāi)挖前，施工支護(hù)樁、立柱樁、高壓旋噴樁以及降水井；2）1：1 放坡開(kāi)挖上部2.5 m 厚土層，并施工錨噴結(jié)構(gòu)和第一道內(nèi)支撐；3）第一道支撐驗(yàn)收合格后，分層對(duì)稱開(kāi)挖第一道支撐以下土方至-8.1m 深；4）施工第二道支撐并驗(yàn)收合格后開(kāi)挖至坑底后逐次啟動(dòng)降水井；5）待基礎(chǔ)底板混凝土及底板周邊回填混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后即開(kāi)始拆除支撐構(gòu)件。

5 計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

該工程總共布置232 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中支護(hù)樁頂水平和豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)共26 個(gè)；深部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)19 個(gè)；周邊建筑物豎向位移和傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)39 個(gè)；混凝土內(nèi)支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)每層各37個(gè)，斜撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 個(gè)，對(duì)撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)8 個(gè)；立柱豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)24 個(gè)；周邊地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)17 個(gè)；地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)19 個(gè)（地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)水井內(nèi)）。

限于篇幅，本文主要就基坑位移和支撐軸力進(jìn)行分析。

5.1 基坑位移和軸力計(jì)算值分析

開(kāi)挖至坑底后，基坑第一層支撐位移如圖3 所所示，從圖3可以看出，第一層支撐水平位移最大值為12.5mm，位于基坑?xùn)|南角，其余位移基本小于10mm。

圖3 基坑第一層支撐位移

開(kāi)挖至坑底后，基坑第二層支撐位移如圖4 所所示，從圖4 可以看出，第二層支撐水平位移最大值為15.1mm，同樣位于基坑?xùn)|南角，其余位移基本小于12mm。

圖4 基坑第二層支撐位移

軸力計(jì)算結(jié)果（限于篇幅僅列第一層支撐軸力圖）顯示第一層支撐最大軸力為9463kN，位于北側(cè)圓環(huán)東南角位置（圖5），第二層支撐最大軸力為11877kN，與第一層位置基本接近。

圖5 基坑第一層支撐軸力

5.2 監(jiān)測(cè)值分析

限于篇幅，本文監(jiān)測(cè)值僅分析開(kāi)挖至坑底階段，即整個(gè)基坑開(kāi)挖最深階段。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，基坑變形在可控范圍內(nèi)。

1）由于兩層內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的實(shí)施，支護(hù)樁樁頂位移得到了很好的控制，最大位移為10mm。

2）基坑周邊頂部地面水平位移9.5～11.5mm。在基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中，水平位移變化速率均小于1mm/d；土方開(kāi)挖完畢，基坑運(yùn)營(yíng)期間水平位移變化速率小于0.3mm/d，總體趨于穩(wěn)定。

3）基坑周邊地表沉降最大位移12.8～15.2mm，變化速率一般為0.2mm/d，最大1.5mm/d，降水后期沉降速率明顯減小，并趨于穩(wěn)定。

4）第一層基坑軸力最大值為9255kN，第二層支撐軸力最大值為11272kN。實(shí)際位置與計(jì)算位置較為接近。

5.4 對(duì)比分析

實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在一定差異，主要表現(xiàn)在：

1）實(shí)測(cè)值一般小于計(jì)算值，一般小30%左右，原因是由于基坑四周高壓旋噴樁和降水提高了土體抗剪強(qiáng)度，而MIDAS XD軟件未能考慮此作用，故使得實(shí)測(cè)值比計(jì)算值??；

2）支護(hù)樁的計(jì)算最大位移位于樁頂下約3.5m 處，而實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果位于樁頂下4～6m 處；

3）支撐梁的計(jì)算最大位移位于樁與圍檁交接處，一般均大于10mm，實(shí)際監(jiān)測(cè)最大位移僅約5mm；

4）基坑周邊地表沉降實(shí)測(cè)值和計(jì)算值相差較大，實(shí)測(cè)值比計(jì)算值小40%左右，兩者差距原因在于計(jì)算中未能考慮高壓旋噴樁和降水提高土體抗剪強(qiáng)度作用。

6 結(jié)論

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，整個(gè)基坑在開(kāi)挖及運(yùn)營(yíng)期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境是穩(wěn)定安全的。

1）基坑最大變形在開(kāi)挖到底部及拆除支撐階段，支護(hù)樁樁頂最大位移10mm，周邊地表最大水平位移9.5～11.5mm，最大地表沉降12.8～15.2mm，最大沉降速率1.5mm/d。

2）支護(hù)樁的最大位移位于樁頂下4～6m，支撐梁的最大位移僅約5mm。

3）由于設(shè)計(jì)軟件的局限，計(jì)算中未能考慮到高壓旋噴樁加固土體使得土體抗剪強(qiáng)度提高的作用，故實(shí)際監(jiān)測(cè)值要比計(jì)算值小30%～40%左右。

4）在周邊環(huán)境復(fù)雜的深大基坑中采用雙圓環(huán)內(nèi)支撐是科學(xué)且安全可靠的，支護(hù)體系可克服不能使用錨桿的缺點(diǎn)，且有較好的剛度和整體穩(wěn)定性，也很好地控制了基坑周邊建筑物的變形，便于在狹窄場(chǎng)地施工。