“傘形”支撐系統(tǒng)在復(fù)雜深基坑工程中的應(yīng)用分析

李洪年，高強(qiáng)，周聰

（1.上海東方樞紐投資建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司，上海 200000；2.江蘇建院營(yíng)造股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

1 前言

隨著建筑業(yè)的飛速發(fā)展，城市用地日趨緊張，地下空間已經(jīng)成為城市開(kāi)發(fā)利用的新方向。因此，基坑深度不斷增加，地下工程的整體安全性也顯得尤為重要。另外，城市中多數(shù)項(xiàng)目場(chǎng)地輪廓呈現(xiàn)出不規(guī)則性，周邊環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜，特別是臨近軌道交通、生命通道、管廊等重要建筑及構(gòu)筑物，因此深基坑支護(hù)工程的設(shè)計(jì)與施工難度不斷增加[1]。

對(duì)于深大型基坑而言，傳統(tǒng)方案采用豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)及水平支撐的圍護(hù)形式，相比于懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐可更有效地控制基坑開(kāi)挖施工時(shí)產(chǎn)生的位移變形[2]。其中，豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)多采用工法樁、灌注樁、地下連續(xù)墻等；內(nèi)支撐主要分為鋼支撐、混凝土支撐及鋼與混凝土混合支撐等[3]。整體上深基坑內(nèi)支撐主要表現(xiàn)為角撐、對(duì)撐、環(huán)撐等形式。相對(duì)而言，角撐較為經(jīng)濟(jì)高效，且相對(duì)出土便捷，但《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[4]要求混凝土支撐不宜大于15m，鋼支撐不宜大于20m；對(duì)于角撐未能覆蓋的區(qū)域，常規(guī)可采用對(duì)撐加以控制，但角撐與對(duì)撐的形式須在坑內(nèi)布設(shè)大量橫向桿件，嚴(yán)重限制了基坑出土及地下結(jié)構(gòu)的施工速度；環(huán)形支撐體系一方面可有效利用結(jié)構(gòu)拱效應(yīng)抵抗基坑的整體位移變形，另一方面，環(huán)形支撐具備較大的敞口空間，約占基坑面積的70%，為地下工程施工提供了良好的作業(yè)條件[5-7]。

對(duì)于不規(guī)則形狀的地下室輪廓，須充分利用周邊環(huán)境條件，因地制宜，制定合適的設(shè)計(jì)方案。例如支撐可根據(jù)基坑形狀采用水平角撐結(jié)合環(huán)形支撐的桿件系統(tǒng)，豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)可根據(jù)周邊建筑情況做出選擇。深基坑工程施工方面，基坑開(kāi)挖過(guò)程中，諸多因素將導(dǎo)致基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，如施工影響、荷載因素、時(shí)空效應(yīng)，極端天氣條件等，均會(huì)對(duì)基坑產(chǎn)生較大影響。加強(qiáng)基坑施工過(guò)程中的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)，提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，一旦監(jiān)測(cè)值達(dá)到報(bào)警值，及時(shí)開(kāi)展應(yīng)急搶險(xiǎn)措施[8]。

2 工程概況

2.1 場(chǎng)地概況及周邊環(huán)境

蘇州擬建中荷（蘇州）科技創(chuàng)新港工程，本項(xiàng)目地塊位于江蘇省蘇州市相城區(qū)相融路東、富翔路以南，場(chǎng)地形狀近似半圓形。其主要由A、B、C、D 四個(gè)高層塔樓及三層裙房組成，整體設(shè)兩層地下室，圖1為擬建項(xiàng)目效果圖。

圖1 中荷（蘇州）科技創(chuàng)新港工程效果圖

本項(xiàng)目場(chǎng)地周邊環(huán)境條件復(fù)雜，地下重要管線眾多，且場(chǎng)地南側(cè)、東側(cè)為地鐵二號(hào)線地面車輛段，車輛段圍墻距離開(kāi)挖邊線約50m，車輛段工程樁為φ 800mm 鉆孔灌注樁。本項(xiàng)目北側(cè)下穿后期軌道交通10 號(hào)線，經(jīng)與軌道部門(mén)溝通，地鐵隧道埋深暫未確定，本次圍護(hù)設(shè)計(jì)考慮預(yù)留大跨度通道。

2.2 基坑規(guī)模及支護(hù)形式

本項(xiàng)目基坑開(kāi)挖面積37550m2，基坑周長(zhǎng)756m，設(shè)地下兩層車庫(kù)，地庫(kù)區(qū)域開(kāi)挖深度為10.10～10.80m，A 塔樓開(kāi)挖深度為12.50m，B、C、D 塔樓區(qū)域開(kāi)挖深度為11.80m，電梯井、集水井落深為1.50～2.85m。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[4]基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

2.3 場(chǎng)地地質(zhì)特征及土層分布

擬建場(chǎng)地在90.30m 深度范圍內(nèi)的地基土主要由粘性土、粉土和粉砂構(gòu)成，呈水平成層分布。根據(jù)本次勘探的底地層資料分析，按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異主要分為11 個(gè)層次，若干亞層，分別為：①0層淤泥；①1層素填土；③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；④1層粘土；④2層粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土；⑤1層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土，⑤2層砂質(zhì)粉土夾粉砂；⑥層粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土；⑦1層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土；⑦2層砂質(zhì)粉土夾粉砂；⑧1層粉質(zhì)粘土；⑧2層粘土；⑧3層粉質(zhì)粘土夾砂質(zhì)粉土；⑧3夾層砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土；⑧4層粉質(zhì)粘土；⑨層砂質(zhì)粉土夾粉砂。

2.4 項(xiàng)目重難點(diǎn)

基坑周邊涉及軌道交通2 號(hào)線以及重要市政道路和管線，基坑安全等級(jí)高。圖2 展示了本項(xiàng)目擬建場(chǎng)地航拍圖，基坑輪廓與場(chǎng)地同樣呈現(xiàn)出不規(guī)則形狀，且基坑深度較深，須布設(shè)內(nèi)支撐，而由于形狀不規(guī)則，內(nèi)支撐布設(shè)方案較為復(fù)雜。

圖2 擬建場(chǎng)地航拍圖

后期軌道交通10 號(hào)線將穿越本場(chǎng)地內(nèi)北側(cè)地下區(qū)域，該區(qū)域支護(hù)結(jié)構(gòu)須預(yù)留后期軌道施工中盾構(gòu)機(jī)穿越空間，因此不能采用永久性剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)。鑒于本項(xiàng)目的特殊性，其施工工期緊張，傳統(tǒng)水平支撐形式將覆蓋較大基坑面積，影響基坑土方出土效率，而基坑不規(guī)則形狀使得環(huán)形支撐難以布設(shè)，因此，優(yōu)化支撐的布設(shè)方案至關(guān)重要。

2.5 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目基坑輪廓呈現(xiàn)為半圓傘形，考慮利用半圓形結(jié)構(gòu)的拱效應(yīng)，并輔以對(duì)撐及角撐，利用有限的支撐桿件，設(shè)計(jì)出合理的半圓傘形受力體系。后期待建軌道交通10 號(hào)線下穿基坑內(nèi)北側(cè)區(qū)域，為預(yù)留軌道施工盾構(gòu)空間，該區(qū)域設(shè)計(jì)采用SMW 工法樁或CSM 工法樁的支護(hù)形式，并且考慮后期所有型鋼均拔除回收，其余地下二層及汽車坡道區(qū)域均采用鉆孔灌注樁的豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)變形及內(nèi)力分析結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整支撐桿件布置，減少輔助桿件數(shù)量。合理布置立柱樁、棧橋及土方開(kāi)挖車輛下坑坡道等，提高出土效率，縮短地下工程施工工期。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 支護(hù)體系

待建軌道交通10 號(hào)線區(qū)域采用SMW 工法樁或CSM 工法樁（型鋼700×300×13×24，密插），其中地庫(kù)區(qū)域型鋼有效長(zhǎng)度22.0m，塔樓區(qū)域型鋼有效長(zhǎng)度為25.0m。其他區(qū)域：地庫(kù)區(qū)域采用φ900@1100 鉆孔灌注樁，灌注樁有效長(zhǎng)度為21.0m；塔樓區(qū)域擋土結(jié)構(gòu)采用φ 950@1150 鉆孔灌注樁，灌注樁有效長(zhǎng)度為22.0m；場(chǎng)地東側(cè)汽車坡道區(qū)域擋土結(jié)構(gòu)采用φ800@1000鉆孔灌注樁，灌注樁有效長(zhǎng)度為11.0m。

3.2 止水體系

待建軌道交通10 號(hào)線影響區(qū)域止水帷幕采用雙排3φ850@1200 攪拌樁，7 層粉土深厚位置采用CSM 深攪水泥攪拌墻，其他區(qū)域采用單排三軸3φ 850@1200攪拌樁止水帷幕。

3.3 支撐體系

本項(xiàng)目基坑工程地下2 層區(qū)域設(shè)置兩道鋼筋混凝土支撐，支撐系統(tǒng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，坡道區(qū)域設(shè)置一道H400×400×13×21型鋼支撐。

圖3 為本項(xiàng)目基坑工程第一、二道鋼筋混凝土支撐平面圖，中心標(biāo)高分別為-1.70m、-6.75m。主要由兩道半圓環(huán)形支撐、角撐、主對(duì)撐以及副對(duì)撐組成，邊桁架采用三角形桁架形式，充分利用基坑輪廓合理布設(shè)，支撐體系受力合理。

圖3 鋼筋混凝土支撐平面布置圖

3.4 立柱體系

非棧橋區(qū)域、棧橋區(qū)域以及軌道交通10 號(hào)線區(qū)域均采用φ800mm 鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25.0～28.0m。為預(yù)留軌道施工大跨度空間，北側(cè)立柱樁間距達(dá)到14.0m左右。

4 基坑開(kāi)挖

本基坑工程土方開(kāi)挖工程量大，基坑開(kāi)挖面積37550m2，土方開(kāi)挖總量約為406000m3。土方開(kāi)挖階段充分利用水平支撐特點(diǎn)，先盆式開(kāi)挖，投入兩個(gè)土方開(kāi)挖班組，同步對(duì)稱盆式開(kāi)挖；后采用中心島式開(kāi)挖，主要是利用坑內(nèi)土體自重反壓控制基坑變形，同時(shí)增加基坑位移變形及支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)變形情況開(kāi)挖中心土方，如圖4、圖5 所示。利用基坑?xùn)|西向主棧橋、西北角以及南側(cè)棧橋板作為主要出土口，東西向棧橋作為主出土通道。由于本工程基坑面積較大，基坑開(kāi)挖深度較深，仍須注意“時(shí)空效應(yīng)”[9-10]，在每個(gè)開(kāi)挖區(qū)段分塊、分層開(kāi)挖，緩解基坑土方開(kāi)挖階段的應(yīng)力釋放，否則可能引起基坑過(guò)大變形甚至基坑垮塌事故。此外，按規(guī)定時(shí)限開(kāi)挖，縮短基坑暴露時(shí)間，開(kāi)挖至最下一層土方，應(yīng)及時(shí)施工基礎(chǔ)墊層及地下室底板，無(wú)墊層坑底最大暴露面積不得大于200m2，暴露時(shí)間不得超過(guò)12h，混凝土墊層須直接澆筑至圍護(hù)樁內(nèi)側(cè)面，以免墻底、坑底隆起，涌水涌沙。

圖4 土方開(kāi)挖階段航拍圖

圖5 地下結(jié)構(gòu)施工航拍圖

5 理論分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

本項(xiàng)目基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)采用同濟(jì)啟明星9.0 以及BSC 分析軟件計(jì)算模擬施工工況，施工階段采用信息化監(jiān)測(cè)手段，理論計(jì)算聯(lián)系實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，雙向反饋指導(dǎo)施工。圖6、圖7為基坑施工過(guò)程中位移變形及支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖。根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，開(kāi)挖至坑底時(shí)，基坑最大位移以及支撐最大軸力位置均出現(xiàn)在基坑南側(cè)（圓環(huán)撐與邊桁架交界區(qū)域），實(shí)測(cè)最大位移達(dá)到19.1mm，其中第一道、第二道支撐最大位移分別達(dá)到11.5mm、16.4mm，明顯小于理論計(jì)算最大位移（33.6mm）；第一道、第二道鋼筋混凝土支撐最大軸力分別為4306.8kN、8296.6kN，明顯小于理論計(jì)算最大支撐軸力（14241.0kN）。

表1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

圖6 最大深層水平位移-深度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

圖7 最大軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

理論與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的變形與軸力值差異主要是由于項(xiàng)目基坑規(guī)模較大，為避免“時(shí)空效應(yīng)”，確?；影踩€(wěn)定，考慮分區(qū)段獨(dú)立施工的策略，并及時(shí)換撐。因此，相比于設(shè)計(jì)工況，本項(xiàng)目整體水平支撐系統(tǒng)均處于偏安全受力狀態(tài)，進(jìn)而位移變形與支撐軸力明顯小于理論計(jì)算值。

根據(jù)本基坑工程特點(diǎn)及基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目圍護(hù)方案理應(yīng)整體采用鉆孔灌注樁結(jié)合兩道鋼筋混凝土支撐的圍護(hù)形式，但由于后期軌道交通10 號(hào)線下穿本項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)北側(cè)的限制，其受影響區(qū)域不得采用永久性剛性圍護(hù)結(jié)構(gòu)，所以考慮采用水泥攪拌樁密插H 型鋼并結(jié)合兩道鋼筋混凝土支撐的支護(hù)形式代替。圖8 展示了土方開(kāi)挖至坑底階段工法樁及鉆孔灌注樁區(qū)域?qū)嶋H位移變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，相比于本場(chǎng)地類似地質(zhì)條件下采用鉆孔灌注樁支護(hù)形式的區(qū)域，工法樁區(qū)域深層水平位移略大，但均小于20mm，在可控范圍內(nèi)。這是由于水泥土攪拌樁密插H 型鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍護(hù)鉆孔灌注樁的剛度相當(dāng)，均可有效控制基坑深層土體位移變形。因此，本項(xiàng)目基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證了當(dāng)其他類似深基坑工程受到周邊環(huán)境條件限制而不能采用鉆孔灌注樁結(jié)合兩道鋼筋混凝土支撐時(shí)，采用水泥土攪拌樁密插型鋼并結(jié)合水平支撐圍護(hù)形式替代方案的可行性。

圖8 工法樁與灌注樁區(qū)域位移變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

為滿足結(jié)構(gòu)梁設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的準(zhǔn)則[11]，布設(shè)水平支撐時(shí)，應(yīng)盡量保證相鄰支撐桿件交匯于一點(diǎn)，更有利于滿足支撐桿件的抗剪要求，否則會(huì)導(dǎo)致垂直于支撐梁桿件向的分解荷載較大。若加之支撐梁較短，必將使得該桿件成為抗剪最薄弱區(qū)域，承擔(dān)相應(yīng)支撐梁脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在深基坑工程中，基坑圍護(hù)工程水平支撐的布設(shè)須充分利用基坑輪廓特點(diǎn)，合理選擇水平向支撐布設(shè)形式，充分采用三角形桁架布置形式，保證基坑支撐處于整體合理受力狀態(tài)的同時(shí)，有效控制基坑整體位移變形。此外，基坑平面上盡可能提供較大的敞口空間，保障地下結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)條件。

施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)支撐特點(diǎn)、施工出入口位置，合理規(guī)劃土方開(kāi)挖以及支撐分區(qū)施工方案，設(shè)計(jì)指導(dǎo)施工，施工反饋設(shè)計(jì)，理論計(jì)算和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果共同反饋基坑安全情況，確?；影踩珒?chǔ)備能力?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，明確并嚴(yán)格落實(shí)信息化監(jiān)測(cè)要求，及時(shí)反饋基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)情況，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果及時(shí)商討并調(diào)整土方開(kāi)挖方案，快速規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保障施工安全的同時(shí)，帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，為后續(xù)類似深基坑工程提供豐富的經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)參考。