环形支撑系统基坑的围护结构变形分析

陈书贵

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

近十几年来我国各大城市大型地下空间开发迅速，涌现了大量技术复杂的基坑工程建设项目，基坑的开挖深度越来越深，开挖面积越来越大。在建筑物密集的市区，如何减少这些基坑开挖过程对周边建筑物和管线的影响已成为基坑支护设计和施工的新课题。对于基坑平面为规则的方形、圆形或者平面虽不规则但基坑两个方向的平面尺寸大致相等，采用传统的角撑、对撑结合边桁架布置，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，不利于土方的开挖和地下室结构的施工。因此，结合工程的平面形状，采用环形支撑的平面布置体系，充分发挥混凝土环梁能承受巨大压力的优势，不仅保证了变形、受力满足要求，同时加快了整体工程的施工进度。

1 工程概况

1.1 基坑规模及支护形式

长三角地区某城市基坑位于该城市主要交通干道A路和B路交叉路口东南侧，为地下三层结构，基坑开挖采用盆式明挖法施工，基坑开挖深度14.3～16.5 m，围护结构采用800 mm厚地下连续墙，支撑系统采用三层混凝土环梁桁架支撑，内环半径50 m，主要结构尺寸见表1，具体平面布置如图1。

表1 主要结构尺寸

1.2 地质特征及土层分布

本场地57.50 m以浅地基土属第四系(Q)沉积地层，按其成因类型、岩性和工程性能可划分9个工程地质层，4个工程地质亚层，分别为:①1杂填土;③1黏土;③2粉质黏土层;③3粉质黏土夹粉土层;⑥1－1黏土层;⑥1黏土层;⑥2粉质黏土夹粉土层;⑦1粉质黏土层;⑦1－1粉质黏土层;⑦2粉砂层;⑧1粉质黏土;⑧2－2粉土夹粉质黏土层;⑧3粉质黏土。

2 开挖过程中实测数据统计

根据监测方案，围护结构水平位移的监测采用直径70 mm的PVC测斜管与地下连续墙主筋等长绑扎，避开支撑节点的位置进行布设，在实际开挖过程中保持至少一天一次的监测频率，Ⅰ～Ⅳ区几个典型位置的监测曲线对比如图2、图3、图4、图5所示。

图1 基坑平面布置

图2 Ⅰ区墙体水平位移监测时程曲线

图3 Ⅱ区墙体水平位移监测时程曲线

图4 Ⅲ区墙体水平位移监测时程曲线

图5 Ⅳ区墙体水平位移监测时程曲线

3 监测数据分析

3.1 监测数据汇总对比

通过上述一系列墙体水平位移在不同区域的时程曲线对比可以得出:

(1)基坑开挖至第一、二层支撑浇筑完成这段时间内，各区域围护结构变形均较小，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ区的围护结构位移基本控制在5 mm以内，Ⅲ区局部控制在5～10 mm以内。

(2)在第一、二层支撑浇筑后至第三层支撑浇筑完成再到底板浇筑完成这段时间内，各区域围护结构变形较为显著，其中以Ⅱ区和Ⅲ区变形幅度较大，约为15～20 mm之间，并有累计变形超过该基坑设计预警值(22.5 mm)，其他区域围护结构变形相对变形控制在5 mm左右。

(3)底板浇筑后，围护结构变形基本得到控制，大部分成负向变形，个别位置有少量向坑内的残余变形，但变形速率基本稳定。

3.2 潜在原因分析

通过上述对比情况，结合施工工况和结构形式，导致这一系列现象的潜在原因主要有:

(1)混凝土支撑施工周期长，时效性差。由于采用大面积的混凝土结构作为深基坑的支撑系统，在基坑开挖到一定深度后，从清土、绑筋、立模、浇筑以及达到一定的强度平均需要一周甚至更长的时间，而且这种环形支撑需要一定范围内成型的支撑才能达到良好的受力效果。基坑围护结构变形受时空效应影响较大，这是采用多层混凝土结构作为支撑系统的基坑普遍存在的问题。

(2)不规则的大型基坑采用环形支撑系统易存在一些薄弱环节。环形支撑体系受力合理，能充分发挥混凝土环梁能承受巨大压力的优势，但在支撑系统设计中普遍认为环梁支撑的直径如果超过60 m且受力较大时，其拱作用就大为减小，环上相对薄弱的环节水平位移就会很大。通过图1的环形支撑体系可以看出，Ⅲ－1～Ⅲ－3区边桁架分布较少，当围护结构受外侧土压力压迫时直接传递至最内侧的环形支撑上，而其他区域则通过多个边桁架、格构柱和多重环撑的拱效应分担了这部分压力，有效抵抗了坑外土压力的压迫，而内侧环形支撑受力不均衡也就相应加剧了支撑薄弱环节区域围护结构的变形。

(3)受场地限制，材料堆载和辎重车辆过往形成的基坑边缘静、活载较大。该基坑位于市区两个重要干道的交叉口，不能大幅占用城市道路。受场地限制，大部分建材只能堆放在基坑边缘甚至直接堆放在基坑的盖板上。而在基础上，由于开挖出土的需要，设置的两条出土通道又不可避免的经过三个薄弱环节区域的基坑边缘。由此，在材料堆放形成的静载和重车常时间过往形成的动载，也是导致环形支撑系统薄弱区域基坑围护结构变形的重要因素之一，而该区域地表沉降普遍较大也恰恰印证了这一论点。

(4)此外，在基坑施工过程中导致围护结构变形较大的原因还包括不对称的开挖方式导致支护体系受力不均，立柱隆起过大导致支护结构受力失衡，围护结构涌水、涌砂和主体施工期间的拆撑控制等，均是基坑施工过程不可忽视的环节，稍有疏忽都有可能导致后果严重的基坑安全事故。

4 结论

(1)环形支撑均匀等分受力是控制围护结构变形的主要措施之一。在后继类似基坑形式的支撑系统设计过程中，应尽量避免一些薄弱环节的存在，且在开挖过程中对称均匀开挖，保证支撑系统受力均衡，充分发挥环撑支撑体系的拱作用。

(2)局部薄弱环节坑内土体进行加固，保证围护结构内外受力平衡。如在基坑环撑设计过程中出现不可避免的薄弱环节，可通过该区域围护结构被动区土体加固的方式提高基坑内侧土体压力，减小围护结构内外压力差，使坑外土体传递到环撑上的压力减小。

(3)在保证支撑强度的基础上，加快混凝土支撑的施工进度。即当基坑开挖到相应位置后可通过增加劳动力、添加早强剂、提高标号和加温养护等方式加快混凝土支撑的施工进度，缩短基坑无支撑时间。

(4)改变基坑开挖方式，采用岛式开挖，减小基坑无支撑暴露时间。

(5)合理安排场地，避免基坑边缘有大规模的静、活载存在。

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