不同的内支撑支护结构布置形式对基坑支护的作用及经济分析

2015-09-18

建筑施工 2015年4期

关键词：支撑体系护壁轴力

云南建工基础工程有限责任公司昆明 650224

0 引言

对于同一个基坑，不同的支撑结构其工程造价也会不同，所以在实际基坑工程内支撑技术应用时，需要从不同的角度对不同的支撑结构形式进行对比分析，以寻求最经济合理、安全可靠的支撑体系[1]。

1 内支撑技术基本原理及特点

1.1 基本原理

深基坑设置支护结构的目的是阻止基坑外侧土体的坍塌，为基础施工保证安全的工作空间。通过对深基坑支撑结构的受力性能分析可知，在土方开挖时，基坑护壁结构须承受四周土体压力的作用，从力学角度分析，可以设置水平方向上的受力构件作支撑结构，内支撑支护结构能够充分利用混凝土抗压性能高的特点，把受力支撑形式设计成圆环结构或桁架式，支承其土压力是十分合理的[2]。在此基本原理的指导下，土体侧压力通过护壁结构传递给围檩与角撑、辐射撑，若为圆环支撑则集中传至圆环结构。根据基坑深度可以在护壁结构的垂直方向上设置多道支撑，支撑梁的尺寸、圆环的直径大小、垂直方向的间距可根据基坑平面尺寸、地下室的层高、挖土工况与土压力值来确定[3]。

1.2 技术特点

1）受力性能合理[4]。在深基坑施工时，不管是采用圆环支撑或者桁架支撑，从根本上改变了桩锚、土钉墙等常规的支护结构方式。以水平受压为主的内支撑结构体系，能够充分利用混凝土材料的受压特性，将基坑四周产生的土压力通过支撑梁大部分转化为轴向压力，内支撑体系具有整体刚度强和变形小的特点。大量工程实践证明，它能确保基础施工、周边邻近建筑物和地下管网等公共设施的安全。

2）适用范围广[5]。

（1）能够适用于多种基坑平面形状的基坑，特别适用于方形、多边形的基坑，即使在不规则形状的基坑中也适用。

（2）适用于环境保护要求高、土方工期紧的基坑。

（3）适用于工程地质条件差、软土层厚的深基坑支护。

3）可用于狭小场地施工。城市基坑工程中，大多数基坑施工场地狭小或四周无施工场地，内支撑技术尤其适用。因混凝土支撑刚度大，可通过配筋、调整立柱间距等措施，提高其横向承载力，亦可以水平支撑梁上面搭设堆料平台、安装施工机械，节约场地，便于施工正常进行。

4）经济效益好。在深基坑施工中采用内支撑技术，用料节省显著，尤其能节省护壁桩桩长及减小桩径。其单位土方的开挖费用较其他支撑相比有大幅度下降，施工费用节约可观，经济效益好。

2 工程实例

2.1 工程概况

某深基坑建设场地位于某城市主城区一环以内市政道路交叉口，场地北侧为沉管桩基础7 层高的建筑，距离基坑约6.5 m；南侧用地红线紧邻市政道路及河道;东侧为沉管桩基础8 层高建筑，距离基坑9 m左右；西侧紧邻市政道路，市政道路下地下管线密集。

本建筑设地下室4 层，基坑开挖深度为17 m，基坑开挖面积约为8 612 m2，基坑周长350 m左右，呈不规则形状。

2.2 工程地质条件

根据本工程的岩土工程勘察报告，场地地基土表部为具有一定厚度的杂填土，场地地基土主要由冲积相、湖沼相、湖相沉积形成的碎石类土、砂类土、黏性土及粉土等。

3 基坑支护方案

3.1 护壁体系

1）止水体系。采用单排φ600 mm高压旋喷咬合桩作止水帷幕进行隔水，止水桩桩端入土深度依据地质条件设为23～28 m，桩与桩间距为350 mm，搭接250 mm。

2）护壁体系。采用φ1 200 mm@1 500～1 600 mm的旋挖钻孔灌注桩进行挡土，桩身混凝土强度等级为C30，桩身主筋采用不均匀配筋，护壁桩桩端入土深度依据地质条件设为31～33 m。护壁桩桩顶设置1 500 mm×1 200 mm压顶圈梁。

3.2 内支撑体系

结合本基坑的开挖深度、周边环境及地质条件，以及《建筑基坑支护技术规程》中基坑工程的施工不能违反城市地下空间规划的规定，对于本基坑工程的支护采用护壁桩+2 道混凝土支撑梁的方式进行支护。根据本基坑的平面形状，可以采用多种支撑布置形式。图1、图2、图3分别为圆环+角撑、圆环+辐射撑、桁架式支撑3 种支撑结构体系。图4为基坑支护的简要剖面。

图1为圆环+角撑支撑体系，布置原则为支撑梁的长度应控制在7～12 m之间，尽量利用基坑形状设置角撑及桁架支撑，支撑南北两侧部分浇筑成混凝土板，以加强支撑体系的整体刚度。图2为圆环+辐射撑支撑体系，布置原则为环梁的节点应等距离布置，从环梁中心点引线环梁节点，从节点延伸至基坑边线为辐射撑，尽量利用基坑形状设置角撑，角撑与辐射撑相交点设置立柱，支撑梁长度约为9 m，支撑南北两侧部分浇筑成混凝土板，以加强支撑体系的整体刚度。图3为桁架支撑体系，布置原则为充分利用基坑的平面形状布置角撑及桁架，支撑梁长度约为5 m，立柱布置较密。3 种内支撑结构体系的结构梁参数如表1所示。

图1 圆环+角撑平面形状

图2 圆环+辐射撑平面形状

图3 桁架支撑平面形状

图4 基坑支护剖面示意

表1 内支撑体系结构梁参数

4 基坑方案计算结果对比分析

根据基坑的挖土方式，考虑不同工况（包括拆撑）的最不利荷载，各土层的土压力计算均采用水土合算模式，土压力分布采用朗肯土压力确定。在相同护壁体系的条件下，对本基坑设置的3 种平面支撑体系，使用北京理正深基坑7.0PB1进行整体协同计算，从基坑支撑体系在开挖至基坑底时的位移、轴力、弯矩等3 方面进行分析比较，以反馈内支撑体系的结构布置，然后更合理地布置支撑梁[5]。图5～图7分别为开挖至坑底时3 种支撑体系的位移，图8～图10为3 种支撑体系支撑梁的轴力，图11～图13分别为3 种支撑体系支撑梁的弯矩。将3 种支撑体系支撑梁位移、轴力、弯矩等参数值汇总如表2所示。

表2 3 种支撑体系位移、轴力、弯矩最大数值汇总表

4.1 基坑支护体系位移

3 种支撑体系在相同护壁条件下，均采用2 道混凝土梁支撑，第1层支撑梁顶标高为-4.5 m，第2层支撑梁顶标高为-9.5 m。由图5～图7可以得知，当基坑开挖至基坑底时，圆环+角撑体系位移最大值为35.33 mm，圆环+辐射撑体系位移最大值为49.17 mm（位移大于3‰H，H为基坑深度），桁架支撑体系位移最大值为26.65 mm（小于30 mm，满足一级基坑的要求）。

图5 圆环+角撑体系位移

图6 圆环+辐射撑体系位移

图7 桁架支撑体系位移

3 种支撑体系下最大位移均发生在基坑的北侧和南侧，桁架支撑体系下最大位移最小，桁架体系充分利用基坑的形状设置了多道角撑，使基坑外土体的推力相平衡。

4.2 基坑支护体系轴力

由图8～图10可以得知，当基坑开挖至基底时，圆环+角撑体系轴力最大处位于第2层圆环处，最大轴力值为28 950 kN，圆环+辐射撑体系轴力最大处位于第2层圆环处，最大轴力值为23 930 kN，桁架支撑体系轴力最大值为9 171 kN。

图8 圆环+角撑体系轴力

图9 圆环+辐射撑体系轴力

图10 桁架支撑体系轴力

4.3 基坑支护体系弯矩

由图11～图13可以得知，当基坑开挖至基底时，圆环+角撑体系弯矩最大处位于第2层圆环处，最大弯矩值为5 718 kN·m，圆环+辐射撑体系弯矩最大处位于第2层圆环处，最大弯矩值为5 450 kN·m，桁架支撑体系弯矩最大值为2 231 kN·m。

由汇总表2，在护壁体系相同的条件下，开挖至坑底后，3 种支撑体系的最大位移、轴力、弯矩、立柱桩弯矩经过对比可以得出以下结论[6]：

1）桁架支撑体系的最大位移最小，且符合一级基坑对基坑的位移要求。

图11 圆环+角撑体系弯矩

图12 圆环+辐射撑体系弯矩

图13 桁架支撑体系弯矩

2）桁架支撑体系的最大轴力最小，仅为前2 种支撑形式的1/3和1/2。

3）桁架支撑体系的最大弯矩最小，小于前2 种支撑体系的1/2。

4.4 工程造价比较

为了更定量地分析对比3 种支撑体系的支撑效果，支撑体系所设护壁桩和止水帷幕均相同，即只需比较3 种支撑体系的支撑梁、立柱桩等工程量，如表3所示。假设混凝土C30的价格为350 元/m3，混凝土C40的价格为400 元/m3，不同规格的钢筋价格为5 000 元/t，对于护壁桩、止水桩、腰梁、圈梁、围檩等相同工程量的项目，假设总造价为2 000 万元，总造价汇总于表4中。

由表3、表4对比得出，3 种支撑体系的支撑梁工程量相当，总造价相当[7-9]。