开口内支撑体系在深基坑支护中的应用

钟士国

开口内支撑体系在深基坑支护中的应用

钟士国

城市建设和地下空间开发促使深基坑工程的规模和深度不断加大，在建筑物密集区的深基坑工程也越来越多，深基坑周围建筑物密集、管线道路错综复杂、施工场地狭窄是处在城市建筑密集区深基坑工程的显著特点。既能保证深基坑开挖施工过程中的安全稳定性，又能取得较好经济效益的深基坑支护结构方案，一直都是基坑工程研究的追求目标。排桩内支撑支护体系能够很好地解决条件复杂情况下的基坑支护问题。本文提供一个矩形基坑三面需采用内支撑支护，另外一侧不进行支护的工程实例，为开口内支撑问题的解决提供范例。

一、工程条件

1.工程概况

拟建建筑为地下3～4层车库，钻孔灌注桩基础；基坑平面大致呈矩形，东西边轴线间距131m，南北边轴线间距69.25m，开挖深度为自然地面下15.5m/18.95m；

2.场地工程地质条件

土层主要力学性质指标及地下水情况（据勘察报告）

平均厚度（1） 杂填土 15.0 7.0 10.0 1.01m（2） 粉土 18.4 16.0 18.0 100 1.41m（3） 粉质粘土 19.0 20.0 13.0 85 1.88m（4） 粉土 19.2 18.0 18.0 100 1.61m（5） 粉质粘土 18.9 22.0 15.0 90 1.81m（6） 粉土 19.1 16.0 20.0 140 3.14m（7） 粉质粘土 18.3 25.0 12.0 100 2.12m（8） 粉土 19.1 18.0 23.0 105 1.36m（9） 有机质粉粘 18.5 18.0 10.0 100 2.19m（10） 细砂 20.0 3.0 26.0 170 4.30m（11） 细砂 20.0 0 28.0 230 7.29m层号 土名 γ（kN/m） c（kPa）φ（度）fak（kPa）

3.地下水情况

场地内的地下水为潜水，地下水埋深在地面下约3.8m，基坑开挖需进行基坑降水。

4.场地周边环境情况

位置 相邻建筑物 距基坑最近距离 备注东侧 动物园一层建筑 2.0m 天然地基条形基础南侧 营业商厦 0.0m 目前正在营业西侧 花园路 2.0m路边距规划地铁站4米，另有管线分布。北侧 动物园三层建筑 0.0m

基坑周边环境情况及平面布置如图1

图1 基坑支护平面图

二、基坑支护结构

1.基坑支护方案

基坑深度东西两侧略有不同，东侧开挖深度为18.95米，西侧深度为15.0米，场地南侧为本公司已建成的商场，该商场地下2层，基础埋深10.3米，框架剪力墙结构，目前正在营业。

基坑支护的难点：本项目基坑支护的难点在于①场地地层较软，上部为新近沉积土，地层承载力较低；②场地地下水位较高，地下水位埋深仅3.8米，地下水对基坑开挖影响大；③周边建筑复杂，场地西侧距离即将开工的地铁站约4米，南侧西部距离正在营业的商场0.0米，南侧东部距离19层高层住宅7米，东侧虽为空地，计划在护坡桩完成后建设二层食堂，北侧为动物园绿地及附属用房，基坑周围没有放坡空间；④基坑挖土、运土困难，两侧深度不一；⑤ 经南侧商场主体结构设计单位验算基坑南侧商场地下室外墙不能承受支撑结构传递来的土压力，综合考虑以上因素，同时也为了方便土方开挖和运输，基坑西半部采用桩锚支护结构，东半部采用内支撑结构。

2.基坑支护参数

基坑西半部北坡、西坡采用φ1000钻孔灌注桩挡土，布置4～5排锚杆，西部南坡紧邻商场地下室，开挖后土体直立高度较小（约为4.7米），采用φ800钻孔灌注桩加锚杆进行支护，支护剖面如图2所示。

图2 基坑西侧桩锚支护剖面图

基坑东部采用内支撑体系，采用直径为φ1000钻孔灌注桩挡土，布置3排混凝土结构水平支撑，一道支撑范围略小，基坑二道支撑平面布置见图3，三道支撑平面布置与二道支撑基本相同，支护结构围檩尺寸为（1200mm×1000mm），主梁尺寸为（1200mm×800mm和800mm×800mm），次梁尺寸为（600mm×600mm）。

图3 基坑二道支撑布置图

三、设计计算

桩锚支护采用理正深基坑支护软件进行验算，锚杆、桩体和土体计算结果满足规范要求。内支撑结构土压力分布计算采用理正深基坑支护软件，采用midas building 2011（Release No.1）建筑结构计算软件对开口支撑轴力、弯矩、剪力和变形进行计算，列举二层支撑结构弯矩见图4，三层支撑变形计算成果见图5：

图4 二道支撑结构弯矩计算成果图（单位kN.m）

图5 三道支撑结构变形计算成果图（单位mm）

四、支护设计和施工中疑难问题的解决

1.开口支撑结构内力的平衡问题

根据计算结果，基坑东侧主动土压力约为1286kN/ m，基坑东侧总长度为72米，支撑结构所受到的不平衡主动土压力为92592kN，该力需通过圈梁，围檩传递到基坑南北两侧的坑壁上，通过摩阻力进行平衡，为了保证围檩和圈梁的传力效果，南北两侧围檩和圈梁力求保持垂直，延长围檩和圈梁超出支撑部分至基坑西侧桩锚支护区域，并且把锚杆布置在围檩上用来增加围檩所受的正压力，以达到增大摩擦力的效果。根据估算结果，当桩体与土体的摩擦系数达到0.143时，摩擦力可以平衡其主动土压力。考虑到不平衡力需通过围檩和圈梁传递到基坑侧壁上，对围檩截面尺寸进行验算，南北两侧传力围檩和圈梁共有6个，宽度为1200mm，计算其高度为780mm可满足要求，满足抗弯计算设置围檩高度为900mm和1000mm。

2.基坑西侧锚杆钢绞线的回收问题

基坑西侧紧邻地铁站，本工程基坑施工遗留钢绞线在土层中会影响地铁站护坡桩及止水帷幕的施工，一次必须进行回收。根据调查了解，采用可回收锚杆技术，预应力锚杆钢绞线可轻松回收，采用人力可将钢绞线拉出。

3.高压旋喷桩墙上钻孔灌注桩施工问题

基坑南侧有商场基坑支护遗留下的高压旋喷桩挡土墙，地下车库支护结构混凝土灌注桩刚好位于旋喷桩墙上，如何在旋喷桩上进行灌注桩成孔施工是工程面临的一个难题。考虑到基坑南侧紧邻商场，大型机械很难靠近，小型钻机无法破碎坚硬结构完成成孔，首先对南侧商场底板以上10.3米深度的土层进行开挖，其下剩余高压旋喷桩的高度约有8.0米，采用风镐人工开挖的方法能很好地解决钻进难题，原支护结构遗留的旋喷桩在挖桩期间可起到挡土和护壁的作用，经试开挖效果很好，所以在南侧受影响的30根桩中推广使用，方便快捷。

4.施工及监测

截止到2012年底，基坑已开挖到底并完成最下层地下室施工，基坑坡顶最大位移约20mm，符合现行规范要求；南侧相邻建筑沉降小于10mm，安全稳定，西侧地面沉降约为18mm；东侧坑边沉降约为30mm，北侧坑边沉降约为35mm，东侧、北侧沉降略大于规范规定，究其原因，主要是受场地施工空间狭小的制约止水帷幕设置不完整，基坑北侧留有缺口，周边雨污水管道存在渗漏，虽经多次维修仍有土体流失，引起坑边土体缓慢沉降。

5.几点体会：

a、由于混凝土结构内支撑体系整体较好，开口支撑体系内力比较复杂，开口支撑通常情况下宜选择混凝土结构体系。

b、开口支撑体系存在不受主动土压力的开口，支撑体系受到的主动土压力不平衡，在充分利用支撑体系刚度的情况下，支撑体系的内力可以通过相邻侧壁的摩擦力来平衡。

c、在考虑坑壁摩擦力仍不能平衡主动土压力的情况下，可在围檩上布置锚杆来增加基坑侧壁的摩阻力。本工程为了保证二、三道围檩与桩体连接成一个整体，设计要求对围檩高度处的护坡桩间土进行切削，使护坡桩一侧镶嵌在围檩外侧锯齿状混凝土结构中，以增加二者的整体性。

d、对于深度较大的基坑工程，止水帷幕不仅可以切断基坑内外地下水的水力联系，对于防止地下管网漏水和地表水体渗漏冲刷基坑也具有很好的防护作用。

（作者单位：河南省建筑设计研究院有限公司）