环形支撑在交叉口基坑支护中的应用

王 爽

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

随着社会的发展，基础设施需求量更大，对城市空间的需求也越来越大，城市综合管廊将各种管线集约在地下，可提高城市地下空间的利用率。基坑支护是城市综合管廊建设的关键技术之一，对确保施工人员的安全以及减小对周边环境的影响具有重要意义。

1 工程概况

江州大道和通江大道综合管廊位于九江市柴桑区，江州大道综合管廊位于江州大道南侧，通江大道综合管廊位于通江大道东侧，均紧邻现道路，两条道路交叉口处基坑深10.5 m。

勘探深度25.7 m内，孔口高程34.06 m，据钻探揭露，场地地层按其岩性及其工程特性，钻孔ZK40自上而下依次划分为①1素填土、④粉质粘土，见表1。

表1 主要物理力学指标建议值

2 水文地质条件

勘探深度内，勘察场地地下水主要可分为上层滞水及碳酸盐岩溶洞裂隙水两种类型。

上层滞水：主要接受大气降水的垂直入渗补给，向低洼地段及蒸发排泄，水位及水量季节性变化影响大，强降雨或持续降雨后水位上升，无降水时水位下降，水位年变幅一般1 m～2 m左右。

碳酸盐岩溶洞裂隙水：本区位于新塘向斜北东端转折处，向斜南东翼灰岩裸露面积大，地势高，岩溶、洼地、漏斗等发育，构成新塘向斜地下水的补给区。

在建筑设计使用周期内，地下结构抗浮水位邻近道路标高以下0.5 m。

3 基坑支护方案设计

3.1 支护方案选择

基坑支护常见方案有排桩、地连墙、钢板桩、SWM工法桩、放坡、土钉墙等。由于该交叉口位于道路范围内，不可大范围放坡；土钉墙支护结构刚度小、土体变形较大，对环境有较大影响；地连墙费用高；钢板桩支护结构刚度相对较小，基坑施工对邻近建筑与地下管线影响较大；SWM工法桩基坑深度不宜大于10 m。综合分析，本文选用排桩+内支撑进行支护，支护结构刚度大，基坑施工对邻近建筑与地下管线影响小，安全又经济。

3.2 支护方案概述

3.2.1 支护桩设计

通江大道与江州大道交叉口处，基坑田地侧与道路侧等高，基坑深度10.5 m、宽24.37 m、长24.52 m。基坑围护采用钻孔灌注桩+两道混凝土环形支撑围护结构型式，支护桩参数见表2。

表2 支护桩参数

隔水帷幕采用双轴水泥搅拌桩：桩径700 mm，间距1 m，桩长15 m，桩顶高程-1.0 m（相对标高，地面为0.0 m，下同）。

3.2.2 支撑设计

为满足规范对基坑桩体变形要求，基坑支护选用两道混凝土支撑与环撑进行支护，两道撑的标高分别为-1.4 m、-5.4 m，支撑截面尺寸见表3，环撑为直径5 m的内切正八边形。基坑围护平面图见图1～图2。

表3 支撑截面参数

图1 第一道支撑平面图

图2 第二道支撑平面图

3.2.3 超载设计

根据道路实际情况对基坑道路侧施加荷载，荷载分布见表4。

表4 荷载分布

3.3 单元法结构计算分析

基坑开挖支护分三次开挖，超挖深度为0.5 m，最后一次开挖至坑底。工况信息见表5。

表5 开挖工况

3.3.1 位移沉降验算

图3～图4为理正7.0 PB1单元计算的基坑开挖过程中的位移、剪力、弯矩的变化曲线。

图3 内力位移包络图

图4 地表沉降图

实线为弹性地基梁法计算结果，虚线为经典法计算结果。由图3～图4可得：红色线基本与中轴线重合，未考虑由于应力变化引起的土和桩体的变形，与实际情况不符；蓝色线与实际情况较符合；由于采用了内支撑，考虑实际变形，沉降与抛物线法曲线吻合。

由《建筑工程技术规范》得出基坑道路侧桩顶最大允许位移为18.9 mm，地面最大沉降为15.75 mm。根据上两图计算结果可知，桩顶最大为5.59 mm，地面最大沉降为6 mm，因此，沉降位移均满足规范要求。3.3.2 整体稳定性验算

图5 整体稳定验算简图（尺寸单位：m）

采用瑞典圆弧法求得整体稳定系数Ks=6.162＞1.25（允许值）满足要求。

3.3.3 抗倾覆稳定性验算

式中：Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

经计算，各工况下计算结果见表6。由表6可知，抗倾覆满足规范要求。

表6 抗倾覆稳定计算表

3.3.4 抗隆起验算

图6 抗隆起验算简图（尺寸单位：m）

坑底抗隆起按以最下层支点为转动轴心的圆弧条分法计算，计算公式见式（2），结果如下：

式中：ci、φi分别为第 j士条在滑弧面处士的黏聚力(kPa)、内摩擦角；1i为第 j土条的滑弧长度，m，取 1i=bj/cosθj；qj为第 j土条顶面上的竖向压力标准值，kPa；bj为第j土条的宽度，m；θj为第j土条滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角，°；ΔGj为第j条的自重，kN，按天然重度计算。

经计算，Ks=2.240≥2.200，坑底抗隆起稳定性满足。

综上可知，由单元法对基坑支护方案进行计算，变形和受力均满足规范要求，支护方案技术可行，经济合理。

3.4 整体法结构计算分析

利用理正7.0PB1整体计算法进行有限元分析，将计算结果导入三维CAD进行处理，结果见图7～图9。3.4.1 整体位移分析

图7 水平位移图

由图7可知：随着桩体入土深度的增加，桩体位移先增大后减小；随着开挖深度的增加，最大水平位移也随着下移，且随开挖深度的增加而增大，当基坑开挖至坑底时，水平位移达到最大，最大水平位移为4.23 mm。桩侧土体有向基坑内侧移动的趋势。总体来说，随着开挖深度的增加，桩体承受的土压力逐渐增大，桩体位移也逐渐增大，但达到极限值后继续开挖水平位移反而减小，这是由于桩体受到主动与被动土压力综合影响的结果。

3.4.2 桩体弯矩分析

图8 桩身弯矩图

由图8可知：随着桩体入土深度的增加，桩身弯矩呈S型分布；随着开挖深度的增加，弯矩最大值也随之下移，且随开挖深度的增加而增大，最大值接近基坑底部出现，最大弯矩为246.1 kN·m。

3.4.3 内支撑弯矩分析

图9 支撑弯矩图

由图9可知，对于两端固结的支撑，支撑中间表现出下部受拉，两端上部受拉，随开挖深度的增加，支撑的弯矩随之增大，但较单元法受力更为均匀，均在允许的范围内，对桩体施加支撑改善了桩体的受力特性，满足规范要求。

4 结论

基坑设计时，要根据实际工程选择合理的支护方案，本文以九江市综合管廊江州大道和通江大道交叉口为例，采用钻孔灌注桩+环形支撑进行支护，并进行受力特性分析，结果表明：

（1）随着开挖深度的增加，土体、桩体、支撑的位移与应力均呈现出非线性增长，在开挖至基坑底时，达到最大，但均在允许范围内，满足规范要求。

（2）钻孔灌注桩+环形支撑的结构受力更为均匀，变形量较小，技术可行、经济合理，可为今后基坑工程设计与施工提供参考。