斜支撑在三层地下室支护工程中的应用研究

钟宏南，王 瑶，黄上进

（汕头市升平建筑设计院有限公司，广东汕头515021）

汕头市区工程地质构造较复杂，大部分地层为海陆交互相沉积层，主要由人工填土、淤泥、淤泥质土、粘土、粉质粘土及细砂、中砂、粗砂互层组成，其特点是含水量高、抗剪强度低、岩土工程性质差。不少项目位于闹市区，场地周边环境复杂，道路管线及建筑物环绕，一些建筑物的基础形式为浅基础，对基坑变形的控制要求越来越严格。与此同时，随着城市高层建筑的快速发展及对地下空间的利用，基坑的深度越来越深，地下室的层数越来越多，从过去的单层地下室到二层、三层地下室及以上。因此，深基坑的支护结构形式在不断创新，以满足复杂环境的要求。

汕头市目前基坑支护结构常采用的形式有：单层地下室，开挖深度一般为4～5 m，多采用重力式水泥搅拌桩支护结构，少数采用钢板桩或单排钻孔桩支护结构；二层地下室，开挖深度一般为7～8 m，多采用双排钻孔桩支护结构或单排钻孔桩+1道支撑支护结构，少数采用单排钻孔桩+1道或多道锚索支护结构；三层地下室，开挖深度一般为11～14 m，多采用单排钻孔桩+2道混凝土内支撑支护结构。但对于某些支护工程而言，由于场地条件和周边环境的特殊性，需要采用非常规的支护结构形式。本文以一工程实例来分析、研究斜支撑在深基坑支护结构中的应用，为类似工程提供参考。

1 工程概况

汕头市大悦城工程位于嵩山路西侧、公安指挥中心大楼南侧，项目建设分期进行。第一期工程已完工，第二期工程完成部分地下室及地上部分结构层的施工，一、二期工程均为二层地下室，开挖深度为8.5 m，支护形式采用双排钻孔灌注桩支护结构，与三期交界处采用双排水泥搅拌桩+放坡。三期为三层地下室，开挖深度12.5 m，北侧地下室边线与公安指挥楼围墙距离20 m，东侧地下室边线与嵩山路距离22 m，与临时商铺房屋距离6 m，西侧、南侧与一期、二期地下室相连。图1为周边环境图。

场地工程地质条件为：场地地貌单元属韩江三角洲冲积平原滨海滩地，自上而下为杂填土、海相沉积层、海陆交互相沉积层，土层有粘土、淤泥、细砂、淤泥质土、粉质粘土、中粗砂，残积土、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩。

图1 周边环境图

2 支护结构的设计

根据场地环境现状及基坑开挖深度，在基坑西侧和南侧与一、二期地下室相连部份，支护结构形式采用格构式水泥搅拌桩挡土止水方案。在基坑东北角采用双排钻孔桩+1道钢筋混凝土角支撑+坑内加固+前后排钻孔桩间止水帷幕支护方案。在基坑北侧和东侧，若采用常规的支护结构形式（单排钻孔灌注桩+2道钢筋混凝土水平支撑）显然不太合适，这是因为基坑南侧和西侧场地已经开挖部分土方，无法提供桩撑支护结构体系中桩后土体的支撑反力，需要采用非常规的支护形式。考虑到基坑底存在一定厚度的粘土和砂层，结合现场环境特点及开挖深度、技术可行、施工方便等因素，借鉴相关工程案例及资料[1-5]，支护结构采用双排钻孔桩+1道钢管斜支撑+坑内加固+前后排钻孔桩间止水帷幕支护方案。支护结构剖面如图2所示。

图2 典型支护结构图

2.1 钢管斜支撑的设计

斜支撑与支护桩冠梁夹角55°，支撑长18 m。

选择斜支撑的材料先后比较了几种，若采用钢筋混凝土支撑，断面尺寸需要1×1 m，支撑间距≥8 m；其优点是刚度和支撑间距大，便于土方开挖；缺点是拆撑比较麻烦，造价高，施工周期长；若采用钢管混凝土支撑，钢管直径609 mm，壁厚t=16 mm，核心混凝土强度C60，组合支撑刚度K=580 MN/m，支撑间距7～8 m；其优点是支撑刚度和支撑间距比较大，缺点是钢管内混凝土浇注质量难以保证。综合分析比较，选择采用钢管斜支撑，钢管直径 609 mm壁厚，t=16 mm，钢材弹性模量E为206 000 MPa，支撑刚度按下式计算

式（1）中，不动点调整系数λ=1，支撑松弛系数aR=1。A为钢管截面面积，计算得到支撑刚度为229 MN/m。根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）第5.2节相关规定，按照压弯构件强度、平面内稳定性、平面外稳定性要求计算单根钢支撑轴向材料抗力为1 670 kN，转化到水平方向，理正基坑结构计算中输入的材料抗力为1 367 kN，支撑间距为4～4.5 m。钢管斜支撑的节点设计大样如图3所示。

图3 钢支撑节点大样

2.2 支护桩和止水帷幕的设计构造

前、后排钻孔桩直径1.2 m，排距2.5 m，桩距1.8 m，桩长为长、短桩间隔布置，长桩41 m，短桩34 m；桩顶为宽3.7 m、高1.2 m的厚板，桩顶连梁和冠梁1.2×1.2 m；止水帷幕采用双排水泥搅拌桩，桩长26 m，在前、后排钻孔桩桩间布置。

2.3 土体加固的设计构造

支护桩在基坑底被动区采用格构式水泥搅拌桩加固，宽度6.6 m，深度5 m，沿支护钻孔桩内侧连续布置；为了保证在土方开挖过程及钢管斜支撑施工完毕之前，支护结构变形控制在允许范围内，有必要对斜支撑下面的土体进行加固。

2.4 支护结构计算

为整体了解支撑力作用下土体、桩、格构式水泥搅拌桩等的应力及变形特征，采用MIDAS GTS软件进行有限元分析计算，并用荷载结构法进行对比。计算分析表明，最大水平变形发生在斜撑牛腿、底板、西侧格构式水泥搅拌桩挡墙部位，地层条件较好时最大水平位移为27 mm；地层条件较差时最大水平位移为34 mm，如图4所示。

图4 斜撑支座处水平变形云图

3 施工方法及施工监测

3.1 施工方法

根据有限元和荷载结构法的计算，在支撑水平力作用下，强度满足要求，但根据不同的计算模式会发生17～34 mm的水平变形，为防止变形对工程的不利影响，须采取必要的施工措施和施工工序。

按盆式开挖方案进行施工，主要过程如下：

（1）进行支护结构、止水帷幕、坑内地基加固、放坡土体加固等的施工；

（2）根据斜撑钢管架设要求在坑内预留放坡加固土体，并按要求先进行基坑内降水，后按盆式开挖模式开挖至坑底；

（3）在预留钢管加固土体以外的其他区域及时施工垫层和结构底板，同时施工承台、牛腿和支撑等；底板与西侧、南侧格构式水泥搅拌桩挡墙之间的空隙作混凝土传力带；

（4）底板、承台、牛腿等达到设计强度，安装钢管斜支撑后，按照间隔、分段模式进行预留加固土体的开挖，开挖至设计标高后应及时进行垫层底板施工；

（5）按照自下而上顺序进行各层板、墙、柱、梁的施工；侧墙与支护结构间的空隙须及时回填，板标高处应施作混凝土传力带；

（6）地下一层梁板及传力带施工完成并达到设计强度后方可拆除钢管斜支撑。

现场施工状况如图5～6所示。

图5 基坑北侧和东侧实况

图6 钢管斜支撑大样

3.2 施工监测

施工过程中委托第三方监测单位对基坑进行了全过程的变形监测，实行了信息化施工。

（1）支护结构不同深度水平位移监测成果详见表1。从2017年11月6日至2018年6月29日，测斜孔的测量次数分别为：CX1测16次、CX2测43次。

表1 深层水平位移监测值

测斜孔的最大位移量出现在孔口位置。从各孔的位移量反映出围护结构的变形：东面CX2大，北面CX1小。测斜孔CX2最大累计位移量超过设计允许值（5 cm），由于现场斜支撑的放坡土体的水泥搅拌桩加固质量及放坡的坡率达不到设计要求，在钢支撑施工且发挥作用之前，支护结构的水平变形值及地面沉降在局部位置超过设计允许值，但通过及时报警，并得到各方重视和配合采取加固等有效措施，保证了在土方开挖及地下室施工过程中基坑、周边道路和建筑物的安全。两孔在最后一次观测的最大变化速率均小于0.01 mm/d，属于稳定范围。表明基坑开挖到底后，随着垫层及承台的浇筑，围护结构的位移曲线逐渐趋向平缓，底板浇筑后位移变形基本得到有效的控制。

（2）基坑顶水平位移监测成果。从2017年11月6日至2018年8月9日，基坑顶水平位移共进行104次观测。最大水平位移位置在东侧，位移量为100 mm，基坑东面因基坑开挖较深且过快或暴露时间较长，造成变形量较大；由于采取了有效的施工措施，浇完负二层底板后，变形逐渐稳定，最后两个周期各测点位移曲线已趋向平缓，表明位移变形已趋向稳定。

（3）周边建筑物共设19个沉降观测点，东侧相邻建筑物的最大沉降量为65.12 mm，最后一个周期的平均沉降速度均小于沉降稳定标准（－0.01 mm/d）

（4）周边道路和围墙共设13个沉降观测点，围墙累计最大沉降量为-22.48 mm，道路最大沉降为-21.69 mm，各点沉降量均小于设计控制值（40 mm）。最后1个周期的平均沉降速度小于-0.01 mm/d，表明最终沉降已趋向稳定。

（5）地下水位监测。从2017年11月6日到2018年7月21日，坑外水位共进行100次观测，累计下降量最大为-770 mm（2018年4月4日测得），日下降最大速率为-390 mm/d（2018年5月9日测得），累计最大下降量小于规范允许值（1 000 mm），日下降速率小于规范允许值（500 mm/d），表明基坑的止水效果基本满足设计要求。最后两个周期的曲线基本平行时间轴，表明水位最终已趋于稳定。

4 结语

在复杂环境条件下，软土地基三层地下室开挖深度12 m左右的深基坑，采用双排钻孔桩+钢管斜支撑支护结构体案例并不多见，本工程因地制宜作了一次成功的探索可供类似工程参考。