超大深基坑支护结构分析①

周凯强， 韩 清， 曹广勇， 张 迟， 翟朝娇

(1.安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601；2.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012)

0 引 言

在工程建设的不断发展过程中，人们对地下空间利用的程度和要求越来越高，超大深基坑建筑层出不穷[1，2]。深大基坑的开挖难免会对周边环境造成影响，在基坑开挖的过程中需对基坑进行加固支护[3]。Terzaghi和Peck最先提出了基坑开挖过程中稳定程度的预估方法，通过土体对支护结构的作用力分析出了支护结构的设计与稳定性能[4，5]。基坑结构的围护和支撑体系的建造影响到到整个施工过程的难易程度和工程成本支出以及整体的支护效果[6]。基坑支护设计理论是根据工程实践不断总结出来的，并且具有一定的区域经验性，目前并不十分完善[7]。本文就淮安东站站前广场基坑工程在设计与施工中遇到的一些问题，对超大深基坑工程围护结构以及支撑体系的设计和理论计算进行一定的探讨和研究，以及应用效果分析。

1 工程概况

本工程为淮安东站站前广场，广场位于在建连镇铁路东侧，场址为原连镇铁路淮安东制梁场用地，站前广场结构净尺寸长225m×宽256m，占地面积约5.7万平方米，基坑开挖面积约为58936m2，局部开挖深度18.9m。地下三层采用框架结构+桩基础，其中负一层作为社会停车场、出租车蓄车场和公交车站，设计高度6.0m，负二层及负三层均为社会车场，设计高度4.2m，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度7度。

2 工程地质及水文情况

拟建工作井场地位于淮安市，地貌区属徐淮黄泛平原区，地貌单元属冲积扇三角洲，地势平坦，地面坡度小于8°，地貌类型单一，现为农田，区间穿越京沪高速公路和在建高铁东站站场，场地标高7.70～9.40m。基底和侧壁主要土层有①1层杂填土、②1层砂质粉土、②2层黏土、③4层粉砂和③4a层粉质黏土。其中①1层杂填土和②1层砂质粉土振动易液化、易坍塌变形。在水动力条件作用下，易产生管涌、流砂，严重时易引起周围地面沉降影响基坑的开挖和地下连续墙成槽。

本次勘察揭露对工程有影响的地下水按其埋藏条件可分为潜水和承压水。潜水主要埋藏于②1层砂质粉土中，稳定水位埋深1.90～3.40m( 平均值2.23m)，标高5.81～6.07m( 平均值5.98m)，历史最高地下水位埋深0.50m。本次勘探深度范围内揭示对本工程有影响的承压水为淮安地区第I 层承压水。第I层承压水主要埋藏于③3层砂质粉土、③1和③4层粉砂中，根据区域资料其埋深位地面下5.0m左右，水位标高为3.0m左右。场地附近共分布有2个地下水超采区。就场地拟建场地而言，已产生的地面沉降对区域稳定性和场地稳定性影响甚微。

站前广场基坑规模较大，且开挖深，支护结构的失效和土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重，因此，本工程基坑支护结构的安全等级为一级。

3 支护结构

本项目包含地铁工程、站前广场地下工程、匝道及市政道路工程。站前广场与匝道落客平台存在交叉作业，工作面重叠。站前广场作为本工程控制性工程，作业面集中，施工体量大，且基坑变形控制要求严格，环境保护等级高。基坑距西侧京沪高速公路仅85.0m，土体过大变形对基坑周边环境或主体结构施工安全的影响很严重。由于TRD工法构筑的地下连续墙，在止水、垂直度以及成墙质量等方面都表现出优越的性能，不仅适用于标准贯入击数小于100的土层，特别是在沙砾石层的施工环境下，其止水性能几乎达到了百分之百[8，9]。因此在西侧和南侧采用TRD工法墙+围护桩，TRD墙体长度为425.6m，深度为50m，围护桩采用Φ1150钻孔灌注桩进行施工,共计282根。

基于经济和周围环境等因素下围护结构东侧和北侧采用地连墙，每幅墙体长度约为6m，深度为50m，地连墙具有抗侧刚度大且强度高、防渗性能好以及施工时对周围环境影响小等特点。在深基础工程中、尤其在周边环境有较高保护要求的深基坑工程中应用所占的比重越来越大。接头位置均采用H型钢接头+高压旋喷桩方式进行施工，提高接头处的防渗性能。

采用混凝土环形支撑+格构柱作为基坑支撑体系，共设置2道混凝土撑，延基坑围护呈环形布置，下部采用格构柱作为支撑柱，格构柱共484根，第一道砼支撑设置在原地面以下约1m，截面尺寸为2.6m*1m，第二道砼支撑设置在原地面以下约8m，截面尺寸为2.9m*1.5m。采用这种方案既能满足控制性要求，又方便拆除。现场基坑支护如图1所示:

图1 基坑支护图

4 围护结构水平位移理论计算

深大基坑的主要控制性变形有基坑底部的隆起变形、围护结构的侧向水平位移和地表沉降三种，根据前人的经验总结出这三种变形是相关的[10]。支护结构基坑变形示意图如图2所示。

图2 支护结构基坑变形示意图

图3 最大地表沉降和最大墙体位移与Fs关系

采用稳定安全系数法计算围护结构的最大水平位移，该方法由Mana和Clough提出，它是基于有限元和工程实践产生的一种简化计算方法。根据基坑围护结构的位移，地表沉降和坑底的隆起变形机理互相依存，互相影响得出δh max/H与基坑底部隆起的安全系数Fs的关系[11]，如图3所示。

基坑底部隆起计算公式如下：

1)当基坑底部土层较硬时：

2)当基坑底部以下硬土层埋深D>0.7B时：

式中 :Su为不排水抗剪强度(kN/m2):H为基坑开挖深度(m):Nc为稳定系数:r为土的容重(kN/m3):B为基础宽度(m)

求出Fs后，根据图3,即可预算出基坑围护结构最大水平位移。

因基坑底部为局部硬塑土，选用公式2计算。经计算得出δhmax/H=0.15%,取局部开挖深度18.9m，最终得出最大水平位移为28.35mm。

5 应用效果

施工监测单独编制了专项方案，并已经通过专家评审和监理审批。由图4可知：随着开挖过程的进行，侧向位移不断增大，在深度8.5m处达到最大值20.3mm。基坑底部侧向位移变化相对较小，呈现出两端小、中间大[12]。这与基坑开挖深度、支护结构体刚度、地质状况、地面超载等因素有关[13]。桩体CX1-CX5中CX4的侧向位移最大，最大位移值为23.7mm，监测数据在正常范围内，没有超过报警值。且变化速率在合理范围内，与理论计算结果相比相差不大。表明基坑施工过程中支护体系稳定安全，达到了预期的效果。

图4 深层水平位移变化

6 结 论

(1)采用稳定安全系数法可以反推现场支护结构的工程实况。

(2)站前广场深基坑处于富水粉砂层中，围护结构截水效果直接关系到基坑开挖成败，项目部应切实加强地连墙、TRD、搅拌桩质量控制，做好工序卡控，对于疑似出现问题的墙与桩，应建立缺陷台账、取芯进行核验，必要时在基坑开挖前采用搅拌桩等措施进行堵水，确保基坑开挖阶段围护结构不漏水涌砂。

(3)本工程环梁支撑体系面积大，施工时要做好测量控制，确保环梁支撑位于同一平面。环梁支撑浇筑时坑内土体要充分固结，避免固结沉降引起环梁变形。

(4)第一道支撑梁施工时应结合工程降水综合考虑，防止基坑内因降水沉降影响混凝土梁施工质量。

(5)对土方开挖方案进一步细化研究，挖土点的选定、挖土顺序要对称，使环框梁受力均匀，建议在基坑四角或四边适当位置增设竖向提升出土点，增加工作面，加快出土速度。要考虑雨季施工对土方开挖的影响，制定雨季土方开挖专项方案。