多种支护结构并用的深大基坑工程设计与分析

2020-06-29黄天荣

中国港湾建设 2020年6期

黄天荣

（上海城建职业学院土木与交通工程学院，上海 200438）

0 引言

针对深大基坑多种支护结构，冯龙飞等[1]介绍了内撑式和双排桩2 种支护体系在广州地铁深基坑工程中的应用，并探讨了支护结构设计及变形控制机理。曾进群等[2]以某人防工程基坑支护设计为例，详细分析了放坡+喷锚支护、搅拌桩+喷锚支护两种支护形式结合的基坑支护设计。谈永卫[3]针对南昌绿地中央广场项目，提出了型钢水泥土搅拌墙+钢支撑+预应力锚索等多种支护结构结合的基坑工程设计。然而，总体上来看，有关多种支护结构在深大基坑中应用的报道还比较少。对深大基坑多种支护结构进行研究，对丰富基坑工程设计理论、指导工程实践等均有重要的现实意义。

以某交通枢纽综合体为例，针对基坑不同的深度、形状，提出以钻孔灌注桩与三轴搅拌桩止水帷幕为围护，且分别与预应力鱼腹梁组合支撑、旋喷加劲桩及传统混凝土（钢）支撑相结合的3 种支护结构设计，并对基坑底部土体局部加固进行了介绍，最后通过施工监测结果分析，得出不同支护结构的特点，可为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

1.1 周边环境

某交通枢纽综合体位于城市东南面，东侧为已建的T2 航站楼并邻近高架，南侧、西侧现为农田，北面靠近已建机场的空管区（图1）。其地下空间基坑由三部分组成，东侧A 区基坑为轨道交通换乘站，连接两端盾构区间，基坑面积约19 186 m2，开挖深度约20 m，距离T2 航站楼76 m，距离高架42 m；西侧B 区基坑面积约59 550 m2，开挖深度8 m，距滨海大道约104 m。附属C 区开挖深度7.8 m，基坑面积约3 437 m2。项目基坑总面积达到82 173 m2，属超大面积深基坑工程。

图1 基坑总平面布置图Fig.1 General plan of foundation pit

1.2 地质条件

场地内基本为海滨平原地貌，土层自上而下依次为人工填土、硬壳层黏土、淤积软土、冲淤积砂土混合层、湖沼相及海相交互黏性土、河流冲积的碎石类土层等，基坑开挖范围内的土体物理与力学性能指标见表1。

表1 土体物理与力学性能指标Table 1 Physical and mechanical performance index of soil

地下水主要包括第四系孔隙潜水以及承压水，地下水位标高约为1.33～1.98 m。其中孔隙潜水水量小，而承压水赋存于冲淤积砂土混合层，对工程影响不大。

2 设计与验算

2.1 设计方案

针对本基坑深、大、地质条件复杂以及周边环境敏感等特点，根据“深浅有别，前后有序，分块设计”的技术思路，经调研与方案比选，形成以下3 种支护结构设计。

1）A 区基坑：面积接近2 万m2且开挖深度最大，围护结构采用钻孔灌注桩并设置三轴搅拌桩止水。由于基坑为狭长矩形，若用传统支撑会过密而不便开挖，故选择预应力鱼腹梁组合支撑。该类支撑可实现全部装配化，满足受力性能且可循环再使用。地基采用三轴搅拌桩裙边+抽条加固，加固宽度6 m，加固范围为坑底至坑底以下6 m。因此A 区支护结构为“钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水+预应力鱼腹式结合支撑”，见图2。

图2 A 区支护结构剖面图Fig.2 Section of support structure in foundation pit A

2）B 区基坑：考虑到整体受力与方便搭接，围护结构同样采用钻孔灌注桩与三轴搅拌桩。由于该区域面积特别大，较适宜选用无支撑的支护结构，故在基坑边设置旋喷加劲桩以形成无支撑支护。同时为减少对A 区的叠加影响，施工前放坡开挖2 m 以减少挖深。地基采取双轴搅拌桩裙边格栅式加固，裙边加固宽度5.0 m，加固范围为坑底至坑底以下2 m。最终形成B 区“钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕+旋喷加劲桩”的支护结构方案，见图3。

3）C 区基坑：该基坑深度与B 区接近，但面积很小，围护结构仍采用钻孔灌注桩与三轴搅拌桩，但首道撑采用混凝土支撑以增强整体性，同时在基坑中部设1 道钢支撑。地基则采取双轴搅拌桩格栅加固，加固深度为坑底以下4 m。因此C 区基坑支护结构方案为“钻孔灌注桩+三轴搅拌桩止水帷幕+传统支撑”。

图3 B 区支护结构剖面图Fig.3 Section of support structure in foundation pit B

2.2 设计验算

1）基坑安全验算

以A 区深基坑为例，采用启明星进行简化单元计算复核，结果如图4 所示。

图4 内力计算结果Fig.4 Calculation results of internal force

图4 显示，基坑最大轴力579.6 kN 发生在第2 道支撑，最大水平位移仅为65.9 mm，小于规范要求的控制值100.4 mm。同步通过Midas-GTS 有限元计算也表明，最大水平位移仅为41.25 mm，同样符合规范要求[4]。B、C 区复核方法类似，本文不再重复。

2）周围环境影响

基坑紧邻已建轨道交通结构，故需验算基坑开挖对轨道交通盾构结构的影响。通过有限元数值模拟计算表明，基坑挖至坑底时，盾构区间结构的最大水平位移值为1.36 mm，最大沉降值为3.42 mm，小于规范要求的预警值1 cm，同时其不均匀沉降率0.07%也小于允许值0.4%，故满足要求。同样采用有限元对已建高架进行复核后显示，基坑挖至坑底时已建高架最大水平位移值约为2.02 mm，最大沉降值为3.29 mm，亦小于预警值1 cm，且其不均匀沉降率0.01%也小于允许值0.4%，故支护结构设计方案符合规范要求[4]。

3 施工分析

1）总体方案

常规基坑施工有“明挖顺作”和“逆作法”两种方案，本项目由于存在楼板大开洞等因素影响，逆作法难以实现。同时项目南侧、西侧为农田和荒地，可利用空间较多，故采用“明挖顺作”。

2）施工步骤

考虑到整体开挖暴露时间长、安全性差，且分区施工可节约工期，故采取先开挖东侧A 区，待其内部结构浇筑至地下一层楼板后，再开挖B区、C 区基坑。

3）预应力鱼腹梁组合支撑施工

预应力鱼腹梁组合支撑是由鱼腹梁、对撑、角撑与立柱等标准部件组合而成，并通过主动施加预应力，形成平面预应力支撑系统与立体的结构体系[5]。与传统支撑相比，该结构可灵活调整预应力，故刚度大、变形控制能力强，是一种新型工法。

4）旋喷加劲桩施工

施工前，应先按第1 道加劲桩设计标高往下30 cm，开挖不小于6 m 宽的沟槽工作面[6]。其施工参数主要包括：搅拌钻杆的钻进速度宜为0.3～0.5 m/min，退出速度宜为0.5～0.6 m/min，同时误差不大于±10 cm/min；搅拌钻杆（轴）的转速应为20～50 r/min；同时钻进、提升各2 次，搅拌共4次；喷浆次数4 次；施工桩径不得小于设计要求；施工桩长不得小于设计要求；搅拌桩采用“进、退二喷二搅”施工工艺。

4 主要监测结果分析

4.1 围护结构水平位移

根据最不利工况原则，选取挖至坑底时的测点C1、C2 及C3（位置见图1）水平位移监测结果，如图5。

图5 围护结构水平位移图Fig.5 Horizontal displacement of retaining structure

由图5 可见，基坑开挖至坑底时，由于土体扰动、支撑支挡等综合作用[7]，水平位移随着开挖面向深部传递。各测点围护结构水平位移基本在10～30 mm 之间，实际观测结果介于启明星计算与Midas 有限元模拟之间，具有较高的吻合度。同时，预应力鱼腹梁组合支撑对应测点变形最小，只有10 mm 左右，变形控制效果良好，故其较适用于变形控制严格的基坑。旋喷加劲桩支护结构侧向位移接近30 mm，为同类测点最大值，这主要是由于旋喷加劲桩通过锚固受力，刚度较小，但其总体变形仍不大，可满足施工要求。由于采用旋喷加劲桩形成无支撑支护结构极大方便了施工，故其较适合在条件允许、深度不大的大面积基坑中应用。而采用传统支撑的支护结构变形则介于两者之间，表明了其对于控制基坑变形仍有一定的优势。

4.2 周边地面沉降

提取沉降观测点S1～S6（位置见图1）数据，形成周边地面沉降曲线，如图6 所示。

图6 周边地面沉降图Fig.6 Settlement map of surrounding ground

由图6 的S1、S2 曲线可见，基坑开挖后高架建筑周边地面随即产生沉降，且随着时间逐步变大，集中反映了围护结构侧移、土体结构本身蠕变等作用。同时B、C 两区开挖后，S1、S2 沉降略有加快，表明后期对A 区的附加影响。由于鱼腹梁预应力组合支撑结构刚度大，S1、S2 最终地面沉降基本维持在5～7 mm，基坑结构安全可控。

同时图6 的S3～S5 曲线反映出，B 区基坑开挖后，B 区基坑周边地面沉降的增加较为明显，其中B 区基坑长边中点S5 沉降最大，达到了12 mm，B 区基坑短边中点S3 沉降次之，数值为10.8 mm，而B 区基坑角点S4 沉降则位于两者之间，为5.8 mm，体现了基坑开挖过程中地面沉降分布的空间性与不均匀性。C 区基坑情况类似，本文不再重复。

对比S1～S6 曲线可见，采用旋喷加劲桩支护结构的周边地面沉降要大于鱼腹梁预应力组合支撑，但其沉降量仍然较小，与围护结构水平位移分析结果一致。由于通常基坑开挖的主要影响范围是在3～5 倍挖深之内，超出范围会明显衰减[8-9]，鉴于B 区基坑距离周边重要建（构）筑物均较远，故采用旋喷加劲桩支护具有合理性。监测结果也显示，距离B 区基坑5 倍挖深外的滨海大道监测点S6 沉降量很小，不到3 mm，足见基坑开挖对远处道路的影响非常小，也表明了旋喷加劲桩支护的设计是可行的。综上可见，本项目中3 种不同支护结构的设计方案总体上是安全可靠的，具有较好的应用效果。