多圆环支撑结构在软土地区深基坑中的设计与实践

张颖，马贺雅

（云南建投第一勘察设计有限公司，云南 昆明 650011）

0 引言

随着城市地下空间的利用程度越来越高，基坑开挖面积和深度不断加大[1-4]。为了有效控制基坑开挖对周边环境的影响，排桩加钢筋混凝土内支撑的支护方式应用日益广泛。如何更合理地布设支撑杆件，达到既节约造价、便于施工又确保支撑体系的安全性，有效地控制基坑变形，是一个充满挑战性的问题。

圆环支撑体系的应用可以有效解决该难题，尤其是对于占地面积大、不规整的基坑优势更加明显。圆环支撑体系通过径向杆件将支护桩承担的侧压力传递给圆环，充分发挥拱的受力特点，将基坑产生的土压力转化为圆环支撑的轴压力，更好地利用混凝土材料的受压特性。圆环支撑体系可在基坑内形成约65.0%的无支撑空间，有利于加快土方开挖速度，便于避让主体结构竖向构件施工，缩短了基坑暴露时间[5-7]。虽然圆环支撑有上述优势，但由于其传力体系复杂，易受施工精度、挖土进度等因素影响，使得在软土地区采用圆环支撑时计算结果和实测值之间易产生偏差，支撑体系面临潜在的风险[8-9]。

1 工程实例

1.1 工程概况

拟建项目位于白龙路与新迎路交叉口东南侧，基坑周长820 m，基坑面积约38 500 m2，设置3层地下室，基坑开挖深度为15.4～16.7 m，平面呈不规则状。基坑周边环境复杂，建（构）筑物和市政管线密布，环境保护要求高（见图1），现分述如下：

图1 基坑周边环境Fig.1 The surrounding environment of foundation pit

1） 基坑东侧，兴昭酒店办公楼距离基坑边6.0 m，5 层砖混结构，浅基础；新迎小区7 栋7层民房，最近处距离基坑边10.0 m，砖混结构，浅基础。

2）基坑南侧，新迎中学2 栋教学楼距离基坑边29.0 m，5 层框架结构，复合地基。

3）基坑西侧，新迎路机动车道距离基坑边最近处6.0 m，临基坑侧地下分布有市政给排水、供电、供气和电信等管线。

4）基坑北侧，沃尔玛超市距离基坑边6.0 m，4 层框架结构，浅基础；白龙路地铁站，埋深16.0 m，距离基坑35.0 m；项目售楼部距离基坑边3.0 m，2 层钢结构，浅基础。

1.2 工程地质和水文地质条件

根据详细勘察资料：场地内普遍分布较厚填土层，其下主要为：第四系冲洪积相和湖沼相沉积地层，以黏性土、粉土、泥炭质土层为主，地层物理力学指标见表1。

表1 地层物理力学指标Table 1 Physical and mechanical parameters of soils

地下水属孔隙型潜水和承压水。场地潜水稳定水位埋深约0.5～2.0 m，承压水稳定水位埋深为6.5～7.0 m。

2 基坑支护设计

根据基坑工程的规模、特点和所处的环境条件来分析，本基坑工程具有以下几个特点：

1）基坑面积和开挖深度大、形状不规则，基坑空间效应显著。

2） 基坑开挖影响范围内的土层多为软弱土层，灵敏度高，受扰动后物理力学性质下降明显，基坑时间效应显著。

3） 基坑开挖深度范围内分布多层厚层状粉土，粉土层内赋存的地下水具有承压性，如地下水控制措施失效，易产生流土和管涌，对周边环境产生不良影响。

2.1 挡土结构

根据基坑变形控制要求，挡土结构选用φ1 200@1 600 和 φ1 400@1 900 的灌注桩，由基坑整体稳定性和抗隆起稳定性验算结果确定挡土结构嵌固深度，按照桩身弯矩包络图对支护桩进行分段配筋，基坑支护典型剖面见图2。

图2 基坑典型剖面图（m）Fig.2 Vertical section of the foundation pit（m）

2.2 支撑结构

由于基坑平面形状不规则，采用传统的角撑+对撑结合边桁架的布置方案，需要设置大量穿越基坑内部的杆件，不利于土方的开挖和地下室结构的施工。因此，结合基坑平面形状和5 栋塔楼的分布位置，采用三圆环的支撑平面体系，最大限度形成无支撑覆盖区域，为基坑工程的土方开挖和主体施工创造便利条件（图3），具体布置原则如下：

图3 多圆环支撑结构和监测点平面布置Fig.3 Multi-circular supporting structure and monitoring points layout

1）在基坑中部新迎小区阳角部位设置对撑桁架，将基坑划分为东西两个区域，西区布置直径144.2 m 的圆环，东区布置直径103.0 m 的圆环，两圆环相交区域设置环梁轴力转换杆件，确保环梁推力的分解和传递。基坑南侧角部设置1 个直径50.0 m 的独立圆环，其与大圆环之间采用对撑桁架进行连接，减小应力集中。

2）基坑角部设置角撑，角撑和对撑的连杆结合圆环径向杆件设置，在达到局部区域受力平衡的同时，也对整个圆环系统的稳定和水平力的传递提供有效的途径。在环形支撑体系结构刚度较小的区域和东西两环梁相交区域，增设200 mm厚的钢筋混凝土板，提高支撑体系的可靠性。

3）支撑体系的平面布置完全避开了5 栋塔楼的竖向构件，塔楼可在不拆撑的情况下持续向上施工主体结构，缩短了项目总工期，杆件混凝土强度等级为C35，截面参数见表2。

表2 支挡结构参数表Table 2 Retaining structure parameter table

2.3 截水帷幕

采用桩间和桩后设置2 排φ650@400 单轴水泥土搅拌桩隔断坑内与坑外地下水的水力联系。

3 基坑监测结果

3.1 环梁轴力监测

第1 道支撑梁分区浇筑完成，达到设计要求强度后，采用岛式开挖法进行土方开挖。土方开挖首先保证南侧小圆环投影范围内的出土，并按照西北角和东南角、西南角和东北角对称开挖的方案，南北向对撑范围内土方安排在最后，支撑梁施工顺序与土方开挖顺序相同。支撑工作面范围内的土方开挖时间持续了25 d，YL1-1～YL1-5监测点测得的支撑轴力持续增加，各监测点轴力变化见图4。

图4 第1 道支撑轴力Fig.4 Axial force of the first supporting structure

第2 道支撑梁下方土体开挖后，第1 道支撑上布置的YL1-1～YL1-5 监测点测得的支撑轴力持续增加，见图4。第2 道支撑梁下方土体开挖后，布置的YL2-1～YL2-5 监测点测得的支撑轴力持续增加，YL2-3 监测到的轴力20 500 kN，YL2-4监测到的轴力15 000 kN，YL2-2 监测到的轴力14 000 kN，均未超过设计值。

经分析可知，第1 道环梁最大轴力计算值和实测值差异较大，YL1-3～YL1-5 实测值均远大于计算值，第2 道圆环支撑轴力实测值与计算值较吻合。第1 道环梁和第2 道环梁轴力监测值和计算值对比一览表见表3。

表3 最大轴力计算值和实测值对比Table 3 Comparison of calculated and measured maximum axial force

首道环梁支撑轴力实测值远超计算值的主要原因是：盲目赶工，土方开挖未按照对称、分层、分段开挖的原则组织，导致首道支撑不平衡、快速加载。第2 道支撑以下方的土方开挖过程中，通过严格控制施工流程，在负二层地下室结构和换撑板施工养护完成后拆除第2 道支撑，在负一层地下室结构和换撑板施工养护完成后拆除第1道支撑的施工流程，使支撑内力在可控范围内增长，确保了基坑工程的安全使用。

3.2 土体深层水平位移监测

基坑西侧和东侧中段，支撑体系刚度较小，属于基坑抗水平变形薄弱区域。相应区域布置的深层水平位移监测数据显示，土体深层水平位移最大值发生在坑底附近，且与泥炭质土等软弱土层的分布深度存在较好的相关性，监测结果如图5 所示。

图5 SC3 深层土体水平位移Fig.5 Horizontal deformation of SC3 deep soil

监测点SC4 布置基坑东侧兴昭酒店处，测得的最大深层土体水平位移值达到78.5 mm，分区内底板浇筑完成后位移仍有发展，直到地下室底板完全封闭后变形才趋于停止，分区底板封闭后至地下室垫层完全封闭期间的最大土体水平位移增量达18.5%，显示了高灵敏度软土受扰动后结构强度降低会强化基坑的时空效应。监测数据也验证了，坑底暴露时间短的区域其深层土体水平位移总量较小这一规律。

3.3 周边建筑物沉降监测

基坑东侧兴昭酒店办公楼距离基坑边最近处为6.0 m，办公楼平面呈较规则的矩形。通过布置在建筑轴线和角点处的6 个沉降监测点（编号F43～F48）获得了建筑沉降数据，数据反映建筑整体沉降量较大，差异沉降量控制满足设计要求的20.0 mm 的控制值，兴昭酒店办公楼竖向位移监测成果见图6。

图6 兴昭酒店办公楼竖向位移Fig.6 Vertical displacement of Xingzhao Hotel office building

基坑东侧新迎小区27 栋垂直于基坑边，位于新迎小区阳角部位。通过布置在建筑轴线和角点处的8 个沉降监测点（编号F50～F57）获得了建筑沉降数据，数据反映建筑物竖向位移与距离基坑边的距离密切相关，差异沉降量控制满足设计要求的20.0 mm 的控制值。

4 施工过程中主要工程问题处理

4.1 基坑侧壁漏水的处理

基坑开挖过程中，在基坑南侧和东南侧粉土层中出现两处涌水量较大的漏水点。对此，首先暂停漏水点处土方开挖，同时采用砂袋围堰反压控制漏水情况进一步扩大，然后在漏水点桩后侧进行双液灌浆处理，漏水点随即被有效封堵。因对漏水点处理较及时，且该区域新迎中学教学楼距离漏水点较远，坑壁涌水未对周边环境保护造成不良影响。

4.2 土方无序开挖的处理

在开挖第一道支撑下方土体的过程中，现场一味地追求施工进度，未按照“分层、分段、对称”的原则组织土方开挖[10-11]，导致先开挖区域深层水平位移和地面竖向位移急剧变化，监测到支撑体系内力大大超过设计值，监测数据持续报警。经基坑支护施工（设计）单位多次书面交涉，各方对后续施工达成一致意见：由基坑支护施工（设计）单位统一协调现场土方开挖与支护结构施工。随后的施工过程中，各方落实“分层、分段、对称”开挖，“先撑后挖、限时封闭、先换撑后拆撑”的施工原则，较好地控制了支撑内力和周边环境变形的发展，确保了基坑支护工程的安全，确保了土方和主体结构施工的顺利实施。

5 结语

1）软土地区采用圆环支撑体系时，应该充分考虑周边环境控制要求、工程地质和水文地质条件、施工及工期等多方面因素，并应计入施工荷载的影响。

2）圆环采用分离式布置时，圆环间采用对撑桁架进行连接，避免局部应力集中。圆环采用相交布置时，环梁相交区域的应力条件复杂，需设置环梁轴力转换杆件，确保拱推力的分解和传递。

3）软土地区采用圆环内支撑体系时，要求设计指导施工，施工服从设计。设计应根据监测成果反馈的信息进行必要调整，保障工程的安全。

4）软土地区采用圆环内支撑体系时，应严格控制土方开挖的顺序和速率，使土体应力在可控的状态下作用于支撑体系上。环形内支撑应力分布呈现明显的不均匀性，支锚刚度小的部位集中了较大的应力和弯矩，可通过设置现浇混凝土板对其进行补强。

5）软土地区基坑工程应缩短坑底土体开挖后暴露的时间，避免高灵敏度软土结构强度破坏后产生持续蠕变，对基坑周边环境的持续不利影响。