基坑环形内支撑体系的优化设计研究

吴小龙

(福建省泉州工程勘察院 福建泉州 362000)

0 引言

在基坑周边环境条件复杂、变形控制要求高的软土地区，围护墙结合内支撑系统，是常用、成熟的支护形式[1]。对于环形内支撑结构，通常采用平面有限元法假设进行支撑布置和分析计算。依照其计算假设的要求，环形梁之间应布置尽可能多的桁架杆件,其体系具有“桁架杆件数量多、环梁轴向压力大、需确保其均匀受力”的特点。因此，对造价和工期影响较大，且对土方开挖技术和施工管理要求较高。本文以马尾区某一深基坑工程为例，分析探讨据大构件分区设计理念对有限元法环形内支撑布置体系的优化设计与应用，供同行借鉴。

1 工程与地质概况

某工程位于福州市马尾区，场地周边建筑物和道路情况如图1所示。

拟建物为1幢24层商业大楼，占地面积约7066 m2，框-剪结构，设3层地下室，基坑周长约350 m，挖深15.90 m～16.40 m，采用冲孔灌注桩作为建筑物基础，工程桩已先行施工。场地属闽江下游洪淤积阶地地貌单元，基坑开挖深度范围内的土层及主要物理力学性能指标如表1所示。

地下水主要为③中砂层中的承压水，承压水头高，经计算，基坑开挖过程存在发生坑底突涌的可能性，必须采取降水或截水措施。此外，场地分布有厚层淤泥，其力学性能差，压缩性高，且主体桩基施工已对浅部软土造成了一定的扰动，给基坑支护造成不利影响。场地东北和西北侧为城市主干道，对变形控制有一定要求，加上场地空间小，支护选型受限。因此，如何选择合理的支护形式，确保基坑安全经济是设计的重点。特别是确定支护形式后，合理的布置支护结构，是设计者的主要工作。

表1 场地土层主要物理力学指标

2 原设计方案

由于周边环境对变形的控制要求较高，原基坑支护设计方案采用大直径冲孔灌注桩作为基坑的围护桩，配以两道环形内支撑体系，并进行坑内被动区水泥搅拌桩加固。考虑存在较丰富的地下水，其基坑四周设置三轴水泥搅拌桩作为截水帷幕。

2.1 基坑围护桩

排桩选择直径1000 mm的冲孔灌注桩，桩距1.2 m。在地层条件较好的区段，桩间距改为1.5 m，围护桩平均桩长约32 m。支护平面布置如图2所示，典型断面图如图3所示。

图2 基坑支护平面布置图

图3 基坑典型断面图

2.2 内支撑的布置

内支撑采用钢筋砼环撑，配以指向圆心辐射撑杆和四角弧形支撑，为增加环撑间的刚度，在两环撑间设置了短斜撑以形成圆形桁架。累计支撑构件120根，环形混凝土构件的总长度为655.0 m，内圆直径约67.0 m。

2.3 支撑立柱

为保证支撑体系的整体稳定性，在坑中设置72根钢格构立柱，其下支承桩采用冲孔灌注桩，桩长6.5 m～17.5 m。

2.4 坑内被动软土加固

为了减少基坑开挖后围护桩的变形，设计方案对被动区软土采用双向水泥土搅拌桩进行加固处理，搅拌桩采用φ550@450格栅状布置，处理深度28.4 m，加固厚度为12.0 m。

3 优化设计

原设计方案经专家论证和审查后，已正式出具施工图，但总承包商经各分项造价预算后，认为支护造价偏高，同时存在坑内软土加固施工难度大，对工程桩施工后的深层软土进行搅拌桩施工，无法保证其质量。其次，将近16 m的开挖深度采用两道支撑，一旦坑内被动区加固质量不能控制，则支护体系存在风险，其变形恐难以控制。故委托第三家进行优化，重新设计。

3.1 原支护结构存在的问题

3.1.1 围护桩布置不合理

基坑东侧排桩沿地下室外墙布置，虽然减少了基坑开挖的土方量，但由于地下室东侧墙体内凹形成阳角，阳角处的内力比较复杂，是应力集中的部分[1]，对支护构件受力不利，也增加了构件长度和围护桩的数量，与所节省的挖方量相比，并无经济优势。

供给情况：上周国内尿素复产企业增多，开工率持续上涨，目前国内尿素整体开工率在60%左右，其中煤头企业开工率在59%左右，气头企业开工率在63%左右。原料方面，主流矿区煤炭库存偏低，价格坚挺，华北地区地方煤炭价格略有下调；天然气价格略有下跌。液氨方面，供给整体偏紧，价格有所上涨。

3.1.2 内支撑布置不合理

内撑的平面布置过于追求理想化的杆系结构，以满足有限元杆系结构计算假设的要求，即尽量避免短粗杆件和构件相切，因而杆件数量增多，环形梁也多了一道。为保证环形梁尽可能只承受轴向压力，围绕两道环形梁必须设置尽可能多的以环梁圆心为中心、向外均匀辐射的支撑杆件。因构件断面尺寸小，为了确保支撑结构的平面外刚度，需要设置较多的支撑立柱，加之平面辐射杆件较多，使基坑区块分割过多，影响机械化作业，增加施工工期。此外，要求所有水平支撑辐射杆件的受力方向指向环撑中心，对放样精度和施工质量要求较高。一旦某些部位存在质量问题，可能发生多米诺效应。

3.1.3 被动区加固不合理

采用水泥土搅拌桩确实可有效提高软土的工程性能，但对加固后土体抗剪强度的取值依据尚少，计算理论不够完善。且需处理的淤泥深达28.4 m，超出了以往工程经验，加上工程桩业已施工，搅拌桩施工质量难以控制。此外，搅拌桩在基坑深度内会形成空孔段，造成不必要的浪费。

3.2 优化的思路

该基坑支护的重点部位在于：①坑底分布着深厚淤泥层，围护桩的被动区抗力小；②对于平面环形支撑体系，基坑4个角部受力复杂，是整体稳定的关键部位；③各侧基坑中部区域内腰梁与环形梁连接弱，对围护桩的约束作用小。

综上，结合原支护体系存在的问题，针对性调整支护方案：

(2)增加大断面角撑与基坑角部，构成局部三角形支撑，增强支撑平面稳定性；基坑各侧中部区域内的腰梁与环形支撑，通过加劲肋板连接，同时加密该区域围护桩间距。由此将环形支撑的数量减小为一道，并取消原两道环形支撑间的众多桁架支撑梁。

4 优化方案实施

根据以上思路及《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[2]，仍采用排桩+环撑+截水帷幕的综合支护方案。但设计上根据地质情况和基坑具体受力部位的重要性，按分块的概念来设计。其主要的原则是在确保基坑四角足够稳定的前提下，增加四边跨中的抗弯刚度，以减少环撑的受力。把环撑作为最后的一道防线，是各区块强度和稳定保证坚强后盾，从而大大提高支护体系的冗余安全度。据此思路，优化后排桩根据区块情况，分别选择直径1000 mm、1200 mm的冲孔灌注桩，桩间距1.6 m、1.7 m，在基坑各侧中部加密至1.4 m。在内支撑平面布置上，以固角强中为理念，取消一道环撑，加大环撑的直径和截面尺寸，并结合传力肋板，确保环撑受力均匀合理和具备足够平面整体刚度。垂直方向增设一道内支撑，取消坑内被动区加固，以减少因开挖过深所引起的围护桩水平位移。优化后的平面布置如图4所示，断面图如图5所示。

5 优化结果

5.1 社会经济效益

首先，加密基坑各边中部的支护桩，增强了整体刚度，使变形协调；调整东侧围护桩为单直线布置，消除基坑阳角，使受力合理。其次，采用第三道支撑替代坑底被动区软土加固，避免了因搅拌桩加固存在质量问题而带来的不可预见性安全隐患。

图4 设计优化-支护平面布置图

将环撑调整为一道大断面环撑，取消共196根辐射支撑杆件，既减少了支撑和立柱数量，又使得基坑中部增加了近1950 m2的施工空间，改善了施工条件，提高了施工速度，大大缩短了施工周期，具有明显的经济与社会效益。设计优化前后主要支护构件的工程量如表2所示。

表2 设计优化前后主要支护构件的工程量表

由表2可知，除灌注桩用量基本持平、支撑梁用量增加36.2%外，其余支护工程量得到大幅度的优化，尤其是立柱、立桩桩数量(-43.05%)和被动区搅拌桩(-100%)部分。经工程结算，基坑支护实际节省造价近710万元，占原支护方案造价的22.6%。

5.2 监测成果

图6为实测围护桩沿深度的水平位移(测斜)，图7为坑底工况下围护桩单元计算变形图，表3为周边环境在工程施工期间的最大变形量表。

通过施工过程中的监测成果图表及现场巡视结果，基坑工程的各项应力和变形基本上都控制在允许范围内，优化后的基坑支护设计实施效果较好，满足使用要求。

表3 周边环境最大变形量

图6 支护桩深层水平位移曲线

图7 坑底工况下支护桩计算变形图

6 结论

通过本工程基坑支护方案的优化设计，经施工实践和受力与变形监测，结果证明完全达到预期目标，并得出以下结论和建议：

(1)对于开挖较深的基坑，当存在较深厚淤泥层时，采用被动区加固而取代一道支撑是不合理的，存在一定风险。

(2)沿基坑四周的围护桩，尽可能直线布置，尽量避免出现阳角，以确保支护体系受力合理。

(3)大跨度方形基坑采用环形内支撑时，可不必拘泥于理想的杆系结构体系来布置结构构件。对于基坑工程应结合环形支撑梁分区块设计，在确保各区块受力可靠的前提下，使各区块传至环形梁内力尽可能均匀，尽可能小，以提高结构体系的冗余安全度。

(4)支撑体系应尽可能用大刚度的杆件。有些区域可以用混凝土板作为传力构件，一方面可增加其刚度，另一方面使其传力更均匀。

(5)大构件区块设计理念可大大增加环形支撑梁的断面，并大幅度减少支撑构件的数量，达到改善施工条件、缩短工期的目的。

(6)通过基坑工程的开挖，证明环形内撑采用大构件分区域设计理念，可以有效控制基坑侧壁变形，符合“安全、合理、经济、适用”的支护设计原则。