深基坑施工中支护结构对基坑安全的影响研究

2022-03-30王自励吴慧李娜张文学

中国建筑金属结构 2022年2期

王自励吴慧李娜张文学

0 引言

根据有关数据，截至2021 年5 月全国城镇化率为63.89%，9 亿人口生活在城市，十年间我国增长了14.21%。依据发达国家的先例，发达国家的城市化率大约在80～85%之间。在今后的十年中，我国基本完成城市化的进程。随着城市化进程的进一步发展，城市的地上空间和日益增加的人口之间是必须亟待解决的问题。城市空间的拓展不断的压缩耕地空间。根据有关数据，2019 年全国城区面积200 569.51km，2011 年城区面积183 618.02km，8 年时间城区面积增加了16 951.49km。十届全国人大五次会议提出“一定要守住全国耕地18 亿亩这条红线，坚决实行最严格的土地管理制度”，人口聚集地亦是适合种植的耕地区域，大面积无人区不适合耕种的窘境。城市建设用地的矛盾随着城市化进程的不断深化越来越尖锐，城市沿着地表的拓展空间已经达到极限。为了守住耕地面积，必须从横向控制城市的发展。

城市地下空间的开发是缓解城市土地资源匮乏、增加城市绿化率、改善城市人居环境、提高居民生活品质、解决城市人口快速增长的唯一出路。地下结构具有好的抗震性能、季节变化对温度的影响不敏感、可以作为人防工程、空间的开发利用灵活性大、通道设置灵活且隐蔽性好等特点，有利于推动城市的经济持续发展。如日本、英国、法国等国家和城市在发展中也大量地对地下空间进行了开发，建成大量的地下商业街、地下发变电站、地下交通通道及枢纽。与此相比，我国各大城市的地下空间开发利用处于初期阶段，除了一线城市的新建城区对浅层和部分中层地下空间进行了开发利用以外、其他城市对地下空间的利用基本维持在辖地下车库和城市步行街地下商场中，大部分不超过15m。据不完全统计全国87 座城市大约有110 多个地下商业街在运营。

城市地下空间的开发在今后必将是一个新的热点。所有地下空间的开发都避不开一个话题，基坑施工的安全问题，基坑施工的安全问题大部分都是支护结构的安全问题。基坑支护的安全问题大部分都是由于内支撑的失效导致的，内支撑体系在支护结构中起着至关重要的作用。

根据某城市轨道交通建设单位2006 年～2008 年施工事故事件资料统计数据中，此时间段共发生施工事故129 起，其中由于基坑坍塌事件27 起、透水涌水9 起、地面沉陷9 起、冒顶1 起，共46 起事件，占总事故的35.6%。基坑坍塌、地面沉陷、透水涌水、冒顶等事件或多或少与基坑的稳定性、基坑的支护结构有关系。

1 基坑支护结构变形机理

深基坑在开挖前，竖向支护结构均已施工结束。常见的竖向支护结构有：排桩支护、钢桩支护、地下连续墙、沉井等形式。竖向支护结构的横向支承是随着施工挖掘深度的增加根据设计而逐步施做完成的。随着基坑施工深度的增加，竖向支护结构内侧卸载而导致作用在竖向支护结构的外力变化，即对支护结构产生侧向土压力，竖向支护结构在内支撑和土压力的共同作用下出现变形。随着施工深度的增加，横向支撑体系中的内力也随之发生变化。横向支撑体系的内力变化对于基坑开挖的安全起着至关重要的作用，轴力过小会因为横向支撑体系和竖向基坑坑壁的围护结构间的作用弱而发生横向支承体系滑落，最终导致基坑坑壁围护结构不足以抵抗土压力而导致的安全事故发生；轴力过大的情况下有可能会发生多种安全隐患。如图1所示为支护结构变形过程。

图1 支护结构变形过程示意图

深基坑存在与基坑平面几何形状、地质条件以及支护形式相关的坑角效应，即在基坑的坑角部位存在硬化现象，坑角部位的位移明显小于基坑支护结构边中部的位移水平；并且此现象随着基坑深度的增加而变的显著。

2 设计计算方法

目前在深基坑支护设计计算中，没有一种较为完善理想的方法对于多支撑结构的地下支护结构的内力和位移进行有效计算的方法。在传统的设计验算中，传统的使用方法有增量法和有限元法。

增量法考虑了基坑开挖过程中内部土体按照施工顺序分阶段被挖除后架设内支撑后基坑垂直维护结构和横向支撑体系的内力变化情况。随着施工阶段的变化，支护结构内力增加且会发生重分布的现象。增量法能够较为真实地反映施工过程对于支承结构内力的影响。

另一种常用的方法为有限元法，通过将土体和支承结构以合适的形状离散通过节点联系单元体，根据计算分析的目的选取合适边界条件，建立刚度矩阵、组集总刚矩阵、求解节点位移来解决工程问题。

3 工程地质条件及支护结构形式

根据某站前下沉式广场加地下商业体深基坑地质勘察揭示的资料，各层分别为杂填土、粉质黏土、细砂、黏质粉土、粉质黏土和碎石粉质黏土。具体地基土物理力学参数如表1 所示。

表1 场地各层地基土物理参数

基坑深度15.6m，采用明挖施工法，支护结构采用双排桩支护加钢内支撑体系，支护桩直径1m，支护深度与嵌固端深度共30m，设连梁、腰梁高度1m。

4 监测原则及数据

在基坑支护结构检测方案中，充分考虑不影响施工的前提下，检测点能反映基坑支护结构中所有钢内撑的轴力变化、并能充分反应双排桩支护，支护桩体中角桩和部分边桩的内力随基坑开挖和钢撑内力变化时的响应。

在整个基坑施工过程中，监测记录了双排桩支护中桩身和内力以及位移变化的过程，对于诸多监测数据，依据减少其他因素对于数据的干扰，选取基坑支护边部中间位置的检测点的数据，作为反应双排桩在施工中各阶段桩身的内力和桩顶位移随着施工的变化数据。基坑内力检测频率如图2 所示。

表2 基坑内力检测频率

桩顶的检测数据（如图2 所示）显示，随着检测时间的推移桩顶位移逐渐发展，在发展到某个时间点，桩顶位移曲线趋于平缓，说明此时桩顶位移不再随着时间的变化趋于稳定，根据数据显示这个时间点会大概在三个月左右出现。

图2 桩顶水平位移检测数据

通过数值模拟和检测结果对比发现，桩顶水平位移的计算值和实测值误差中位数在2mm 左右，说明数值模型、边界条件、加荷方式基本能够正确的反映实际基坑支护内力、位移的变化情况。

5 钢管支撑对支护结构的影响

前后排桩桩身水平位移均沿着深度方向水平位移逐渐减小，而且前后排桩的位移基本一致，说明在承受坑壁土压力时双排桩基可以有效地共同协调工作，前后排桩在施工过程中由于是有梁体联系，使之形成刚架效应，使得在变形过程中两桩体相互协调变形、传递支护结构后侧土压力和基坑内部钢管支撑和坑底开挖而发生的卸荷效应。

根据分析数据，钢支撑的道数对于深基坑双排桩支护结构的安全稳定性起着重要的作用，随着钢管支撑数量的增加，支护结构沿着基坑深度方向的变形会得到有效抑制。随着钢支撑数量的增加，钢管支撑对于支护结构位移控制逐渐减弱。所以根据基坑的开挖深度设置合适的道数的横向支撑体系显得尤为重要。随着钢管支撑数量的增加工程费用的支出数量也随之增加，同时出现的问题还有施工空间不断被压缩和分割，使得在施工过程中，机械操作触碰到横向钢管支撑结构的概率增加，无形中又增加了导致基坑钢管支撑破坏的其他风险。解决好这一对矛盾才能使得施工中安全和造价达到最优。从深度的桩顶水平位移的变化情况可以看出设置三道或者四道横向钢管支撑，既可以将基坑支护结构的横向位移（如图3 所示）控制在一个合理的范围之内。不同钢管支撑情况下支护桩桩顶水平位移如图4 所示。

图3 桩身水平位移

图4 不同钢管支撑情况下支护桩桩顶水平位移

根据分析和监测数据，在基坑施工过程中设置不同层数的钢支撑，对地表沉降的控制能力和影响效果亦不同。首先随着地表监测点距离基坑的距离不断增加，地表沉降逐渐增加在距离基坑约4.2m 的位置达到最大值，其后随着距离基坑边缘的距离不断增加沉降逐渐减小，最后趋于收敛稳定。其次随着横向支护结构道数的增加对于地表沉降的控制越明显，一道、两道、两道横向支撑时，地表沉降的最大值分别为22.35mm、17.43mm 和9.87mm。由图5 可以看出三道或者四道支撑结构对于地面沉降的控制明显优于一道支撑。但是过多道数的横向支撑结构对于地面沉降控制有限，不能通过过多的增加支撑结构的道数来控制地面沉降。

图5 不同道数横向支撑下基坑地表沉降

钢支撑的轴力是影响基坑支护稳定性的关键因素，一般通过预应力的形式施加，在基坑开挖过程中，横向钢支撑的内力是随着基坑开挖深度的变化而变化的。

一般来说支撑结构的预加轴力在设计轴力的50%到80%之间，过小作用有限，轴力够高使得后侧土体受到主动土压力作用，向外发生倾覆或者局部发生土体剪切破坏。

通过计算发现预应力在设计轴力的0%到50%之间时，桩体的正弯矩最大值减少了不到5%，负弯矩最大值减小15%左右，桩顶水平位移减少约15%；预应力在设计轴力的50%到90%之间时，最大正弯矩增加了1%左右，最大负弯矩减小了30%左右，预应力在此区间，对正弯矩几乎没有影响，对于负弯矩的减小作用非常明显；桩顶水平位移基本减小为零，甚至出现较小的负位移，即支护结构后侧受主动土压力，在多道支撑体系中适当减小首道支撑的预加轴力，增加其他的各道横向支撑体系的轴力效果比平均增加效果明显；最优的效果是沿着基坑深度的方向，将设计深度一半深度处的支撑结构预加轴力适当加大而降低两侧横向支撑体系轴力，对基坑变形及安全的控制更有利，缺点在于对施工的控制的要求高，而且随着基坑开挖深度的增加要实时调整横向支护结构内力，并且前期的计算工作相对较复杂，对控制轴力的计算需要不断的在施工做反馈修正。横向支撑结构不同预加力下支护桩位移对比如图6 所示。