基于自稳式钢支撑基坑支护结构的基坑开挖研究

王建胜

(中铁十六局集团有限公司 北京 100018)

1 引言

随着经济快速发展，区域建筑密度越来越高，建筑建设过程对周边区域及建筑影响越来越显著[1]。基坑开挖是建筑建设的基础，操作不当将对周边建筑产生较大影响，造成地表与建筑物出现沉降[2]，当沉降量达到一定值后，将导致地表或建筑物使用功能损伤，严重将造成经济损失或生命安全威胁。基于此，对基坑开挖方法的研究成为建筑领域关注的热点[3]。

支护结构是一种针对建筑基坑采用的加固保护构造[4]，能够保障基坑开挖与周边环境的安全性，是基坑开挖的重要组成部分。目前，普遍采用的支护结构主要包括桩、墙式支护结构及实体重力式支护结构和组合式支护结构[5]。但这些支护结构受到建筑规模的影响，其稳定性有待加强。

自稳式钢支撑基坑支护结构是一种组合式支护结构，其利用多种技术组合保障基坑安全的同时，还具有施工便捷、工期短、效益高、能耗低等优势，得到广泛应用，是当前支护结构中具有较大优势的支护结构之一。自稳式钢支撑基坑支护结构与传统钢支撑支护结构相比，可在无支撑条件下进行直立开挖，既大幅降低材料消耗又能节省施工时间，同时无大量废弃混凝土产生，具有绿色环保功效。基于此，本文提出在自稳式钢支撑基坑支护结构的基础上，对建筑基坑开挖进行研究，分析其对周边环境的影响。

2 建筑基坑开挖研究

2.1 工程概况

某地铁车站采用双层三跨侧式站台设计[6]，周边存在大量建筑，车站基坑施工采用明挖与局部盖挖法相结合的方式[7]。车站总长与站台宽度分别为308.5 m 和8.1 m ＋8.1 m，设有 A、B、C、D 四个出口。车站中心里程、起点里程、终点里程分别为DK18＋210.9、DK18＋060.1和 DK18＋369.7，站台中心区域顶板覆土厚2.7 m。

2.2 基坑支护结构设计

车站标准段基坑与盾构井段基坑的深度与宽度分别为(16.5×30.9)m和(17.2×20.0)m，整体面积达8 602.7 m2。首先对盖挖段进行开挖，以该区域为主进行后续研究。

依据«建筑基坑支护技术规程»，本车站主体基坑达到一级基坑标准(基坑深度>12 m)，施工采用自稳式钢支撑基坑支护结构。自稳式钢支撑基坑支护结构以具有可回收特性与自稳特性的基坑支护组合技术为基础，将支护结构与斜桩组合使用[8]，依照施工区域土层结构与基坑开挖深度等因素融合数种不同专利技术，最大限度利用软土地区时空效应理论，实行分段开挖及分段浇筑施工。自稳式钢支撑基坑支护结构具有四种支护模式[9]，可根据施工区域土层结构与基坑开挖深度选取相应支护模式，如图1所示。

图1 自稳式钢支撑基坑支护结构支护模式

在基坑深度低于6 m时，可采用单排围护桩与单排注浆钢管支撑相结合的支护模式(模式一)。基坑深度处于6 m至7 m之间时，若施工区域浅层有较好土层，同样可使用单排围护桩与单排注浆钢管支撑相结合的支护模式(模式一)；若施工区域土层为淤泥质，则采用双排围护桩与单排后拉注浆钢管支撑相结合的支护模式(模式二)。当基坑深度大于7 m时，根据土层结构可分别采用双排围护桩与单排前撑注浆钢管支撑相结合的支护模式(模式三)和双排围护桩与双排注浆钢管支撑相结合的支护模式(模式四)。

结合车站基坑深度与所处区域土层结构，本项目选取模式四对车站基坑支护结构进行设计。

2.3 建筑地基开挖对邻近地表与建筑物影响

建筑基坑开挖主要研究其对邻近地表与建筑的影响，可通过建筑地基开挖后邻近区域地表沉降进行描述[10]。

车站基坑采用自稳式钢支撑基坑支护结构进行开挖后，地表沉降上限计算公式为:

式中:Əkmax为地表沉降上限(mm)；Ge为基坑深度(m)；ρ为结构系统刚度(N/m)；EI为自稳式钢支撑基坑支护结构抗弯刚度(kN·m2)；ηw为水的重度(kN/m3)；g为钢支撑竖向间距均值(m)；x和y均表示待定系数。

其能够描述建筑基坑开挖后地表沉降上限、基坑深度和支护结构系统刚度之间的相关性[11－12]。

待定系数x、y值随基坑宽度与深度变化而变化，其与Ge之间关系为:

式中:r为支护结构钢支撑水平间距(m)；f为支护结构插入深度(m)；u为悬臂挖深(m)；k为支护结构钢支撑沉降值(mm)。

式(3)和式(4)的判定函数均高于0.97，具有较高精度，在式(1)内加入x与y计算公式，得到:

r、f、u、k具体取值如表1所示。

表1 r、f、u、k 与基坑宽度关系拟合结果

随着基坑宽度变化，支护结构钢支撑沉降值的提升幅度较为显著[13]；而钢支撑水平间距、支护结构插入深度、悬臂挖深的上升趋势并不显著，均值分别在4.68、22.49和－0.43左右。由此得到地表沉降上限、基坑深度和支护结构系统刚度之间的相关性为:

基坑宽度同支护结构钢支撑沉降值之间的相关性为:

将式(6)与式(7)结合，得到地表沉降上限表达式:

3 实例分析

3.1 试验环境

为了验证所提方法的科学有效性，进行试验分析，试验环境如图2所示。

图2 试验环境

3.2 试验参数

基坑土体主要物理参数如表2所示。

表2 试验参数

3.3 观测点选取

为研究建筑地基开挖对邻近区域地表沉降的影响，针对某地铁站的中心区域，分别布设建筑物观测点、钢支撑观测点、地表观测点，观测点具体位置如图3所示。

图3 观测点选取

在研究区域内共设置7个建筑物观测点，分别用J1～J7表示；在地铁站中心区域与车站A区域基坑之间设置7个地表观测点，分别用D1～D7表示；在车站A区基坑支护结构钢支撑上设置3个观测点，分别用Z1～Z3表示。该试验持续时间为1年，于2018年7月采用本文方法进行支护，并将未采用本文方法之前的数据进行记录。

3.4 试验结果分析

3.4.1 支护结构抗压承载力

车站基坑采用自稳式钢支撑基坑支护结构，其抗压承载力对基坑开挖过程具有重要影响，采用支护结构承载力检测技术检测各支护结构钢支撑极限承载力，检测结果如表3所示。

表3 各支护结构钢支撑观测点检测结果

由表3中数据可知，自稳式钢支撑基坑支护结构极限承载力均达到1 100 kN，并且存在一定上升空间。较高的极限承载力可增强基坑稳定性，改善基坑沉降现象，保障基坑开挖安全性能。

3.4.2 基坑开挖对周边地表沉降的影响分析

在基坑与建筑物之间设定7个观测点，各观测点位置地表沉降情况如图4所示。

图4 基坑开挖后周边地表沉降变化曲线

分析图4可以看出，在相同条件下，随着分步开挖距离基坑中心距离的变化，7个观测点竖向位移量不断发生变化。其中，D1和D2观测点的沉降变化较小，其他观测点位置变化较大，这是由于在D1和D2增加了本文所述支护结构，故其沉降变化较小，验证了所提方法的有效性。

3.4.3 基坑开挖对周边建筑物沉降影响

车站基坑与周边建筑物距离约为11.1 m，试验分析了基坑开挖周期内对周边建筑物的影响[14]，主要分析6个观测点的变化情况。试验结果如表4所示。

表4 周边建筑物沉降变化 mm

由表4可知，观测点J3和J4沉降变化不显著，剩余四个观测点均表现出地表显著下降现象，如图5所示。

图5 建筑物各观测点沉降变化

由图5可知，建筑物沉降不显著的两个观测点J3和J4均为距离车站基坑最远的观测点。2018年7月至2018年8月期间，周边建筑物出现显著下降，这是由于该期间主要工作为降低基坑内地下水位，为基坑开挖做准备，基坑内地下水位的下降导致基坑外部邻近区域地下水位也有所下降，因此基坑周边建筑物在该期间内出现显著沉降现象。

4 结论

本文基于自稳式钢支撑基坑支护结构的建筑基坑开挖研究，通过研究发现:自稳式钢支撑基坑支护结构具有较高极限承载力；基坑开挖对邻近区域地表沉降影响存在时空效应，在地下水位较高的条件下距离较近的周边建筑物受基坑开挖影响沉降显著。