改良的钢顶撑在深厚软土基坑中的应用

史红福

广州市市政工程设计研究总院有限公司 510060

引言

随着地下工程建设数量逐渐增加，常遇到深厚软弱土层中的地下结构、风险等级较高的周边环境，给工程建设增加了难度，并且出现了很多与基础开挖和支撑有关的岩土工程问题。在深基坑开挖过程中，选择合适的围护结构显得尤为重要。目前，基坑围护型式主要有钢板桩［1］、SWM工法桩、钻孔灌注桩、连续墙及其他的复合型式。内支撑结构以钢筋混凝土支撑［2］和钢支撑为主，支撑刚度及受力型式是选择支撑类型的重要因素。钢筋混凝土支撑为现浇结构，与冠梁、围护结构融为一个整体，连接性好，平面刚度大，结构变形小，可有效保护基坑周边建筑物和地下管线安全，但钢筋混凝土支撑施工速度慢，不利于重复利用。钢支撑与钢筋混凝土支撑相比，有安装和拆除方便、施工速度快、可以重复利用等优点，但现有的无冠梁钢顶撑只能承担压力，不能承担拉力，因此需要一种能同时承担压力与拉力的钢顶撑来满足工程需要。

本文结合具体工程，对无冠梁的钢板桩+钢顶撑基坑支护的试验段结果进行分析，并利用有限元对其进行数值模拟计算［3］。经有限元计算发现，在深厚软土层地质情况下，基坑在开挖过程中第一道支撑在承受压力的同时会出现拉力。为适应这种工程需要，对无冠梁的第一道钢顶撑进行改良。

1 工程概况

本工程位于中山市翠亨新区翠海道，北起1号路，南至和忠路，为一四舱综合管廊项目，管廊标准断面尺寸为11.35m × 4.5m，全长约8.3km，本地块位于临海岛屿，如图1 所示。

图1 综合管廊位置总平面Fig.1 General plan of comprehensive pipe gallery location

本工程所处位置为深厚软土层，标准段设计覆土厚约3.0m，现有地面比设计地面低约1.1m，标准段基坑深度约6.4m。基坑工程对整个项目工程造价影响很大，为了控制造价减少投资，考虑施工快捷、便利，在分段施工、快速回填的原则下标准段基坑拟采用无冠梁、18m 钢板桩+两道钢支撑支护方案。钢支撑与钢腰梁进行可靠的连接，钢板桩底悬空在深厚淤泥土层中，稳定性计算无法满足《建筑基坑支护规程》（JGJ 120—2012）的要求，设计考虑先行实施试验段以验证本方案的可行性。

试验段施工过程如图2 所示。通过施工现场及监测数据发现，基坑顶部有明显的向基坑外侧的水平位移，钢顶撑承担拉力，设计的无冠梁钢顶撑失去作用，加上钢板桩长度不足引起钢板桩底部发生了较大的“踢脚”变形。在没有钢筋混凝土冠梁的情况下，为了解决这一问题，本工程对第一道钢顶撑进行了优化设计，使其在承担压力的同时承担部分拉力，从而阻碍钢板桩顶部向外侧的过大位移而引起钢板桩底部发生“踢脚”破坏。

图2 试验段施工Fig.2 Construction of test section construction

2 地质条件

根据《岩土工程勘察报告》，本工程综合管廊基坑穿过的土层分别为：①2素填土，土层厚度3.5m；②1淤泥，土层厚度31.6m；③1粉质黏土，土层厚度1.9m；③4细砂，土层厚度4.5m。钢板桩底悬在淤泥层中，土质工程参数见表1。

表1 岩土体参数取值Tab.1 Parameters of soils

3 改良的钢支撑设计

3.1 基坑支护方案

根据试验段及监测数据进行经验总结，同时从控制造价减少投资、施工便利的角度，最终选用无冠梁的18m拉森钢板桩+钢支撑［4］的基坑支护型式。钢板桩采用密扣拉森Ⅳ型，为保证钢板桩的衔接牢靠及施工质量，采用屏风式施打方式。由于淤泥层较厚，钢板桩底仍悬在淤泥土层中，传统计算稳定性不足，从而使得第一道支撑有显著地向坑外侧位移的倾向，坑底变形较大。为增加基坑内被动土压力，基坑内侧考虑采用φ850@600钢构式的三轴水泥搅拌桩对坑底进行加固，加固有效桩长为6m。基坑剖面如图3所示。

图3 基坑支护剖面Fig.3 Section of foundation pit support

3.2 传统稳定计算

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），周边环境较空阔，本基坑安全等级定为二级。采用传统计算方法对基坑进行稳定性计算，结合综合管廊基坑试验段经验，以满足抗倾覆稳定（“踢脚”破坏和对支护桩底取矩）计算为主要控制指标。由于钢板桩长为18m未穿透深厚软弱土层，对支护桩底取距，嵌固稳定安全系数约为0.90，小于规范要求安全系数1.20；坑底抗隆起稳定安全系数约为1.0，小于规范要求安全系数1.60；嵌固稳定安全系数和坑底抗隆起稳定安全系数均不能满足规范要求。若使此两项指标均满足规范要求，桩长需穿透深厚软弱土层，工程造价将大幅增加。

3.3 有限元法数值模拟

为了更形象地展现本工程钢板桩+改良后的钢支撑的应力-应变状态［5］，使结构设计更加安全、经济及合理，本文采用Midas GTS NX软件，按照工程在各种工况下的受力状况对此结构进行数值模拟。

本工程深基坑围护结构为一长条形，选取标准段标准单元［6］（钢支撑间距4m）建立三维基坑支护开挖模型如图4a 所示。对该模型左右边界处施加法向约束，底部施加固定约束，顶部为自由面。基坑围护结构外部受力按照主动土压力计算，基坑内部受力按照被动土压力计算，施工荷载按照附加水平应力计算。基坑围护结构各部分的模拟单元分别为：钢板桩及钢支撑均采用二维梁单元模拟［7］。同时对钢支撑预先施加轴向力，其单元参数按照钢材参数选取。基坑结构内外水压力差采用线性压力荷载施加在拉森钢板桩（梁单元）上，为消除边界影响，取中间一榀进行分析，计算模型如图4b所示。

图4 基坑支护模型Fig.4 Model of foundation pit support

按照施工顺序，分别对模型在不同工况下的受力情况进行加载模拟计算，取其最不利工况的钢板桩弯矩、水平位移及钢支撑轴力分别如图5～图7 所示。

图5 钢板桩弯矩（单位：kN·m/m）Fig.5 Bending moment of steel sheet pile（unit：kN·m/m）

图6 钢板桩水平位移（单位：m）Fig.6 Horizontal displacement of steel sheet pile（unit：m）

图7 钢支撑轴力（单位：kN）Fig.7 Axial force of steel bracing（unit：kN）

计算结果显示，在深厚软弱土层地区，钢板桩承受的弯矩最大值分别为124kN·m和-145kN·m；钢板桩最大位移值为30.7mm；第一道钢支撑承受的压力为轴向拉力，最大轴向拉力为248.53kN，第二道钢支撑承受的压力为轴向压力，最大轴向压力为1175.88kN。

3.4 改良的钢顶撑设计

从有限元分析结果发现，在施工过程中，第一道支撑在承受轴向压力的同时也要承受部分轴向拉力。第一道钢支撑传统上常采用既能承担压力又能承担拉力的钢筋混凝土撑，与冠梁连接成为一个整体共同受力。然而，钢筋混凝土撑的施工工期［8］较长，拆除较困难，材料不能重复利用，成本较高。本工程在传统第一道混凝土支撑的基础上改为钢支撑，在无冠梁的情况下对第一道钢支撑进行改造。在钢板桩内侧钢围檩上设多个定位螺孔，钢板桩上设多个第一通孔。钢板桩外侧设置定位槽钢，槽钢上设多个第二通孔。抗拉螺栓通过定位螺孔、第一道通孔及第二道通孔，由末端螺母对其进行有效连接，从而使得第一道钢支撑在承受压力的同时承受部分轴向拉力。第一道钢支撑如图8 所示。

图8 第一道钢支撑Fig.8 The first steel bracing

第一道钢支撑轴向拉力为248.53kN，采用φ609 ×16mm 钢支撑，根据《钢结构设计标准》（GB 50017—2017）和《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012），经计算，钢支撑内力为22.91N/mm2，小于规范抗拉强度设计值215N/mm2；螺栓所受的拉力设计值为38.83kN，小于规范抗拉强度设计计算值95.33kN；合力强度系数为0.41，小于规范1.0 的设计要求。

3.5 监测结果分析对比

为了进一步验证计算结果，加强了在施工过程中对基坑支护的监测，监测到钢板桩水平位移的最大值如图9 所示。由图可看出，基坑在实际开挖过程中，钢板桩最大水平位移小于有限元分析的结果，满足《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019）的限值要求。

图9 钢板桩水平位移监测结果Fig.9 Monitoring results of horizontal displacement of steel sheet pile

4 结语

通过具体工程的运用，验证改良后的钢顶撑安全有效、施工方便、节省投资、可重复利用。工程中使用的无冠梁第一道钢支撑目前仅适用于基坑深度一般、宽度较窄且结构较简单的工程中，对于基坑深度较深、平面尺寸较大的基坑，其受力分析尚未得到一个统一的论证，结论仅作为一种设计参考，为以后的研究奠定基础，对工程实践具有指导意义。