超大径深比三圆环内支撑支护设计与实践

2023-01-28黄鹤鹏

山西建筑 2023年2期

孟娟，黄鹤鹏

（1.江苏省地质局，江苏南京 210018； 2.江苏华东地质建设集团有限公司，江苏南京 210007）

0 引言

圆环内支撑具有以下优点：1）把基坑四周产生的水土压力通过连梁、环内桁架，转化为作用于圆环内支撑上的环向压力，即所谓的拱效应，从而发挥了混凝土抗压性能好的特点，利于控制基坑变形和周边建（构）筑物的安全；2）基坑平面范围内，无内支撑面积达到70%左右，基坑围护结构成本降低35%；3）为挖土机械化施工提供多点作业条件，工期缩短20%［1-3］。因为圆环内支撑的上述优点，从而得到了越来越广泛的应用。为了保证圆环内支撑基坑本身和周边建（构）筑物的安全，众多学者对拱效应发挥的圆环半径/开挖深度（简称径深比）进行了研究，结果表明：充分发挥拱效应的径深比不能超过6［4-5］。

随着地下空间开发项目的日益增多，规模上向着更大、更深的方向发展，径深比超过6的圆环内支撑越来越多。对径深比超过6的超大径深比圆环内支撑，拱效应能否发挥以确保顺利挖土、下部结构安全施工和周边建（构）筑物安全是值得探讨的问题。作者依托南京市某迁建工程的基坑支护工程，介绍了超大三圆环内支撑的设计、运营效果三维数值模拟预测、施工要点及实际运营效果，供同行遇到超大径深比圆环内支撑设计时借鉴参考，使圆环内支撑得到越来越广泛的应用。

1 工程概况、周边环境和工程地质条件

1.1 工程概况、周边环境

场地东侧为吉庆路，东侧用地红线距吉庆路1.5 m；南侧地下室外墙距用地红线4.5 m，红线外为明辉路；西侧地下室外墙距用地红线为3.5 m，红线外为浦镇大街；北侧地下室外墙距用地红线5.2 m，红线外为景观道路、景观河。场地内拟建两幢楼——1号楼与2号楼，1号楼在场地西边，高98 m；2号楼在场地东边，高35 m（见图1）；1号楼与2号楼皆设两层地下室。基坑近似长方形，东西长260 m，南北长140 m，周长767 m，面积33 000 m2，基坑最大开挖深度10.20 m（见图2），基坑安全等级一级。

图2 CD段围护结构剖面图

1.2 工程地质条件

根据勘察报告，场地岩土层工程地质特征如下：

①1杂填土，灰色～褐灰色，松散，层底埋深0.9 m～3.8 m。

①2素填土，灰黄～灰色，软～可塑，层底埋深2.2 m～6.7 m。

①3淤泥质填土，灰～灰黑色，流塑，层底埋深3.1 m～5.3 m。

②1淤泥质粉质黏土、粉质黏土，灰色，软～流塑，层底埋深16.2 m～19.2 m。

近年来，电法勘探在地下水勘查中得到了广泛的应用，电剖面法在寻找地下低阻异常体时具有快速、直观的优点；高密度电法作为一种阵列勘探方法，具有数据地质信息丰富、解释方便等特点，在地下水资源勘察，工程地质调查，坝基及桥墩选址，采空区及地裂缝探测，矿井水害防治等众多工程勘察领域均取得了明显的地质效果。

②2粉质黏土夹粉土，灰色，软塑，局部流塑，层底埋深21.1 m～25.4 m。

②3粉土夹粉质黏土，灰色，稍～中密，饱和，层底埋深26.9 m～30.6 m。

②4粉质黏土与粉土、粉砂互层，灰色，软塑，局部流塑、稍密，层底埋深33.1 m～35.3 m。

②5粉砂，灰色，密实，局部中密，矿物组成为石英、长石，层底埋深43.9 m～45.8 m。

③4e中粗砂混卵砾石，灰色，密实，卵砾石含量（质量分数）5%～25%，层底埋深46.2 m～48.7 m。

⑤1强风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，紫红色，风化强烈，极软岩，质量等级为Ⅴ级，层底埋深48.6 m～50.5 m。

⑤2中风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，紫红色，极软岩，质量等级为Ⅴ级，未钻穿。

潜水含水层由①层、②1层、②2层组成，稳定水位埋深在场地面以下0.6 m～1.6 m，年变化幅度1.0 m；承压水含水层主要为②3层、②4层、②5层与③4e层。

2 围护结构设计

2.1 围护结构形式

基坑围护结构形式采用常规φ900＠1 100 mm，φ1 000＠1 200 mm钻孔灌注桩+φ850＠1 200 mm三轴水泥土搅拌桩（见表1），降水采用基坑内布置158口降水井方式。

表1 基坑围护结构特征表

内支撑采用濒临的圆环内支撑形式，其参数如表2所示。

表2 圆环内支撑参数表

为了提高围护结构的整体刚度、方便土方运输，圆环内支撑与濒临的支护桩之间、1号楼单圆环内支撑与2号楼双圆环内支撑之间设置了栈桥：厚度为350 mm，混凝土强度等级C35；配筋为HRB400级钢筋Φ18＠150，双层双向，短向钢筋放于外皮，长向钢筋放于里皮；钢筋保护层厚度25 mm，杆件钢筋保护层厚度为30 mm；栈桥行车宽度为10 000 mm，栈桥边缘距离两侧圆环内支撑皆为3 517 mm（见图1）。

2.2 围护结构计算

由勘察报告知：AB，BC，CD，DA段仅CD段发育了0.5 m厚的①3淤泥质填土（见图2），因此，只提供CD段围护结构计算结果。计算结果按照文献［6］，依托《北京理正深基坑支护结构设计软件》得到：

1）9种工况下嵌固段基坑内侧土反力验算如表3所示。

表3 不同工况下嵌固段基坑内侧土反力验算表

由表3可见，土反力满足要求。

2）三角形法、指数法和抛物线法得到的地表最大沉降量为28 mm，42 mm和20 mm。

3）支护桩底抗隆起验算Ks=3.637≥1.800，抗隆起稳定性满足。

4）基坑抗隆起验算Ks=2.204≥2.200，基坑底抗隆起稳定性满足。

5）用圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度，安全系数Ks=1.365≥1.350，对应的嵌固深度h0=11.500 m，而实际嵌固深度hd为16.100 m，嵌固深度满足整体滑动稳定性要求。

3 围护结构三维数值模拟预测

岩土层性质复杂性、计算模型局限性，依靠理论分析很难准确预测基坑围护结构和周边土体在施工中变化。另外，1号楼基坑圆环半径R=51.378 m，2号楼基坑内圆环半径R=61.949 m、外圆环半径R=69.949 m，按圆环内支撑竖向范围开挖深度H=8.45 m计（见图2），则1号楼基坑圆环内支撑径深比为6.1，2号楼基坑内圆环内支撑径深比为7.3，外圆环内支撑径深比为8.3，三圆环径深比皆超过6，属超大径深比。此时，拱效应能否发挥很难用理论方法分析，而数值模拟则提供了一个很好的解决方法［7-8］。采用PLAXIS有限元分析软件对基坑开挖过程中围护结构运营效果和周边土体变形情况进行了三维数值模拟预测。

3.1 计算模型

以CD段基坑围护结构设计剖面确定各土层的计算厚度；鉴于CD段①3层仅0.5 m厚，且AB，BC，DA段剖面无①3层，因而将①3层并入①2层以简化建模。土体采用HS弹塑性本构模型，土层计算参数如表4所示。表4中，重度来自勘察报告；黏聚力、内摩擦角来自勘察报告的固结快剪指标；三轴固结排水剪切试验的参考割线模量固结试验的参考切线模量、与模量应力水平相关的幂指数m、三轴固结排水卸载-再加载试验的参考卸载再加载模量卸载再加载泊松比v、参考应力pref和剪胀角Ψ的取值参考文献［9］。PLAXIS中用折减系数Rinter来描述接触面强度参数与所在土层的摩擦角和黏聚力之间的关系。

表4 地层计算参数表

图3长（X）、宽（Y）和高（Z）分别为400 m，300 m和100 m的三维模型，采用10节点的三角形单元模拟，支护桩按线弹性材料考虑，采用板单元模拟，内支撑采用梁单元模拟。模型边界条件：三维模型左右两侧X方向位移为0，前后两侧Y方向位移为0，顶部边界自由，底部边界三个方向位移均为0。模型网格划分后共生成273 540个单元，389 618个节点。

图3 基坑PLAXIS有限元分析计算模型图

3.2 模拟结果分析

最不利工况5，开挖至基坑底时围护墙变形数值模拟结果如图4所示。由图4可知，最大深层水平位移发生在距离单圆环内支撑最近的CD段斜边段上，即图4☆处，对该部位需要重点监测；围护墙最大深层水平位移为20.86 mm；相应地，围护墙顶最大变形也发生在该处，模拟计算结果为围护墙顶最大水平位移为12.44 mm，围护墙顶最大沉降为8.01 mm。

图4 开挖至基坑底时围护墙水平位移云图

最不利工况5，开挖至基坑底时土体的竖向位移数值模拟结果如图5所示。由图5可知，基坑底最大回弹为30.12 mm；基坑周边最大地表沉降为10.90 mm，最大地表沉降发生在距离图4☆处基坑边缘约5 m位置处。

图5 开挖至基坑底时土体竖向位移云图

三维数值模拟结果汇总如表5所示。为便于比较，表5列出了文献［10］中基坑及围护结构监测值、规范要求的报警值。由表5可知，工况5时基坑变形PLAXIS有限元计算结果，无论绝对值还是相对值，均小于文献［10］规定的报警值，即基坑开挖引起的围护墙体变形及对周围环境的影响均在允许范围之内，也小于实际监测值。说明基坑支护工程采用圆环内支撑，尽管径深比属超大径深比，但拱效应仍能有效发挥。另外，由于土层分布的不均匀性，对发育淤泥层或离冠梁近的部位，如离单圆环内支撑最近的CD斜边段部位，采用圆环内支撑时，应提高连梁的密度，减小连梁之间的距离，以便控制变形量，而不是与其他部位一样的连梁间隔距离11 384 mm。