复杂环境下深基坑内支撑-锚杆支护设计及评价

吉晓朋 纪凡季

（中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098）

0 引言

面对城市建设的快速发展和日益繁多的地下工程，在城市复杂环境条件下超深基坑的支护难度越来越大，如何保证基坑开挖过程中的安全稳定，成为基坑设计的难点[1-4]。

地下连续墙+钢筋混凝土内支撑体系作为基坑支护的受力和止水体系，具有支护及止水效果好、整体刚度大、变形控制能力好等特点，越来越多地应用在超深基坑中[5-8]。但内支撑的设置较大地影响了土方的开挖和运输，在地层条件及周边环境条件允许的区域，设置部分预应力锚杆代替内支撑，既能满足支护体系和周边环境的安全稳定，也能提高施工效率，节约工程造价。

以北京市某深基坑工程为例，介绍了基坑采用内支撑+预应力锚杆支护体系的设计、施工过程及监测结果，为类似工程提供经验参考。

1 工程概况

项目位于北京市朝阳区，临近东北三环和机场高速，主体项目为商业、办公楼，地上16 层，地下6层（局部5 层），建筑高度约为80 m 项目基坑南北方向长度约100 m，东西方向宽度约50 m，周长约300 m，基坑面积约5000 m2，基坑深度29.00～29.80 m，属于超深基坑。

2 基坑周边环境

本项目基坑周边环境复杂，周边建筑物繁多且变形控制要求高，具体周边环境情况如下：

（1）基坑北侧距离基坑约14 m 位置为中国电子CEC 大厦，地上16 层，地下2 层，建筑高度约70 m，地下室埋深约11 m，地基形式为CFG 桩复合地基。

（2）基坑南侧距离基坑约15 m 位置为中国联通大楼，地上6 层，无地下室，基础形式为条形基础，天然地基，基础埋深约3.50 m，建筑物为砖混结构，对变形比较敏感。

（3）基坑东侧紧邻现状道路，道路东侧为华商酒店。

（4）基坑南侧和东侧贴近围墙有一层民房，砖砌结构，整体性较差。

本项目基坑周边环境见图1。

图1 基坑周边环境图

3 工程地质及水文地质条件

本工程勘探深度（65.0 m）范围内的地层划分为人工填土层和一般第四纪冲洪积层。开挖深度范围内地层主要为粉质黏土、黏质粉土、粉砂、中砂，呈互层分布。

钻探深度范围内观测到5 层地下水，第1 层为上层滞水，第2 层为潜水，第3-5 层均为承压水。

场地典型工程地质剖面见图2。

图2 场地典型工程地质条件剖面图

4 基坑工程特点及总体设计

本项目基坑周边建筑物、管线繁多，周边环境保护要求严格，场地空间狭小，工程地质条件复杂。针对上述特点，基坑支护工程设计采用了地下连续墙+钢筋混凝土内支撑（局部预应力锚杆）的支护型式，具体支护设计方案如下：

（1）基坑竖向围护体系采用钢筋混凝土地下连续墙，地连墙墙底穿过⑦黏性土层、⑧粉砂层和⑨黏性土层，墙底坐落于中砂⑩层，有效隔断上部4 层地下水。地连墙厚度1.00 m，冠梁宽度1.10 m，高度0.8 m，冠梁标高-2.10 m（相对±0.00 标高）。场地西侧考虑后续下沉广场施工，局部地连墙墙顶标高设置为-7.70 m（相对±0.00 标高）。

（2）基坑东侧：基坑外侧3 m 为现状道路，设计4 道预应力锚杆和2 道内支撑；在征求相关产权单位同意后，锚杆超出了用地红线。

（3）基坑西侧：西侧为规划中的下沉广场，考虑后期下沉广场的施工，西侧局部地连墙墙顶下卧至标高-7.70 m，上部7.3 m 采用复合土钉墙支护形式，下部采用3 道预应力锚杆和2 道内支撑。西侧现状为待建场地，基坑距离用地红线约33 m，锚杆均设置于用地红线内。

（4）基坑南侧、北侧：南侧邻近联通大厦，北侧邻近CEC 大厦，为控制基坑及周边建筑物变形，采用4道钢筋砼内支撑支护体系。

基坑设计计算采用同济启明星基坑支护计算软件，基坑东侧及北侧支护结构变形及弯矩计算结果见图3、图4。项目基坑设计平面布置图及典型支护设计剖面图见图5-图8。

图3 基坑东侧计算结果图

图4 基坑北侧计算结果图

图5 第1、2 道支撑及上部锚杆布置平面图

图6 第3、4 道支撑布置平面图

图7 基坑东侧典型支护剖面设计图（单位：mm）

图8 基坑北侧典型支护（单位：mm）

5 施工过程简介

5.1 施工工艺流程

本工程总体施工工序如图9 所示。

图9 施工工序流程图

5.2 主要工况和时间节点

①2015 年4 月10 日-6 月1 日，完成50 幅地连墙施工；②2015 年7 月11 日，完成第1 道支撑和第1、2 道锚杆施工；③2015 年9 月14 日，完成第2道支撑和第3、4 道锚杆施工；④2015 年10 月26 日，完成第3 道支撑施工；⑤2016 年3 月10 日，基坑开挖到槽底，移交总包单位。

2016 年8 月30 日，地下结构施工至±0.00，并采用素混凝土完成肥槽回填。

6 基坑工程监测分析

6.1 基坑周边建筑物沉降分析

施工过程中对周边建筑物进行了沉降监测，监测数据见图10、图11（图中竖向位移负值为向下变形，正值为向上变形）。

图10 北侧CEC 大厦沉降曲线

图11 南侧联通大厦沉降曲线

（1）北侧CEC 大厦沉降曲线

基坑北侧CEC 大厦沉降曲线如图10 所示。基坑北侧CEC 大厦在基坑施工期间总体竖向变形不大，靠近基坑侧以沉降为主要特征，沉降最大点位临基坑侧ZJ5，为4.40 mm；远离基坑侧产生一定的回弹，最大为3.10 mm。监测结果显示，4 道内支撑作为水平受力构件较好地保护了建筑物的安全稳定。

（2）南侧联通大厦沉降曲线

基坑南侧联通大厦沉降曲线如图11 所示。基坑开挖支护过程中，联通大厦变形总体表现出向上回弹→沉降→回弹的特征。自基坑开挖至地下结构施工期间，未出现过大变形，最大沉降量3.60 mm，最大回弹量约4.0 mm。

6.2 墙顶水平位移分析

（1）基坑东侧墙顶水平位移

基坑东侧墙顶水平位移曲线如图12 所示。基坑东侧支护长度约80 m，支护设计形式为上部4 道预应力锚杆，下部2 道钢筋混凝土支撑，共布设5 个监测点，其中S11、S12、S13 位于中间段，最大变形量31.50 mm，约为基坑深度的0.8%；S10、S14 临近4 道内支撑支护区域，最大变形量23.26 mm，约为基坑深度的0.08%。

图12 基坑东侧墙顶水平位移曲线

监测结果表明：上述设计限制了墙顶水平位移的发展，上部采用刚度较大的2 道内支撑，相对于4道预应力锚杆，对支护结构变形的限制能力更强。

（2）基坑北侧墙顶水平位移

基坑北侧墙顶水平位移曲线如图13 所示。基坑北侧距离CEC 大厦约14 m，采用4 道内支撑支护体系，共布设3 个监测点，墙顶最大变形量18.74 mm，约为基坑深度的0.06%。

图13 基坑北侧墙顶水平位移曲线

（3）基坑南侧墙顶水平位移

基坑南侧墙顶水平位移曲线如图14 所示。基坑距南侧联通大厦约15 m，采用4 道内支撑支护体系，共布设4 个监测点，墙顶最大变形量9.78 mm，约为基坑深度的0.03%。

图14 基坑南侧墙顶水平位移曲线

6.3 墙体深层位移分析

图15、图16 为地下连续墙墙体侧向位移曲线。随着基坑开挖，墙体变形逐渐增大，墙体最大变形部位随开挖深度逐渐下移。开挖到底后，基坑东侧墙体最大变形约34 mm，北侧侧墙体最大变形约30.8 mm，最大变形均小于基坑深度0.4%的要求。

图15 基坑东侧墙体侧向位移曲线

图16 基坑北侧墙体侧向位移曲线

基坑变形计算值与实测值对比关系见表1、表2。

表1 基坑东坡变形计算与实测结果对比

对上述结果进行对比分析，可得出结论：

（1）采用4 道内支撑的支护体系，与采用上部锚杆、下部内支撑的支护体系相比，控制支护结构变形的效果更好。

（2）采用4 道内支撑的基坑北坡计算最大变形值、最大变形位置与实测值均较为吻合。

（3）基坑东坡采用上部4 道锚杆、下部2 道内支撑的方式，最大变形计算值发生在地面下15 m，即第四道锚杆标高位置附近，与实测位置有一定偏差，且上部锚杆区域变形计算值比实测值偏大。分析其原因，可能与计算时锚杆采用的支锚刚度偏小有关，后期类似项目计算时可适当提高锚杆支锚刚度。

（4）基坑东坡内支撑区域内，最大变形发生在地表下20～25 m，变形值约32 mm，与计算结果较为吻合。

7 结论及建议

（1）针对城区复杂地质与周边环境下的超深基坑工程，设计与施工综合考虑了基坑开挖深度、场地工程地质条件、周边环境条件等多种因素，有针对性地采用地下连续墙、内支撑、预应力锚杆等多种组合支护形式，基坑监测数据分析表明，该支护方案有效地保证了基坑支护体系和周边建筑物、道路、管线等的安全稳定。

（2）基坑监测数据分析显示，钢筋混凝土内支撑相较于预应力锚杆，控制支护结构变形的能力更强；锚杆支护区域变形计算值比实测值偏大，可能与计算时锚杆采用的支锚刚度偏小有关，后期类似项目计算时可适当提高锚杆的支锚刚度。

（3）在城区复杂环境条件下，地下连续墙是一种安全可靠的支护形式，同时作为止水体系，对地下水的资源保护也起到积极的作用；在环境条件允许的情况下，采用预应力锚杆与内支撑多种形式的复合支护，取代满堂布置支撑，可以在保证基坑安全的前提下，有效降低造价，节约工期，为结构施工创造更有利的施工空间。