复杂环境下环形支撑系统的应用分析

林树周

（广东中煤江南工程勘测设计有限公司，广东广州 510440）

0 引言

城市中心建筑物密集，地下管线多且分布复杂，在这种情况下进行基坑开挖就需要面临周边环境要求严格的问题，在基坑开挖过程中需严格控制基坑支护结构变形以保证周边建筑物及地下管线的安全。此外，由于城市用地紧张，新建的地下停车库应尽可能的利用建设用地才能使车位数量满足要求，这也就导致了基坑更加靠近周边建筑物，场地内施工空间狭小，没有足够的场地可作为材料堆场及加工场，基坑开挖过程中出土非常困难。

在这种复杂环境中的深基坑通常采用支护结构+内支撑+止水帷幕的支护型式，以达到控制变形，隔绝地下水的目标。内支撑的布置形式通常有角撑、对撑、桁架撑及斜抛撑等［1-2］，这些常规的布撑型式虽然传力明确，但是存在支撑量大，空间上遮挡范围大，出土困难，造价高等缺点。为解决这些缺点，环形支撑系统应运而生，且经过大量工程实践证明，环形支撑在基坑开挖和主体结构施工期间均是安全的［3］。环形支撑通过“拱效应”能将水平荷载转化成环形钢筋混凝土结构的轴向受压荷载，受力合理，充分发挥了混凝土的抗压性能［4-6］，特别在异形基坑支护中发挥了较大优势，可减少工期，节约造价［7-8］，此外，由于圆环中部提供了开阔的挖土空间，可以大大缩短土方开挖工期［9］。

环形支撑系统遵循“对称、分段、分层”的开挖原则［10-11］，底板与每层楼板没封闭之前，不得分区拆撑［12］，如果不均衡开挖将会使整个支护结构变形量增大［13］。设计环形支撑系统时，应注意在支撑环梁、冠梁和支撑梁相交节点处加强，因为相交节点处存在应力集中［14］。

1 工程设计及地层

1.1 工程设计

拟建工程位于广东省广州市白云区齐富路南侧，齐富大酒店东侧，联富大厦西侧，项目占地面积16 213m2，总建筑面积71 329m2，拟建写字楼3 座及公共服务中心一座，整个地块下部设置二层地下室，基坑周长约523m，考虑底板、垫层，基坑开挖深度9.55m，基坑安全等级整体为一级。

基坑东侧地下室边线外约5.0m 为用地红线，距离地下室边线约6.0m处为9层联富大厦，桩基础，无地下室；基坑南侧地下室边线外2.6～9.5m 为用地红线，距离地下室边线约4.7m 为2～4 层建筑，天然基础；基坑西侧地下室边线外4.8～12.3m 为用地红线，地下室边线外约8.5m为2～5层建筑，天然基础；基坑北侧地下室边线外3.0～6.0m 为用地红线，地下室边线外约8.6m 为9 层齐富大酒店，桩基础，无地下室。基坑北侧有规划地铁十二号线区间隧道，地下室边线距离区间隧道结构最近约为17.2m，根据施工节点，本项目基坑施工期间地铁区间隧道未开始施工。

1.2 地层

场地内岩土层物理力学参数如表1所示。

表1 岩土物理力学参数Table 1 Physical and mechanicalparameters of rock and soil

2 基坑支护设计方案

针对本项目的特点，基坑支护设计整体采用直径1m 的灌注桩+砼内支撑的支护方案，采用直径850mm的三轴搅拌桩搭接作为桩间挡土止水帷幕。

为解决土方开挖、转运困难的问题，内支撑布置采用环形支撑的形式，根据基坑的形状设置了两个环形支撑，大环直径90m，小环直径56.2m，环形支撑中间形成了开阔的空间，大大提高了土方开挖、转运的效率，保证项目进度能满足工期的要求。

考虑到项目场地狭小，没有空间可以布置材料堆场，地下室主体结构施工期间材料进场非常困难，同时也考虑到两个环形支撑之间传力的可靠性，因此在两个圆环之间设置了三道对撑，同时对撑之间设置300mm厚的钢筋混凝土板。对撑之间设置钢筋混凝土板一方面可以使两个圆环传力更为均匀，另一方面也可以作为地下室主体结构施工期间的临时材料堆场，大大方便了施工。且对撑设置在基坑阳角位置，可大大提高阳角位置的稳定性。

基坑支护平面布置图及典型剖面图如图1、图2所示。

图1 基坑支护平面布置Figure 1 Layout plan of foundation pit support

图2 典型剖面Figure 2 Typical profile

3 数值模拟分析

数值分析采用Midas GTS NX 通用有限元软件。岩土层采用3D 实体单元建模，本构关系为德鲁克-普拉格，支护结构、砼内支撑、混凝土、立柱结构本构关系为线弹性。左右前后及底面边界为法向上的平动约束，模型上表面为自由边界面。

本次分析对于灌注桩采用等效刚度代换原则，将圆形灌注桩等效为矩形地下连续墙进行模拟，等效后的地下连续墙采用2D 板单元建模。设计采用直径1 000mm 间距1 200mm 的灌注桩，等效后地下连续墙的厚度为0.79m。设计方案中对撑之间的钢筋混凝土板限载20kPa，因此分析过程中在施工对撑和钢筋混凝土板工况下，在板上设置20kPa超载。

4 数值分析与监测结果

4.1 桩身变形

数值分析结果显示，基坑开挖到底后支护结构最大变形值为9.7mm，位于基坑北侧环梁与冠梁相切的位置。

分析结果最大变形处对应实际桩身深层水平位移监测CX22 点。CX22 点为深层水平位移监测点，在桩身预埋测斜管，采用测斜仪测出桩身变形。基坑开挖到底时，该点处桩身深层水平位移Midas GTS NX 分析结果和CX22 监测结果对比如图3所示。

图3 桩身变形结果对比Figure 3 Comparison of pile deformation results

通过对比结果可知，分析结果与实测结果接近，支护结构最大变形均位于桩顶部，变形随着桩身埋深加深而逐渐减小。环形支撑下桩身变形规律与常规对撑或角撑下桩身的变形规律有所不同，一般常规支撑下，当内支撑设置再桩顶冠梁处时，桩顶的变形都不是最大，在开挖范围内，一般是桩顶和基坑底的位移比较小，而最大变形位于开挖范围中部。

4.2 环形支撑梁内力

环形支撑梁的轴力如图4所示。

图4 环形支撑梁轴力Figure 4 Axial force of circular support beam

根据数值分析结果可知，环形支撑梁全截面受压，最大轴向压力为4 365kN，最小轴向压力为55kN（轴力正值为受拉，负值为受压，下同）。这说明采用环形支撑能更好的利用混凝土的抗压能力强的优势，减小配筋率，节省造价。

设计方案大环梁截面尺寸为2 000mm×1 500mm，小环梁截面尺寸为1 500mm×1 200mm，均采用C30混凝土，则在不考虑配筋的情况下，计算可得大环梁的截面抗压承载力设计值为42 900kN，小环梁的截面抗压承载力设计值为25 740kN，该承载力设计值远远大于实际所受轴向压力。

4.3 对撑立柱及钢筋混凝土板

立柱桩基础设计为桩径1 200mm的嵌岩桩，桩底进入中风化灰岩以下1m终孔，桩底沉渣厚度按建筑桩基技术规范要求不大于50mm。三道对撑之间设置了300mm厚的钢筋混凝土板，可作为临时材料转运平台，要求超载不大于20kPa。为了分析板上堆载和不堆载对支撑结构的影响，本次数值分析分两种情况进行模拟，一种是按设计图纸在钢筋混凝土板上加超载20kPa，另一种是板上不加超载。两种情况下立柱的沉降、支撑轴力、环形支撑轴力如图5至图7所示。

图5 有无超载对立柱沉降的影响Figure 5 Influence of overload on column settlement

由图5 可知，板上超载20kPa 时立柱最大沉降为-1.82mm（负值表示下沉，下同），根据实际监测结果显示，立柱最大沉降为-3.49mm，两者相差1.67mm，考虑到实际施工时桩底均有少量沉渣会影响桩基沉降，则可以认为数值分析结果和实测结果时一致的。而当板上超载为20kPa和无超载的情况下，立柱的最大沉降分别为-1.82mm 和-0.76mm。由此可知，当立柱桩基础为嵌岩桩时，板上加载20kPa产生的立柱附加沉降值为1.06mm，沉降较小，基本没有影响。

由图6 可知，当板上加载20kPa 时，对撑轴力为-1 124.5～+29.5kN，当板上无超载时，对撑轴力为-1 106.7～+38.3kN。即加载20kPa之后，压力最大值增加了17.8kN，拉力最大值减少了8.8kN，增减幅度非常小。由此可知，当立柱桩基础为嵌岩桩时，板上加载20kPa对于对撑的轴力影响较小。

图6 有无超载对支撑轴力的影响Figure 6 Influence of overload on supporting axial force

由图7 可知，当板上加载20kPa 时，环形支撑的轴力为-4 365.1～-55.5kN，当板上无超载时，环形支撑的轴力为-4 363.9～-64.5kN。即加载20kPa之后，压力最大值增加了1.2kN，压力最小值减少了9.0kN，几乎没有变化。由此可知，当立柱桩基础为嵌岩桩时，板上加载20kPa 会使环形支撑轴力更趋于不均匀，但变化幅度极小，可认为对环形支撑轴力无影响。

图7 有无超载对环形支撑轴力的影响Figure 7 Influence of overload on the axial force of circular support

5 结论

1）从桩身变形方面看，数值分析结果和实测结果较为吻合，表明环形支撑梁通过自身的“拱效应”将辐射支撑传过来的力转化为内在轴力，充分利用了混凝土抗压能力强的特点，可为辐射支撑提供可靠的支点。但是环形支撑下桩身的变形曲线和常规支撑下的桩身变形规律不同，其最大变形位于设置支撑的位置，这表明环形支撑梁提供的支撑支点效应没有常规支撑那么强，这点在进行方案设计的时候应引起重视。

2）从环形支撑的内力方面看，环形支撑实际所受的轴向压力远小于其承载力设计值，可以适当优化。但考虑到其支点效应较常规支撑弱，所以不能仅根据受力结果进行优化设计。即应在保证环形支撑梁具有足够刚度的情况下，结合受力情况进行环形支撑梁的截面尺寸设计。

3）通过数值分析，从立柱沉降、对撑轴力和环形支撑梁内力三个方面进行对比可知，当立柱桩基础为嵌岩桩时，在对撑间设置钢筋混凝土板作为施工期间的材料临时转运平台，这对整个支撑系统变形和内力影响非常小。即适当的利用对撑梁部分的空间作为材料临时转运平台是可行的，这将极大的方便施工，提高施工效率，这点可为类似工程提供参考。